1. 介紹

粉末涂料是表面處理工藝的環保型替代材料，廣泛應用于各領域，如汽車、建筑和家用電器行業等。在靜電作用下施加粉末涂料，其中載有顆粒的流體經過噴槍內的電暈對顆粒進行充電，隨后將粉末噴在接地基板上。此時產生幾種物理現象：湍流氣流(Re max ≈1.5e5, U max ≈20m/s)，帶有相互作用的聚合物顆粒 (2μm-180μm) ，疊加的靜電場 (ψ max ≤1.2e5V) 和重力場。由于很難能夠通過實驗和數據研究所涉及到的復雜相互作用，所以該領域的大多數研究都靠過往經驗。為了能重新設計研發出一種優化工藝參數和提高技術的系統化方法，不僅需要驗證數據工具，也需要對噴涂工藝進行全面的實驗研究。迄今發表的一些實驗研究側重于粉末的顆粒速度和尺寸分布或靜電特性的細節。

為了量化涂層質量，試圖使用破壞式測量方法是不能獲得顆粒在基板上分布情況，要么缺乏數據研究的實驗對比，要么是基于速度場分布來間接推出涂層厚度。然而，在實際應用中得出涂層在基材上的分布情況及其厚度是十分有必要的。現迫切需要一種非接觸式測量方法對數據進行收集以及后處理量化，該評估程序將為數值求解器的驗證過程奠定基礎，既能優化工業噴涂工藝，又能有助于技術的深入開發。為此，本文提出了一種新型涂層厚度和分布的測量方法——Coatmaster。本文也特別強調過濾收集到的數據以及量化噴涂工藝的關鍵參數。

2. 材料和方法

2.1. 實驗裝置的安裝

該實驗裝置由電暈型噴槍組成，噴涂室內固定該噴槍和安裝有塑料欄桿，該塑料欄桿支撐著10cm×10cm接地的基板支架。如圖1所示，過濾處的通風系統發出空氣，收集剩余粉末。

圖1-實驗裝置安裝。借助于夾具支架(2)將基板(1)固定到塑料欄桿(3)上，將噴槍(4)固定在該欄桿上(5)。裝有5克粉末(6)噴槍與基板中心對齊，噴槍背面帶有滾輪支架(7)。

把基板放置在距離噴槍15厘米位置，并用不同電壓對5克固定重量的粉末進實驗。當基板涂上一組設置好的參數涂層后，再用Coatmaster測厚系統測量該涂層厚度，每個基板的前后面分別測量三次，這樣能使每次測量之間都有足夠的冷卻時間。另外，每個電壓都設置在三個基板上，這樣就可以對每個電壓設置都進行九次測量，以便進行統計分析。

2.2. 使用Coatmaster 3D 非接觸式測量涂層厚度

Coatmaster 3D 能在100cm內非接觸式測試未固化的涂層厚度。該系統基于先進的熱光學技術，計算機控制光源以脈沖方式加熱待測涂層。然后內置的高速紅外探測器以一定的距離記錄時間序列中的溫度分布。隨著表面溫度的降低(這與涂層厚度和涂層材料的熱性能有關)，將設備檢測范圍內的涂層厚度分布推斷為一個場。(使用Coatmaster 3D型號與Coatmaster普通型號)。 Coatmaster也可以測量比基板形狀更復雜和尺寸更小的零部件，檢測彈簧樣品如圖2所示。由厚度分布圖可知，彈簧外部比內部的涂層厚度更大。

圖2-由Coatmaster為形狀復雜的彈簧外部及其內部的涂層厚度量化測量拍攝的示例圖像。

首先對固化后的樣品進行校正測量，目的是避免涂料本身特性對測量結果的影響。為此，可以使用干膜測厚儀獲得覆蓋樣品涂層厚度范圍的數據，再將它們記錄在 Coatmaster圖像上，最后將其用作整個場的校正數據。經過校正后，Coatmaster能在樣品涂層厚度范圍內檢測和量化任何涂層厚度。

2.3. 測量數據的評估

Coatmaster自動測量粉末涂層厚度和精確生成涂層厚度分布圖像后，需要評估收集到的數據和確定涂層工藝的關鍵參數。首先是基板表面的平均厚度, 因為它反映了涂層的效能;在使用固定數量粉末的每種情況下，沉積在基板上的顆粒與顆粒總數的比值。第二個關注參數是最大涂層厚度的區域中心,它指的是相對于基板所達到的最厚涂層區域的幾何中心。最后需要關注與涂層均勻性有聯系的參數。在多數情況下, 人們都希望涂料能在樣品上均勻噴涂,以便在實際應用中提供優秀的表面特性或功能。

