CN104568676A - 一种材料憎水性能的测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料憎水性能的测试方法及装置，该方法包括如下步骤：将液滴滴到材料上，将参照物置于所述被测试材料上；对所述被测试材料、以及被测试材料上的液滴和参照物进行拍照，获得图像；计算所述液滴和参照物分别在所述图像中所占的液滴像素个数N和参照物像素个数N₀；计算所述液滴至所述被测试材料的实际投影面积DA：其中，S₀是设定的所述参照物至所述被测试材料的实际投影面积；根据所述实际投影面积DA的大小判断所述被测试材料的憎水性能。相比于现有技术，本发明测试材料的憎水性能更加简单和准确。

Description

一种材料憎水性能的测试方法及装置

【技术领域】

本发明涉及一种材料憎水性能的测试方法及装置。

【背景技术】

绝缘子RTV(RTV(room temperature vulcanized silicone rubber)室温硫化型硅橡胶)涂层的憎水性能直接影响绝缘子的电气性能，测试RTV涂层憎水性能是评价RTV涂层的老化程度以及是否需要重新喷涂RTV涂料的有效手段之一。目前，常用的RTV涂层憎水性能测试方法有喷水分级法和静态接触角法。喷水分级法是确定RTV涂层的憎水性等级(HC)，具体操作是：将试片与水平面呈20°～30°放置，喷壶喷嘴距离试片约25cm，每秒喷水1次，持续25次，喷壶每次喷水量在0.7～1mL，喷水方向尽可能与试片垂直，对于HC值的判定在30s内完成。静态接触角法是测量试品表面液滴与试品的接触角，参考附图1，静态接触角法的流程为：将RTV试品01置于试品台03上，将一定体积的液滴02滴在试品01上，将液滴图像采集摄像头04与图像处理计算机06相连，并将摄像头04固定在托架05上。液滴02的侧视图通过摄像头04在计算机06中显示，经过图像处理软件，获得液滴02与试品01的静态接触角。

但是，喷水分级法和测量液滴静态接触角测量法均存在相应的不足。

【发明内容】

喷水分级法仅能粗略的评价RTV涂层的憎水性能，其不足之处还包括：测量结果受到水壶喷嘴尺寸、水滴初始速度、试验人员操作习惯以、试验人员的主观认知差异等的影响，容易导致测量结果出现较大的分歧。

测量液滴静态接触角，首先要通过图像处理方法找到水珠与RTV试品的接触面，然后依据水珠侧面投影，以不同曲率的圆(或者椭圆)勾勒出水珠轮廓，随后在气、液、固三相交界处作圆(或者椭圆)的切线，从而计算接触角。该过程有以下不足：①随着RTV涂层老化，憎水性能下降，其表面液滴会因铺展而导致液滴侧视图变小，与背景几乎混在一起，不容易确定液滴轮廓以及液滴与污层的交界面。RTV涂层憎水性能越差，测量误差越大。②RTV涂层老化后，涂层会因起泡、脱落等原因造成涂层表面凹凸不平，从而导致涂层表面液滴边界各处形状不规则，增加了识别液滴与涂层接触面的难度，同时不易用圆弧或者椭圆弧不容易勾勒液滴轮廓，导致接触角测量结果出现波动。③实际使用的RTV绝缘子并非平板结构，绝缘子表面呈一定弧度，从而限制了静态接触角法的适用范围，仅适合于实验室研究。

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供了一种材料憎水性能的测试方法及装置，从而可以更准确地评价被测试材料的憎水性能。

进一步可以更准确评价RTV涂层的老化程度。

一种材料憎水性能的测试方法，包括如下步骤：

S1、将液滴滴到材料上，将参照物置于所述被测试材料上；

S2、对所述被测试材料、以及被测试材料上的液滴和参照物进行拍照，获得图像；

S3、计算所述液滴和参照物分别在所述图像中所占的液滴像素个数N和参照物像素个数N₀；

S4、计算所述液滴至所述被测试材料的实际投影面积DA：

$\mathrm{DA}=\frac{N}{N_0}\×S_0;$

其中，S₀是设定的所述参照物至所述被测试材料的实际投影面积；

S5、根据所述实际投影面积DA的大小判断所述被测试材料的憎水性能。

在一个实施例中，所述步骤S2与步骤S3之间还包括如下步骤：

设定灰度阈值t，将所述图像中灰度小于所述灰度阈值t的部分和所述图像灰度大于灰度阈值t的部分分别分割为目标物区域和背景区域；其中，所述目标物区域和所述背景区域分别占所述图像的面积比例为θ₁和θ₂，且满足：

