无铅焊料合金动态润湿角的数字图像处理及信号处理的国际期刊研究($__20$)

工程科学与技术，国际期刊36（2022）101279一种基于数字图像Eftal Sehirlia，Ahmet Mustafa Ererb， Ahmet Kamil Turanca土耳其Karabuk大学医学工程系工程系b土耳其卡拉布克大学理学院物理系c土耳其Karabuk大学医学系，医学生物学系阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2022年2022年9月29日修订2022年10月16日接受2022年11月7日网上发售保留字：接触角测量图像处理信号处理A B S T R A C T本研究旨在以一种新的方法检测四元无铅焊料合金并测量其动态润湿角。所开发的应用程序可自动检测准备好的合金液滴并测量其润湿角在预处理阶段，对实验研究后获得的视频进行帧间滤波，并增强为更好的形式在分割阶段，通过获得泳道直方图检测半合金液滴的峰值与地面接触的左和右角点通过跟踪像素强度值与全局最小点的帮助下检测计算左半合金液滴和右半合金液滴因此，获得通过合金液滴的左半部分和右半部分的三个点的圆，以测量h左、h右和h的平均润湿角。在后处理阶段，在合金液滴接触地面后的第0、5、10、15、30、60、90、120、150和300秒测量这些角度。此外，这些润湿角的测量是在每秒钟进行。结果表明，h均值随时间的变化曲线为指数衰减曲线。这一结果证明，随着时间的推移，合金液滴在地面上蔓延，h平均值减小，并与实验期间的观察结果一致©2022 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在过去的十年中，由于铅的毒性作用，对健康和环境的关注日益增加，限制了焊接技术中使用的经典Sn-Pb焊料合金，并促进了替代无铅焊料合金的发展[1，2]。根据欧盟的RoHS和WESTERN指令[3-5]，2006年许多国家限制和禁止使用含有Pb元素的焊料合金预计焊接过程中最重要的问题是液态焊料合金与固态金属表面之间的相容性。这种情况有两个方面：液态焊料合金-固态基板界面的润湿性和两种成分之间的反应[8可焊性与被连接的两个表面的润湿性直接相关。电子设备的制造效率和可靠性取决于焊料的质量-因此润湿性[12]。接触角显示了*通讯作者。电子邮件地址：merer@karabuk.edu.tr（上午）Erer）。由Karabuk大学负责进行同行审查润湿性[13]。由于这些原因，接触角测量的检查是焊料合金合格的重要步骤。已经进行了调查，并对已发表的研究进行了审查。近年来的研究主要集中在Sn-Ag- Cu合金中添加微量合金元素的影响。例如，添加In、Bi、Zn等可支持Sn-Ag-Cu基无铅焊料的润湿性测量无铅焊料合金的h接触角也是另一个问题。Eral等报道接触角滞后是一种重要的物理现象，它普遍存在，在各种工业过程中也起着非常重要的作用。[16]第10段。因此，需要新的方法和途径来更可靠、更精确地测量无铅焊料合金的润湿角。因此，本研究旨在提出一种应用程序，可以测量Sn-（3-x）Ag-0.5Cu-x（Bi，In）无铅合金系统的润湿角受这些工作和现象的启发，本文对基于视频、图像和信号处理的合金液滴检测和自动接触角计算做出了四方面的贡献。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2022.1012792215-0986/©2022 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchE. Sehirli，A.M. Erer和M.K. 图兰工程科学与技术，国际期刊36（2022）10127922. 本研究提出了一种基于视频、图像和信号处理的合金液滴检测与动态润湿角测量相结合的新方法，具有快速、自动、准确、可靠的 特点。3. 代替手动润湿角测量，开发了一个应用程序，该应用程序将视频作为输入，并给出h左、h右和h平均接触角作为输出。4. 从图形上看，每个接触角都可以在任何一秒绘制和显示。用户可以随时通过开发的应用程序轻松监控合金液滴的位置及其润湿角2. 材料Fig. 1. h左和h右接触角的视觉描述表1视频的属性属性名称值帧数207，086帧率29.97每像素位数框架宽度512车架高度3841.据作者所在本研究中，使用了我们之前生产的四元Sn-3Ag-0，5Cu-x（Bi，In）（x = 0.5，1和2）无铅焊料合金[13，14]。在开始实验之前，用氧化铝粉和酒精清洁Cu基底。然后，将其放入实验装置中，暴露于Ar气流中20分钟。然后，气体流动持续到实验结束，以清除环境中的氧分子。从而防止了铜基体和合金熔体的氧化.合金在平均300 °C下熔化，并在Ar气体环境中下落到铜基底上方1 cm处[1，8，13，17]。