2.3.1 數據的過濾

Coatmaster完成測量任務后，在量化涂層的基本參數前必須使用常見的圖像處理方法過濾Coatmaster收集的數據和消除與該研究無關的噪聲。數據中的噪聲以像素形式出現：a)達到Coatmaster校準過程中規定的上限值;b)通過測量發現非常薄的涂層厚度;除噪聲外，還應過濾與夾具或接地電纜得幾何區域。

2.3.1.1 閾值濾波

過濾的第一步是消除最小閾值和最大閾值區間以外的涂層厚度數據。最小閾值通常可略高于零，因為基板外的噪聲像素往往包含較小數值。最大閾值應設置為略低于在 Coatmaster校正過程中的最大值，以消除基板上較薄涂層但仍然呈現閾值的像素點，如圖3中的區域A所示。

在圖3所示情況下，由于大量數值沒有達到設備閾值，因此閾值濾波效果較好。然而，特別是對于基板的背面圖像，由于角框效應(這是必要的步驟)，導致中間大面積較薄涂層顯示不真實的高值。

圖 3-原始數據圖像的閾值濾波。

上圖是原始圖像, 像素或區域標記為：A) 通過閾值濾波消除了薄涂層達到相機最大閾值的像素集合;B)通過幾何濾波消除基板外涂層厚度值的像素集合;C)用相應的濾波去除夾具區域。下圖是經過閾值濾波后的基板圖像，剔除了A型區域。適用于可用數據范圍的縮放。

2.3.1.2 幾何濾波

閾值濾波不需要去除所有脫離基板的像素點，如圖3所示包含區域B。由于這些像素通常都比基材小，所以可以根據幾何位置進行幾何濾波。根據圖像的行和列的位置對剩余未過濾的數據進行排序。行(r)和列(c)坐標如圖5所示。然后在幾何位置的分布上,消除的像素位置坐標低于或高于百分比 ( 低和高 ) 中定義的限制值。

圖 4- 基于幾何位置分布函數的幾何濾波。

借助公式(1)中定義的濾波函數δ進行數學表示，該函數乘以與之相關的像素i, D i 為涂層厚度值。

該濾波過程的效果如圖5所示，取極限值分別為坐標的2.5和97.5%，消除含有非零涂層厚度的數值。

圖5—在像素坐標的2.5-97.5%之間的幾何閾值。上方圖是基板的原圖像，下方圖是經過幾何濾波。圖3中B類型的大部分像素都被消除，除了包含在白框中的像素，以及圖3中的一部分 C區域。適用于可用數據范圍的縮放。

在這種情況下，可以觀察到圖5中的白色框并不能消除所有位于基板外部的像素，最明顯表現在圖像的底部像素。此外，在圖像中仍然可見部分夾具區域。如果在 5-95%的坐標值之間進行閾值化，則對所有的情況進行更好濾波，如圖6所示。因此，較佳極限閾值可以經驗所得。

圖6—在像素坐標的 5-95% 之間的幾何閾值。上方圖是基板的原圖像，下方圖是經過幾何濾波。圖3中的區域B的大多數像素以及圖3中的區域C都已消除。適合可用數據范圍的縮放。

2.3.1.3 過濾夾具區域

在涂裝過程中用于固定基板的夾具通常具有較高的涂層厚度。因為它不屬于基材，所以需要濾去該區域。此外也要消除基板附近由夾具干擾造成的涂層像素。根據圖7所示原理圖來消除夾具區域，其中用藍色填充夾具的對應區域。基板中心的識別以及基板的行坐標和列坐標的范圍，在定義夾具區域中起著關鍵作用。

圖 7- 夾具區域示意圖

識別控制區域的兩個比值，如式(2)所示。

如果行坐標小于最小行加上夾具的高度，并且列坐標小于基板中心的坐標減去寬度 w2或大于基板中心加w1的坐標，則該數據將作為夾具區域消除。此過濾效果如圖8所示。為了達到演示目的，本次實驗消除比夾具區域更大的區域，這會有效避免夾具引起的干擾。

圖 8- 過濾夾具區域

2.3.2 平均涂層厚度 (ACT)