θ₁+θ₂＝1；

${\mathrm{\θ}}_1=\underset{k=0}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_k}{n};$

${\mathrm{\θ}}_2=\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_k}{n};$

其中，n_k表示所述图像中第k级灰度中所包含的像素数，J是所述图像灰度的总级数，n表示所述图像的像素总数，令整个图像的平均灰度为μ，所述目标物区域和背景区域的平均灰度分别为μ₁，μ₂，则：

$\mathrm{\μ}\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k=\mathrm{\μn};$

${\mathrm{\μ}}_1\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k={\mathrm{\μ}}_{1}n{\mathrm{\θ}}_1;$

${\mathrm{\μ}}_2\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k={\mathrm{\μ}}_{2}n{\mathrm{\θ}}_2;$

${\mathrm{\μ}}_1\underset{k=0}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k+{\mathrm{\μ}}_2\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k={\mathrm{\μ}}_{1}n{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\μ}}_{2}n{\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{\μn};$

目标区域和背景区域的灰度方差σ²(t)：

σ²(t)＝θ₁(μ₁-μ)²+θ₂(μ₂-μ)²；

当σ²(t)取得最大值时，选取此时对应的所述灰度参数t作为最终的灰度阈值。

在一个实施例中，

在所述步骤S1中，将所述被测试材料至于水平位置；

在所述步骤S2中，从所述被测试材料的正上方对所述被测试材料、以及被测试材料上的液滴和参照物进行拍照，使所述液滴和参照物正投影至所述被测试材料上。

在一个实施例中，

所述被测试材料是RTV或者HTV。

在一个实施例中，

所述被测试材料是含有RTV涂层的绝缘子或者HTV材料的绝缘子。

在一个实施例中，

所述参照物是片状物。

在一个实施例中，

所述液滴是水。

在一个实施例中，

所述液滴是含有增色剂的水。

本发明还提供了一种材料憎水性能的测试装置，包括摄像头、支架和图像处理装置，所述支架用于固定所述摄像头，所述支架是位置可调节的支架；

所述摄像头用于，对被测试材料、以及所述被测试材料上的液滴和参照物进行拍照而获得图像；

所述图像处理装置用于，计算所述液滴和参照物分别在所述图像中所占的液滴像素个数N和参照物像素个数N₀，计算所述液滴至所述被测试材料的实际投影面积DA：以及根据所述实际投影面积DA的大小判断所述被测试材料的憎水性能；

其中，S₀是设定的所述参照物至所述被测试材料的实际投影面积。

在一个实施例中，

所述支架包括基座、活动臂和夹具，所述基座上设有滑槽，所述活动臂的第一端通过第一紧固件固定在所述滑槽内，所述活动臂的第二端通过第二紧固件与所述夹具的第一端固定，所述夹具的第二端固定所述摄像机，所述间距与所述活动臂之间的角度可调。

在本发明的一些实施例中，摄像头垂直布置在被测试材料的上方，从俯视的角度拍摄液滴的铺展过程，液滴铺展过程与面积增长过程相对应，即便被测试材料的憎水性能完全丧失，或者被测试材料老化导致凹凸不平，均对液滴面积测量结果无影响。液滴面积法与静态接触角法均要利用图像处理技术，但两者有本质的区别：静态接触角法主要是通过图像处理技术获得液滴的轮廓和接触面边界，以此求出液滴接触角；液滴面积法则是通过图像处理获得液滴和参照物的像素数信息，以此求出液滴的面积。

