基于椭圆检测的液态PbLi与RAFM钢的润湿角的快速测算

潘保国，汪卫华,，储德林，王 鹏

计算机科学与自动化技术

基于椭圆检测的液态PbLi与RAFM钢的润湿角的快速测算

潘保国1，汪卫华1,2，储德林2，王 鹏1

（1. 陆军炮兵防空兵学院 基础部，安徽 合肥 230031；2. 安徽大学 物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230039）

在惰性气体保护下，利用高温静态座滴法测量并采用基于弧支撑线段的椭圆检测方法计算液态PbLi在RAFM钢表面的润滑角，得到在255～425 ℃间不同温度时液态PbLi在RAFM钢表面的润湿角均超过98°。由于不需要人工选择边界点，该椭圆检测方法与椭圆拟合相比，速度更快，实现了实验结果的快速测算。

霍夫变换；椭圆检测；液态PbLi；RAFM钢；润湿角

在核聚变反应堆中，包层是能量转换的关键部件[1]，目前受到国际上普遍关注的、最有发展潜力的聚变堆包层是液态金属包层，而液态金属与结构材料之间的润湿性能关系到热交换的效率以及结构材料的抗等离子体辐照，进而决定反应堆结构材料的服役寿命。在材料科学中，金属的液态与固态两相之间的润湿性能是一项基础性的研究，属于基本物理化学性质，是反映固液界面润湿性能大小的重要参数，对焊接、冶炼、铸造、粉末冶金等过程都具有重要意义。

图1 润湿角示意图

如图1所示，当液滴在固体基座表面上达到平衡状态时，夹角即为润湿角。通过对润湿角的研究，可以获得固、液、气分子互相作用的诸多信息，如表面润湿性、表面粗糙度、固液界面张力等[2-4]。

低活化马氏体钢（Reduced Activation Ferritic/ Martensitic Steel，RAFM钢）是聚变反应堆环境中优先考虑的重要候选材料，本文采用高温静态座滴法测算液态PbLi[5]在RAFM钢表面润湿角。

目前润湿角测量技术以实验研究为主，主要分为角度测量法、力测量法、长度测量法和透射测量法，但以上方法都存在测量装置复杂、人为操作因素影响较大等缺点。因此，近年的文献较多地采用拍摄液滴在基座表面的静态数字图片，然后采用数字图像处理技术测算出液滴在基座表面的润湿角。王晓辉等人[6]采用了多项式拟合的方法计算润湿角，多项式拟合中液滴轮廓曲线点数选取的多少，以及多项式阶数的选取都会对最终计算结果产生较大的影响。徐志钮等人[7]使用椭圆拟合方法可以更加有效地利用液滴边界点信息，其拟合的结果要比多项式拟合的结果更加稳定。但在使用椭圆拟合时必须依靠人工选取液滴的轮廓曲线并删除其它无关的点线。这种采取人工干预的方法将会增加主观因素造成的误差。

本文首先将获得的数字图像进行增强处理，使用霍夫变换定位底座表面所在的直线，计算出该直线方程。然后利用椭圆检测的方法定位液滴轮廓所在的椭圆曲线，并计算出该椭圆曲线方程。最后依据底座表面直线方程和轮廓曲线的椭圆方程，计算出底座直线与轮廓曲线的交点，在交点处计算该椭圆切线的斜率，得到润湿角。

1 实验部分

1.1 实验装置和实验方法

如图2所示，将平板加热盘①置于手套箱②内放置平稳，利用水平仪将其保持水平，连接好电源。将RAFM钢板③置于平板加热盘上中心位置，连接好温度测试仪的温度探头。将PbLi连同包装以及处于敞开状态的石英罩置于手套箱内。连接好真空泵抽气管道④、保护气体进气管道⑤。

图2 实验装置图

启动真空泵抽真空，在手套箱内气体压强减小到2 Pa左右时，充入高纯氩气（99.999%），并重复1次。借助手套箱的手套打开PbLi贮存装置，取出PbLi颗粒⑥置于RAFM钢上，然后关闭PbLi贮存装置，罩上石英罩⑦。

