3直徑與同軸度檢測

3.1電極直徑測量

(1)單階圓柱型電極的直徑測量

在已經(jīng)提取的電極輪廓圖中，系統(tǒng)首先將整幅圖自上而下逐列掃描，每掃描一列就將這一列的所有白點(diǎn)保存在集合s中，用s中的最下面的白點(diǎn)的行號值與最上面的行號值作差，系統(tǒng)將差值視作此處的電極直徑長度，并將差值保存在另一集合S中，整幅圖像掃描完畢后，每一列的電極直徑長度都被記錄了下來。

觀察可知，電極圖像中電極頭部所占面積明顯大于電極基體所占面積，待測量值是電極頭部的直徑，系統(tǒng)取集合S的平均值，將大于平均值(即基體部分)的部分去除，再對剩余部分取眾數(shù)L1，對區(qū)間[L1-3,L1+3]的集合取平均值L2，系統(tǒng)將此平均值確定為電極直徑所占像素個(gè)數(shù)。電極的真實(shí)直徑d即為L2與單位像素真實(shí)長度的乘積。

同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)截取待測量電極段的操作，測量人員可對電極部分直徑進(jìn)行多次測量，或測量電極特定段的直徑。

單階電極測量及結(jié)果如圖9。

(2)多階圓柱型電極的直徑測量

由于電極含多階，因此在測量過程中，操作者手動(dòng)截取需要測量的各階電極段。多階圓柱型電極的直徑測量方法與單階電極的大致相同，系統(tǒng)同樣掃描取得集合S，在沒有電極基體的影響下，直接對集合S取眾數(shù)L，并對區(qū)間[L-2,L+2]取平均值L1，L1被視作此段電極的所占像素個(gè)數(shù)，該段電極的真實(shí)直徑d即為L1與單位像素真實(shí)長度的乘積。

多階電極測量及結(jié)果如圖10。

(3)球頭型電極的直徑測量

球頭型微電極的待測直徑分為球頭和靠近球頭的基體直徑兩部分。觀察圖像可知，球頭的直徑是整個(gè)電極中所占像素個(gè)數(shù)最多的，在逐列掃描時(shí)，系統(tǒng)延續(xù)了測量圓柱形電極的方法，得到集合S中最大值即為球頭直徑，記作L。

球頭直徑電極測量及結(jié)果如圖11。

由系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)對于電極的直徑測量誤差不超過5%，基本可控制在4%以內(nèi)，可應(yīng)用于微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際操作中。

3.2電極同軸度誤差測量

(1)圓柱型電極同軸度誤差測量

在擬合電極及基體軸線時(shí)，系統(tǒng)以上述操作中測量出的直徑L(直徑占像素?cái)?shù)量)作為臨界值，電極上下輪廓線相差在(L+5)以內(nèi)的部分被記作電極頭部，相差大于(L+20)的部分被記作電極基體部分，取輪廓線縱向的中點(diǎn)為軸線點(diǎn)。系統(tǒng)對頭部和基體部分的中點(diǎn)使用最小二乘法進(jìn)行直線擬合得到兩條軸線，兩條軸線的斜率雖然相差不大，但由于斜率不同，不能直接用來計(jì)算兩條軸線之間的距離。因此，本文提出了三種計(jì)算方法如下：

①將基體部分?jǐn)M合軸線，得到其斜率k1與截距b1，取電極部分的靠近基體的一點(diǎn)作為橫坐標(biāo)x0，取電極頭部分的軸線點(diǎn)高度均值作為縱坐標(biāo)y0，將此點(diǎn)(x0,y0)作為電極頭部一點(diǎn)，以k1為電極頭部軸線的斜率，求得電極頭部軸線的截距b2=y0-k1x0，兩條軸線之間的距離T即為T=|b1-b2|。反之，以電極頭部部分?jǐn)M合出的軸線為基準(zhǔn)計(jì)算也會(huì)得到不同的結(jié)果。

②默認(rèn)兩條軸線都為水平線，將兩條軸線中點(diǎn)豎直方向上的差值作為同軸度偏移量。取基體部分的縱坐標(biāo)集合并對其取平均值y1，再取電極頭部部分的縱坐標(biāo)集合并對其取平均值y2，兩條軸線之間的距離T即為T=|y1-y2|。

電極的同軸度誤差作為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，采用了三種方法計(jì)算電極頭部與電極基體部分的同軸度誤差。在系統(tǒng)測試中，明顯可觀察到方法①以基體軸線為基準(zhǔn)測得的同軸度誤差接近真實(shí)值，方法②由于只考慮到軸線斜率為0的情況使測量結(jié)果很不穩(wěn)定，方法③的測量結(jié)果與人工測量值相去甚遠(yuǎn)，不宜應(yīng)用。系統(tǒng)將方法(1)的測量算法置入系統(tǒng)，可較好地保證同軸度誤差的精確度。

(2)球頭型電極同軸度誤差測量

球頭型電極同軸度的測量中，系統(tǒng)擬合基體部分的軸線及球頭部分的圓心，利用求得的球心坐標(biāo)求取球心到直線的距離作為球頭型電極的同軸度誤差。

直線與圓的擬合效果以及同軸度測量效果如圖12～14所示。

4結(jié)語

(1)二值化是圖像前期處理的核心步驟，以往多手動(dòng)或半手動(dòng)確定二值化閾值，本文參考相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了新的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差法確定電極圖像的閾值范圍，避免反復(fù)調(diào)試閾值的不便，也能更精確地反映電極邊緣特征。

(2)本文設(shè)計(jì)了連通域面積識別法，用以對進(jìn)行過一系列處理后僅剩大片噪聲的圖片做最后一步處理，去掉大片噪聲僅保留目標(biāo)電極，操作簡潔，準(zhǔn)確度高。

(3)電極的同軸度誤差在二維圖中不便測量，本文用了三種方法大致擬出了電極的同軸度誤差，并且選用了誤差相對最小的“以電極基體部分斜率為基準(zhǔn)”的算法計(jì)算電極的同軸度偏差量，使結(jié)果更加精確，應(yīng)用范圍更廣。

本文設(shè)計(jì)了微細(xì)電極自動(dòng)檢測系統(tǒng)。對顯微鏡下采集的原始圖像進(jìn)行閾值分割，濾波以及形態(tài)學(xué)處理，準(zhǔn)確地提取了微電極的邊緣輪廓。用最小二乘法對中心點(diǎn)集合與球頭輪廓進(jìn)行直線與圓的擬合，使用一定的算法分析處理測量直徑尺寸與同軸度誤差。實(shí)踐證明：本文對直徑尺寸的測量誤差控制在4%以內(nèi)，驗(yàn)證了圖像處理測量同軸度的可行性，為同類零件的自動(dòng)化測量提供了有益的參考。