通过测量被测试材料表面定量液滴的面积，来反映被测试材料的憎水性能，测量便捷高效。相较现有的喷水分级法的测量结果容易受到诸多因素的影响，液滴面积法测量更可靠，更能准确的反映被测试材料的憎水性能。

现有的静态接触角法，测量期间要利用液滴的侧视图，由于液滴相对于背景而言非常微小，图像处理难度较大，且测量结果容易受到涂层表面状态的影响，涂层憎水性能越差，测量误差越大。通过在试品垂直上方获取被测试材料表面的液滴图像，测量过程很难受涂层表面状态的影响，涂层憎水性能越差，液滴面积越大，越能够准确识别液滴形态，获得准确的液滴面积。因此，通过液滴面积来表征被测试材料的憎水性能能弥补静态接触角法的不足，对于已经老化的RTV涂层，液滴面积法能可靠反映涂层的憎水性能变化。

涂层表面液滴面积测量装置，能灵活调整摄像头的角度和高度，测量过程不受试品形态的限制，既可用于实验室平板RTV试品的憎水性能研究，也可用于研究输电线路绝缘子表面RTV涂层的憎水性能。

装置利用图像处理技术，消除人为因素的干扰，同时可连续采集并存储液滴图像，测量结果更可靠，测量更具效率。

【附图说明】

图1是现有技术中静态接触角测量装置的结构示意图；

图2是本发明一种实施例的材料憎水性能的测试装置示意图；

图3是图2的材料憎水性能的测试装置的部分结构示意图；

图4是本发明一种实施例的材料憎水性能的测试方法部分流程示意图。

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

如图2和3所示，一种材料憎水性能的测试装置，包括支架5、摄像头6、图像处理装置7和试品台4，被测试材料1放置在试品台4上，被测试材料1上放置有参照物3、以及滴有液滴2，支架5上固定摄像头6，可以自由调节支架的位置，例如角度和高度，从而调节摄像头6的位置。摄像机6用于对液滴2、参照物3和被测试材料1进行拍照得到图像，图像处理单元5用于对摄像机6拍摄的图像进行处理，获取液滴2至被测试材料1的实际投影面积。

支架5可以包括基座51、活动臂52和夹具53，基座51上设有滑槽54，活动臂52的第一端通过第一紧固件55固定在滑槽55内，活动臂52的第二端通过第二紧固件56与夹具53的第一端固定，夹具53的第二端固定摄像机6，松开第一紧固件55，活动臂52的第一端可以沿着滑槽55运动，可以将活动臂52的第一端移动到需要的位置再紧固第一紧固件55，从而可以活动臂52的高度进而调节摄像机6的高度，也可以调节活动臂52与夹具53之间的角度，松开第二紧固件56，将夹具53设置成与活动臂52需要的角度，再固定第二紧固件56，从而实现调节摄像机6与水平面的夹角。

一种采用上述测试装置的材料憎水性能的测试方法，包括如下步骤：

S1、将液滴2滴到被测试材料1上，将参照物3置于被测试材料1上。液滴2可以采用普通的液体，但如果被测试材料1是绝缘子或者其涂层，那么液滴2最好采用水，这样可以更真实反映绝缘子的憎水性能。液滴2是水时，最好增加增色剂，以使液滴2与被测试材料1的颜色不同并充分区别，以利于后续的图像处理中，能够较容易、准确提取出该液滴，但是这种增色剂的增加最好不会影响水的张力的变化，至少不会影响水的张力的大幅变化。同样参照物3的颜色也最好与被测试材料1的颜色不同并充分区别。

所述被测试材料可以是输电领域中的绝缘子的涂层RTV，或者采用HTV(高温硫化硅橡胶)材料的绝缘子。

S2、对所述被测试材料1、以及被测试材料1上的液滴2和参照物3进行拍照，获得图像。拍照时，尽量保证摄像机6与被测试材料1的表面垂直，以使拍照的效果相当于液滴2和参照物3正投影至被测试材料1的表面上。液滴2和参照物3尽量靠近，但是不能重叠，以保证更好的拍摄效果。尽量保持被测试材料1处于水平位置，以使液滴2不会倾斜引起张力的变化。由于被测试材料1可能凹凸不平，因此，也要尽量保证液滴2所处的平面与参照物3所处的平面是相同的平面，以保证后续计算得到的液滴2的投影面积的准确。参照物3可以采用片状物，例如圆片，直径可以选择3.0cm。