打开平板加热盘电源，对PbLi合金进行加热使其熔化，分别在255 ℃、280 ℃、306 ℃、332 ℃、357 ℃、380 ℃、395 ℃、411 ℃、425 ℃时，使用可变焦CCD相机近距离拍摄液滴图片，并以RAW图片格式保存。

1.2 润湿角的计算

图像在成像时，光学系统的失真、相对运动以及在传输过程中的噪声污染等原因，都会造成图像的某些降质，这给分析测算润湿角带来困难，因此需要对图像进行处理，将图像中感兴趣的特征即液滴边界进行突出，而衰减其它信息。采取的步骤如图3所示。

图3 图像处理及润湿角测算步骤

(a)原始图像(b)图像锐化(c)灰度图像(d)阈值转换

中值滤波是一种非线性平滑技术，一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中各点的灰度值的中值来代替指定点（一般是该窗口的中心点）的灰度值。以255 ℃时的PbLi液滴在RAFM钢表面的润湿角图片（大小为138×78像素）为例，中值滤波处理图像的关键步骤结果如图4所示。

提取轮廓的算法就是掏空内部点：如果原图中有一点为黑（或白），且它的8个相邻点都是同色时（即该点是内部点），则将该点删除。

轮廓提取的结果如图5所示。

图5 液滴轮廓曲线

霍夫变换是在一个参数空间中通过计算累计结果的局部最大值，得到一个符合某种几何形状的集合作为霍夫变换的结果。

图6 基于霍夫变换的直线检测结果

图7 基于弧支撑线段的椭圆检测结果

2 结果与讨论

采用前述的实验方法，分别在熔化的PbLi液滴被加热至255 ℃、280 ℃、306 ℃、332 ℃、357 ℃、380 ℃、395 ℃、411 ℃、425 ℃时采集液滴图片，并分别对这些图像进行处理、分析和测算，最后计算可得在上述各温度时，基于霍夫变换和椭圆检测计算后所得的润湿角结果数据如表1所示。

表1 基于椭圆检测计算所得润湿角

由表1中的实验结果可知在255 ℃～425 ℃下，液态PbLi合金与RAFM钢的润湿角均大于98°，润湿性能较差。

在图8中，小方框表示原始的实验数据，虚线表示对实验数据进行直线拟合所得的结果。使用Matlab软件中的corrcoef函数计算出润湿角与温度之间的相关系数为-0.446 3，负相关表示润湿角随着温度的升高而减小，与图8中拟合结果一致。这是因为，随着环境温度的升高，液相中的分子间作用力增大，表面张力减小，润湿性增大，从而导致润湿角减小[10-11]。

图8 润湿角与温度的关系图

3 结论

采用基于弧支撑线段的椭圆检测方法定位液态PbLi合金在RAFM钢表面的液滴轮廓，得到它在255～425 ℃下的润湿角均大于98°。该方法不需要人为选取轮廓点，减少了由此产生的误差，且具有重现性好、检测速度快、自动化程度高的特点。

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Rapid Measurement of Wetting Angle of Molten PbLi on RAFM Steel Surfaces Based on Ellipse Detection

PAN Bao-guo1, WANG Wei-hua1,2, CHU De-lin2, WANG Peng1

(1. Department of Basic Course, Army Academy of Artillery and Air Defense, Hefei 230031, China; 2. Institutes of Physical Science and Information Technology, Anhui University, Hefei 230039, China)

Under the protection of inert gas, the wetting angle of liquid PBLI on the surface of RAFM steel was measured by the high-temperature static seat drop method and calculated by the ellipse detection method based on the arc support line segment. It was obtained that the wetting angle of liquid PBLI on the surface of rafm steel exceeded 98° at different temperatures from 255 ℃ to 425 ℃. Compared with ellipse fitting, this ellipse detection method can reduce the cost and error because there is no need to manually select the boundary points and the speed is faster. Based on this, the fast calculation of experimental results can be realized by programming.

Hough transform; ellipse detection; liquid PbLi; RAFM steel; wetting angle

TP391.41

A

1009-9115(2022)03-0059-04

10.3969/j.issn.1009-9115.2022.03.016

国家自然科学基金项目（51576208）

2021-08-11

2021-12-13

潘保国（1977-），男，安徽怀宁人，硕士，副教授，研究方向为科学计算与可视化。

（责任编辑、校对：田敬军）