在每个视频帧中，只有一个合金液滴停留在地面上。地面与从其左端点绘制的切线之间的接触角指定为hleft。地面与从其右端点绘制的切线之间的接触角指定为hright。通过取h左和h右的算术平均值获得的角度被指定为h平均值。 在图1中示出了样品帧上的h左接触角和h右接触角的视觉描述。1.一、从图1中可以看出，合金液滴看起来像一个黑色的椭圆形物体。左、右切线通过合金液滴的左右端点。图1示出了在实验研究之后获得的视频的帧。视频的属性如表1所示。开发的应用程序，以测量这些角度自动，cally是在Matlab中编写的用于开发应用程序的计算机图二. 建议方法的流程图。E. Sehirli，A.M. Erer和M.K. 图兰工程科学与技术，国际期刊36（2022）1012793表2润湿角测量算法。算法1.拟合通过三点的圆1：函数FitCircle（x1，y1，x2，y2，x3，y3）2：m12 =（y2-y1）/（x2-x1）;3：m23 =（y3-y2）/（x3-x2）;4：Xc =（m12.* m23.*（y3-y1）+ m12.* (x2+ x3）-m23.* （x1 + x2））。/（2*（m12-m23））;5：Yc =-1。/ m12.*（Xc-（x1 + x2）/2）+（y1 + y2）/2;6：R = sqrt（（Xc-x1）.^ 2+（Yc-y1）.^ 2）、7：返回R，Xc，Yc8：结束功能算法2.给定半径和中心点1绘制圆：函数DrawCircle（R，Xc，Yc）第二章：th = 0：pi/50：2*pi;第 三 章 ：x_points = R *cos（th）+ Xc; 4：y _points = R *sin（th）+ Yc;第五章：h =plot（x_points，y_points）;6：返回h7：结束功能算法3.给定左端点、半径和中心点一曰：函数DrawTangentLine（x_left，y_left，R，Xc，Yc）第二章：int x_left（x_left -xc）;3：dxda = -R *sin（角度）;4：dyda = R *cos（角度）;5：dydx = dyda/dxda;6：截距= y_left9：返回h第十章：end function阳离子包含一个2.40 GHz-i7 CPU，一个英特尔高清图形5500，和一个8 GB的RAM。3. 方法该方法包括预处理、分割和后处理三个阶段实验研究后得到的视频分割阶段旨在检测合金液滴的峰值点、左端点和右端点。在后处理阶段，绘制了合金液滴左右两侧的切线，测量了h左、h右和h平均角，并将这些都直观地呈现给应用用户。在这项研究中提出的方法的流程图如图所示。 二、从流程图可以看出，在实验研究之后获得的视频作为输入被加载到应用程序。在预处理阶段，读取加载视频的帧，并将帧从RGB转换为灰度帧。中值滤波[18]和高斯滤波器[19]分别应用于帧，以去除噪声和平滑背景。应用Otsu阈值法[20]因此，当合金滴和背景具有黑色像素强度值（0）时，其它具有白色像素强度值（1）。在分割阶段，通过计算帧的车道直方图，将帧从图像形式转换为信号形式。泳道直方图被计算为垂直像素强度值的总和这样做的目的是检测对应于合金液滴峰值点的信号的全局最小值点。k = 9[21]的移动平均滤波器应用于车道直方图以平滑基线。检测与车道直方图的全局最小点对应的信号上的最小值，并存储其x坐标值该值被用作最后获得的帧上的垂直列编号，并且在垂直列上具有白色像素强度值（1）的最高y值被用作最后获得的帧上的垂直列编号。图三.获得的结果。a）原始帧，b）灰度转换和滤波后的图像，c）Otsu阈值化后的图像，d）泳道直方图，e）移动平均滤波后的泳道直方图（k = 9）。E. Sehirli，A.M. Erer和M.K. 图兰工程科学与技术，国际期刊36（2022）1012794见图4。获得的图像。a）0秒，b）5秒，c）10秒，d）15秒，e）30秒，f）60秒，g）90秒，h）120秒，i）150秒，j）300秒。E. Sehirli，A.M. Erer和M.K. 图兰工程科学与技术，国际期刊36（2022）1012795图五. h角的图形。a）h左角，b）h直角，c）h平均角。图六、 在第0、5、10、15、30、60、90、120、150和300秒测量的h平均值的多项式曲线拟合图。见图7。 在每帧测量的h平均值Umn指定为合金液滴的峰值点的y坐标值接下来，由于帧仅包括零像素强度值和一像素强度值，因此通过跟踪像素强度值来检测合金液滴的左端点和右端点在该步骤中，选择包括合金下降的峰值点的垂直列的最后一行第一个检测到的白色像素强度值被分配为左端点的x坐标值，同时在同一行从垂直列到左侧跟踪像素垂直列的行号被指定为左端点的y坐标值执行相同的过程以检测同一帧中合金下降的右端点。