S3、计算所述液滴2和参照物3分别在所述图像中所占的液滴像素个数N和参照物像素个数N₀。

为了求出液滴像素个数N和参照物像素个数N₀，可以采用如下方法：

S3.1、液滴图像数字化

设定灰度阈值t，将所述图像中灰度小于所述灰度阈值t的部分和所述图像灰度大于灰度阈值t的部分分别分割为目标物区域和背景区域；其中，所述目标物区域和所述背景区域分别占所述图像的面积比例为θ₁和θ₂，且满足：

θ₁+θ₂＝1；

${\mathrm{\θ}}_1=\underset{k=0}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_k}{n};$

${\mathrm{\θ}}_2=\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_k}{n};$

其中，n_k表示所述图像中第k级灰度中所包含的像素数，J是所述图像灰度的总级数，n表示所述图像的像素总数，令整个图像的平均灰度为μ，所述目标物区域和背景区域的平均灰度分别为μ₁，μ₂，则：

$\mathrm{\μ}\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k=\mathrm{\μn};$

${\mathrm{\μ}}_1\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k={\mathrm{\μ}}_{1}n{\mathrm{\θ}}_1;$

${\mathrm{\μ}}_2\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k={\mathrm{\μ}}_{2}n{\mathrm{\θ}}_2;$

${\mathrm{\μ}}_1\underset{k=0}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k+{\mathrm{\μ}}_2\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k={\mathrm{\μ}}_{1}n{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\μ}}_{2}n{\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{\μn};$

目标区域和背景区域的灰度方差σ²(t)：

σ²(t)＝θ₁(μ₁-μ)²+θ₂(μ₂-μ)²；

当σ²(t)取得最大值时，选取此时对应的所述灰度参数t作为最终的灰度阈值。

确定目标物区域和背景区域后，将所述图像进行二值化从而完成图像数字化，如可以将目标区域置黑，即灰度值置为0，将背景区域置白，即灰度值置为255，从而可以容易分别统计出述液滴2和参照物3分别在所述图像中所占的液滴像素个数N和参照物像素个数N₀。

S3.2目标物的边缘锐化处理。

对图像中液滴2和参照物3的轮廓边缘加以补偿，增强图像的边缘及灰度跳变，使液滴2和参照物3的图像边界更加清晰显著，以便于将液滴2和参照物3的图像从整体图像中提取出来。

S3.3、消除图像背景噪音

除了图像中的液滴2和参照物3外，图像中的其他部分均被视作与液滴面积测量无关的部分，即背景噪音，消除这些背景噪音，便于从图像中提取液滴2和参照物3。

S3.4目标物内部孔隙填充

液滴2和参照物3所对应的图像内部，少量局部区域的图像灰度与图像背景灰度相同，在消除图像背景噪音的过程中，有可能被误消除，导致液滴2和参照物3的图像形成孔隙，因此，需对液滴2和参照物3的内部孔隙用同种灰度加以填充，以确保通过步骤S3.1得到的液滴像素个数N和参照物像素个数N₀能准确反映液滴和参照物的面积。

S4、计算所述液滴2至所述被测试材料1的实际投影面积DA：

$\mathrm{DA}=\frac{N}{N_0}\×S_0;$

其中，S₀是设定的所述参照物3至所述被测试材料的实际投影面积；

S5、根据所述实际投影面积DA的大小判断所述被测试材料的憎水性能。对于体积一定的液滴2来说，如果实际投影面积DA越大，则表明其憎水性能越差，反之，则表明其憎水性能越好。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种材料憎水性能的测试方法，其特征是，包括如下步骤：