表征涂層質量的首要性能參數是平均涂層厚度。在使用相同數量的粉末進行工藝比較時會直接反映效能，因為基板的平均涂層厚度越大，沉積的粉末比例就越大。因此使用上述各節的過濾過程，通過計算剩余像素的涂層厚度的平均值，就可以計算 ACT，如公式 (4) 所示。任何涂裝工藝的目的都是盡可能提高效能，因此需要盡可能提高 ACT。

公式(4)中，針對較薄涂層特別引入了面積縮放因子。在較薄涂層中，未過濾像素數量(N unfilter )遠遠小于覆蓋整個基板的像素數量。在這些情況下，如果不對整個基板面積進行縮放，而是直接計算單個未過濾像素(A i )面積的平均厚度，這將導致錯誤結果。基板面積(A plate )是由行坐標和列坐標的范圍確定的。在不同測量值與基板之間的范圍時，從基板面積范圍的面積(A plate )在所有標準化情況下求平均值，以消除變化影響，對于每種情況，變化通常很小。

2.3.3 中心偏移量

下一個性能參數是中心偏移量。量化該參數需要識別最高涂層厚度區域 (RHCT)。這區域包含一定比例的未過濾像素，反映出最高的涂層厚度。然后根據基板幾何中心(式(5))和區域幾何中心(式(6))的行、列坐標差值計算中心偏移量，如圖9所示。

圖9中，基板的幾何中心用紫色表示，區域的幾何中心用棕色表示。可以觀察到幾何中心向板底以及右邊緣移動，這表明涂層具有某種不對稱性。因此，中心偏移量將表征涂層的不對稱。

圖 9- 基板的幾何中心相對于RHCT的中心。

朝向底部的中心偏移量表示基板遠離噴槍位置，而在列坐標方向的偏移量通常表示基板不一定垂直于噴槍。

2.3.4 不均勻性

最后的性能參數是不均勻性。無論是盡可能得到均勻涂層，還是基于應用得到完全相反涂層，量化不均勻性都是至關重要。根據涂層厚度直方圖量化參數，如圖 10 所示。

圖 10- 涂層厚度直方圖

為了生成涂層厚度直方圖，將所有涂層值收集到指定數量的bin中，如圖10所示，使用了20個bin。因此，每條柱子表示在bin范圍內包含厚度值的像素的數量。利用該直方圖中最大計數數、N max 以及對應的bin D max 的平均厚度值定義不均勻性，如式 (7)所示。

因此，不均勻性是某種形式的標準化加權標準差，其中偏差值越大，表明涂層分布較不均勻。bin i 、N i 中計數數的權重(按最大計數數)可確保與最大計數厚度有較大偏差的少量像素不會支配不均勻值。

3. 結果與驗證

如圖 11 所示，在方框圖中可以觀察到 ACT 與電壓的變化關系。框圖的數據由三個基板的數據組成，每個基板測有三個測量值，因此共進行了 9 次測量，如第 2.1 節所述。ACT值呈緩慢增長趨勢，在電壓約為29 kV 的恒定值時使用噴槍。

圖 11- 平均涂層厚度與電壓變化曲線和厚度等值線關系。底部特征區域標記為 A) 上邊緣薄帶, B) 中心厚帶, C) 底部厚層, D) 極薄角落, E) 中心擴散帶.

即使ACT在高壓下趨于穩定，但中值的厚度輪廓等值線(框線圖中的紅線)明顯不同。將 24 kV 與 52 kV 輪廓線進行比較可以看出，在前一種情況下可以看到中心帶 (B) 和底部邊緣帶 (C) 處的涂層厚度較高，基板的上邊緣帶 (A) 的涂層厚度較低，而在中心擴散帶(E)將較低涂層厚度區域限制在角落(D) 上，從而產生更均勻的涂層。這也可以通過圖12中的不均勻圖進行定量驗證。從圖中可以看出，在10kV的最低電壓下，不均勻性處于低值，在24kV左右不均勻性升到峰值，然后在最高兩個電壓時達到最低值，這與中值情況下描述的厚度輪廓一致。