在后处理阶段，其目的是计算通过合金液滴左右端点的切线，并测量所需的h接触角。计算合金液滴左侧的一个中点和合金液滴右侧的一个中点，因为其左侧（h左）和右侧（h右）的三个点都已知的圆应被拟合以能够绘制切线。表2中显示了用于拟合圆的代码块。绘制圆的代码块如表2所示。使用端点坐标、圆心和半径绘制左端点和右端点的切线绘制切线的代码块如表2所示。最后，基于三个点作为终点、圆中心点和合金液滴上的计算中值点来计算h左和h直角h平均角为通过取h左接触角和h右接触角的算术平均值来计算。4. 实验结果在这项研究中，实验研究后获得的视频由开发的应用程序和专家进行分析。预处理、分割和后处理阶段中的处理应用于第0、5、10、15、30、60、90、120、150和300秒的帧。开发的应用程序和专家都标记并测量了这些秒的h左和h右除此之外，开发的应用程序还标记并计算了视频所有帧（总共20，7086帧）的h左和h右开发的应用程序分析视频帧在指定秒8.03秒平均。图3呈现了在对样本帧应用预处理和分割阶段中的过程之后获得的结果。后应用过程在的后处理阶段在第0、第5、第10、第15、第30、第60、第90、第120、第150和第300秒获得的图像如图所示。 4所示。在第0、第5、第10、第15、第30、第60、第90、第120、第150和第300秒，由开发的应用程序测量的h左、h右和h平均角度的图形如图所示。 五、当对第0、5、10、15、30、60、90、120、150和300秒测量的h平均角度值应用5阶多项式曲线拟合方法时，得到的图形如图所示。六、当开发的应用程序分析视频的每一帧时，对h平均角度应用5阶多项式曲线拟合。在每个帧中由开发的应用程序测量的h平均角度值的获得的图形如图所示。7.第一次会议。5. 结论本研究的目的是提出一种应用数字图像测量Sn-（3-x）Ag-0.5Cu-x（Bi，In）无铅合金系统润湿角的方法，该方法能够更加可靠、快速、灵敏和自动化地测量Sn-（3-x）Ag-0.5Cu-x（Bi，In）无铅合金系统润湿角。因此，实验研究后获得的视频通过预处理，分割和后处理阶段。提出了一种新的无铅合金液滴检测和润湿角测量方法。所开发的应用程序可检测无铅合金液滴，并在指定秒的帧内平均在8.03 s内测量润湿，在视频的所有帧（总共207086帧）内平均在255.72 s内测量润湿。此外，对第0、5、10、15、30、60、90、120、150和300秒的帧进行分析，并与专家结果进行比较。测量的h平均值的图形E. Sehirli，A.M. Erer和M.K. 图兰工程科学与技术，国际期刊36（2022）1012796þþ- -见图8。 h均值的图形 由开发的应用程序和专家测量。开发的应用程序和专家在图中提出。8.第八条。除此之外，在指定帧和每个帧处通过开发的应用程序测量的h平均值的图形验证了无铅合金液滴随着时间的推移在地面上扩散，h平均值减小，并且与实验期间的观察结果一致从图6和图8中h平均值的曲线图可以看出，合金液滴在下落时会稍微扩散。然后，由于分子间的吸引力和摩擦力，它被收集。此外，由于地面的反作用力，它会跳一点。在实验研究中也观察到了这些情况。为此，本文认为h平均图可以分为两类.第一个图形包括合金液滴在0和30 s之间下落和跳跃。因此，第一图形可以表示为二阶多项式方程（ax2bx c）。第二个图形意味着合金液滴连续悬挂在地面上，没有跳跃。因此，第二图形可以表示为幂衰减方程（axb）。第一次和第二次图形的R2值分别为0.88和0.94。从图6中可以看出，图形是否被划分为两个图形或图形通过使用五阶多项式曲线拟合方法进行分析。然而，为了检测图6和图8中的图形的稳定状态，提出了在分割图形之后获得的第二图形可以更精确地表示。当专家标记h平均角度时，专家无法指定任何秒并准确地暂停视频。但是，开发的应用程序可以指定基于毫秒级别的任何秒。作为其结果是，可以更精确地统计分析由所开发的应用程序给出的输出。此外，开发的应用程序克服了人为因素造成的问题尽管开发的应用程序将合金液滴分为两个半圆，但专家认为同一合金液滴为一个圆[22，23]。然而，合金滴不是完全对称的。据认为，开发的应用程序提供了更灵敏的输出，通过接受合金滴包括两个半圆。开发的应用程序分析视频8.03秒的指定秒数。但是，专家无法像开发的应用程序那样快速测量指定秒数的h平均因此，通过使用开发的应用程序以快速可靠的方式获得结果是可能的。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] A.M. Erer，S. Oguz，Y. Turen，铋（Bi）添加对Sn-3Ag-0.5 Cu焊料合金在Cu衬底上的润 湿 特 性 的 影 响 ， 工 程 科 学 。 技 术 人 员 ：Int. 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