S1、将液滴滴到材料上，将参照物置于所述被测试材料上；

S2、对所述被测试材料、以及被测试材料上的液滴和参照物进行拍照，获得图像；

S3、计算所述液滴和参照物分别在所述图像中所占的液滴像素个数N和参照物像素个数N₀；

S4、计算所述液滴至所述被测试材料的实际投影面积DA：

$\mathrm{DA}=\frac{N}{N_0}\×S_0;$

其中，S₀是设定的所述参照物至所述被测试材料的实际投影面积；

S5、根据所述实际投影面积DA的大小判断所述被测试材料的憎水性能。

2.如权利要求1所述的材料憎水性能的测试方法，其特征是，所述步骤S2与步骤S3之间还包括如下步骤：

设定灰度阈值t，将所述图像中灰度小于所述灰度阈值t的部分和所述图像灰度大于灰度阈值t的部分分别分割为目标物区域和背景区域；其中，所述目标物区域和所述背景区域分别占所述图像的面积比例为θ₁和θ₂，且满足：

θ₁+θ₂＝1；

${\mathrm{\θ}}_1=\underset{k=0}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_k}{n};$

${\mathrm{\θ}}_2=\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_k}{n};$

其中，n_k表示所述图像中第k级灰度中所包含的像素数，J是所述图像灰度的总级数，n表示所述图像的像素总数，令整个图像的平均灰度为μ，所述目标物区域和背景区域的平均灰度分别为μ₁，μ₂，则：

$\mathrm{\μ}\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k=\mathrm{\μn};$

${\mathrm{\μ}}_1\underset{k=0}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=0}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k={\mathrm{\μ}}_{1}n{\mathrm{\θ}}_1;$

${\mathrm{\μ}}_2\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k={\mathrm{\μ}}_{2}n{\mathrm{\θ}}_2;$

${\mathrm{\μ}}_1\underset{k=0}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k+{\mathrm{\μ}}_2\underset{k=t}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{n}_k=\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kn}}_k={\mathrm{\μ}}_{1}n{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\μ}}_{2}n{\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{\μn};$

目标区域和背景区域的灰度方差σ²(t)：

σ²(t)＝θ₁(μ₁-μ)²+θ₂(μ₂-μ)²；

当σ²(t)取得最大值时，选取此时对应的所述灰度参数t作为最终的灰度阈值。

3.如权利要求1所述的材料憎水性能的测试方法，其特征是：

在所述步骤S1中，将所述被测试材料至于水平位置；

在所述步骤S2中，从所述被测试材料的正上方对所述被测试材料、以及被测试材料上的液滴和参照物进行拍照，使所述液滴和参照物正投影至所述被测试材料上。

4.如权利要求1所述的材料憎水性能的测试方法，其特征是：

所述被测试材料是RTV或者HTV。

5.如权利要求1所述的材料憎水性能的测试方法，其特征是：

所述被测试材料是含有RTV涂层的绝缘子或者HTV材料的绝缘子。

6.如权利要求1所述的材料憎水性能的测试方法，其特征是：

所述参照物是片状物。

7.如权利要求1所述的材料憎水性能的测试方法，其特征是：

所述液滴是水。

8.如权利要求1所述的材料憎水性能的测试方法，其特征是：

所述液滴是含有增色剂的水。

9.一种材料憎水性能的测试装置，包括摄像头、支架和图像处理装置，其特征是：

所述支架用于固定所述摄像头，所述支架是位置可调节的支架；

所述摄像头用于，对被测试材料、以及所述被测试材料上的液滴和参照物进行拍照而获得图像；

所述图像处理装置用于，计算所述液滴和参照物分别在所述图像中所占的液滴像素个数N和参照物像素个数N₀，计算所述液滴至所述被测试材料的实际投影面积DA：以及根据所述实际投影面积DA的大小判断所述被测试材料的憎水性能；

其中，S₀是设定的所述参照物至所述被测试材料的实际投影面积。

10.如权利要求9所述的材料憎水性能的测试装置，其特征是：

所述支架包括基座、活动臂和夹具，所述基座上设有滑槽，所述活动臂的第一端通过第一紧固件固定在所述滑槽内，所述活动臂的第二端通过第二紧固件与所述夹具的第一端固定，所述夹具的第二端固定所述摄像机，所述间距与所述活动臂之间的角度可调。