考慮10kv、24kv和52kv三種情況下涂層厚度的直方圖，可以解釋最低和最高電壓不均勻性處于同一水平的現象，如圖13所示。

圖 12- 電壓變化曲線和厚度等值線的不均勻性

圖 13- 在特定電壓下涂層厚度分布的直方圖

在電壓為10kv情況下，單個“bin”的像素較多，表明不均勻性較低。事實上，這種情況下的不均勻性比52 kv要低。但是，與最高“count”相關的涂層厚度值較小，因此 10 kv與最高“count”的偏差相對較大。而在52kV的情況下這種偏差很小，因為較大的涂層厚度與最高“count”有關，導致出現類似的不均勻值。對于中壓情況，從直方圖中也可以看出，涂層厚度值分布較大，計數較大，兩者的結合導致了不均勻性的峰值。

圖14描述了基板上的行坐標和列坐標的中心偏移量。列坐標的負值表示RHCT的中心位于基板中心左側，列坐標負值表示位于基板中心下方。可以看出列坐標的中值均為正，但趨勢不明顯，行坐標的中值均為負，電壓越大越接近板心。

列坐標的三個選定情況，即圖 14 左側的 18、35、52 kV，在18 kV 處列坐標幾乎與基板中心對齊，然后在 35 kV 處比在 52 kV 時偏移更多。在右側，同樣可以看到行坐標在隨著電壓的增加越接近基板中心，電壓從 20 到 29 和 48 kV，這反映在行坐標中心偏移圖中。需要注意的是，特別是在中壓下，板底邊緣通常有一個厚的涂層區域 (參見圖 11 中的 C 區域)，將 RHCT 中心推向底部，在 20 kV 的情況下最為明顯。

中心偏移量還可以提供與涂裝工藝相關的重要信息。在圖14中，觀察到列坐標的中心偏移以及范圍框的大部分都位于正值范圍內，這意味著偏移量系統地朝向基板中心的右側，否則，范圍框將包含偏移值0。

圖 14- 列坐標和行坐標的中心偏移量隨電壓的變化。

造成這種系統效應的原因可能是在這種情況下的通風。在考慮行坐標的偏移時，除了10kV的極低電壓外，所有偏移量都低于基板中心，增加電壓進行接近。這與預期一致，因為這里的系統效應是重力，其效果下降，因為靜電力成為主導地位，由于采用更高的電壓將RHCT的中心推向基板中心。

4. 摘要和結論

本文是基于CoatMaster的先進熱光學技術收集涂層厚度數據，介紹了收集和處理粉末涂裝工藝實驗數據的過濾過程。本次研究的一個關鍵點是量化涂層質量的性能參數。這三個方面構成了一個廣泛的數值求解器驗證的基礎，從而成為優化工藝參數的關鍵因素;電壓、流量和基板相對于噴槍的幾何方向，根據平均涂層厚度和不均勻性給出性能標準。

在本研究中，得到了性能參數的重要性及其相互關系。為此，人們可能傾向于僅通過 ACT 值來評估涂層的質量，這將導致以下結論:高于約 29 kV電壓(達到圖 11 所示的極限值)，不會影響涂層的質量。但考慮到涂層的不均勻性，這一結論是錯誤的。如圖 12 所示，只有在施加最高的兩個電壓時，涂層才會變得均勻。

因此，在評估涂層工藝質量時，應同時考慮涂層的均勻性。當ACT值幾乎相同時涂層的均勻性可能會有很大的不同。從圖11和圖12所示的ACT和不均勻性對電壓的關系圖中，可以根據應用推斷出理想的電壓范圍。例如，要求得到均勻薄涂層的工藝應保持在10-14kv左右的低壓值，而電壓值在24kv以上會產生薄涂層，并且在基板的中間出現更厚涂層。在29-40kV范圍內可以得到相同的分布，但與較大的ACT值有關，之后涂層會隨著電壓的增加而變得更加均勻。

另一個性能參數，即RHCT的中心偏移，將針對涂層厚度的對稱性提供參考，并可能是系統次級效應的指標。在這項研究中針對基板，由于評估該參數導致了對稱的系統偏差，其中基板的左側比右側涂層涂層更薄。這很可能是由于通風系統驅動的氣流。此外，這參數間接有力表明靜電力與重力哪個要強，因為朝向基板底部的偏移量越大，表明靜電力越弱。這是一個調整基板和噴槍較佳距離的重要參數。

本文所述的基板過濾方法適用于Coatmaster 測量任何復雜形狀的零部件，該測量方法提供了二維的數據集。

為了概括在實踐中經常遇到復雜形狀的方法，需要擴展該過程來處理可能位于特定基板凹部的噪聲數據。常見的圖像處理技術，如中值濾波和高斯濾波將作為下一步進行深入研究。