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1、1应用数字图像相关技术分析焊点热载荷下的缺陷陆 鹏（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090）摘要：本文通过一套长距离工作的显微观测系统放大被测物体（焊点）成像，并利用数字图像相关技术将采集的图像在计算机中处理。施加的载荷为热载荷，将被测焊点直接放置在加热恒温系统中，利用温差变形不同的原理查找焊点缺陷。由于焊点本身较小，又经过仔细研磨，故采用低角度环形LED照明系统作为光源，来突出焊点形貌而虚化背景。本节中详细给出该测试的过程及实验结果，对于不同材料：非金属材料、复合材料等；不同应力状态：裂纹扩展、界面力学等都可以应用该方法。前言数字散斑相关法（Digital Speckle C
2、orrelation Method，DSCM）是80年代由日本的I.Yamaguchi 【1】 和美国南卡罗来纳大学的W.H.Peter等人独立提出的，是一种用于面内位移或变形测量的非接触计算机辅助光学测量方法。此方法数据采集方式简单，处理自动化程度高，精度高，灵敏度好，对实验环境要求低，只要白光照明（也可采用激光），不需要严格的激光干涉光路，宏观可以实现长距离检测，微观可以实现细微位移测量、形貌测量等。结果一般为位移方向及大小，应变等。局限性是一般只能得到面内的位移的分布情况，也需要适当的隔振系统，如防振台（尤其是微观测量）。如果散斑质量好，该方法是一种比较理想的面内位移测量方法。材料在加工
3、中由于夹渣、孔洞、缝隙等原因造成材料内的非均匀性，在机械或热载荷下内部的缺陷将通过变形表现在外表面，通常这种变形量是十分微小的，数量级可达0.01m，一般测量仪器无法测出。对于精密微电子器件（MEMS）、精密机械等，这种缺陷就是致命的。电子封装件在我们周围无所不在，而其中焊点的质量决定了其工作效率和稳定性。欧盟很早就根据环保要求，制定了用无铅焊取代早期普遍使用的有铅焊（早期Pb90Sn10）的法规，许多相关课题就围绕焊点变形的测试而开展。但由于焊点面积小，得到其变形场比较困难。国内外学者也做2过相应的研究，比如IBM公司曾经应用云纹法在焊点上复制云纹栅进行测量，得到较好的结果，但其实验成本极高
4、，过程复杂，实验还需要特殊的真空加热机构，该方法由于种种困难而难以推广。应用长距离显微观测系统将细观被测物在一定距离外放大，再将变形信息通过CCD捕捉到计算机中，在计算机中保存并分析；产生变形的热载荷是通过恒温加热系统产生的，通过温度传感器，控制加热温度（目标温度的大小）及升温速度（频率）；光测方法中影响结果的一个重要因素是光源，但由于数字散斑相关技术是非条纹测量方法，故对光源要求不高，可以用单色性较好的激光，也可用LED白光照明，但要求光强足够，被测物突出；利用数字图像相关技术，得到反映面内位移变化的全场灰度，从而可转换成位移，同时也能直观的反映出焊点缺陷处位置以及进一步变形的趋势；一、原理
5、简介相关法 【2】 是一种非条纹测量方法，它是将先进的光电子技术、图像处理技术与计算机技术相结合的一种很有前途的新方法。从物体变形前后散斑场的互相关函数入手，导出互相关函数和散斑位移，散斑位移和物体变形量之间的关系，进而在小变形的前提下，假设散斑位移在一个较小的领域内是均匀变化的，对物体变形前后数字灰度场的相关迭代运算，即根据相关性随试凑位移及其导数的变化，对相关性取极值的条件算出散斑位移场，进而得到物体的变形量。数字散斑相关的基本思想与图像识别很相似。它给定物体变形前后的两个散斑场，要求在物体变形后的散斑场中识别出对应于物体变形前的散斑场中的某一散斑子区（样本）的那个散斑子区。数字相关法处理
6、的是物体变形前后的两个数字化了的散斑场，再假定被测面的散斑位移场为u(x，y)和v(x, y)，那么变形前的散斑图上任一点I 1（x，y）的灰度与变形后的散斑图上位于I 2（x u(x，y)，yv(x, y)）的灰度相对应，即：I1（x，y）I 2（xu(x，y)，y v(x, y)）对变形后的数字散斑场所依附的基座标作仿射变换，得到新的基座标，其与真实位移和试凑位移函数构成方程，当试凑位移函数与真实的散斑位移3函数接近吻合时，经仿射变换后得到的数字散斑场将恢复到物体变形前的数字散斑场。这是数字相关法的本质。二、实验过程采用国内中自公司的OK-1011图像采集卡，支持最大分辨率为768576（
7、像素）。系统分成四大块，分别为成像系统、温度传感及控制系统、图像采集系统和计算机处理系统。原理图如下：图（1）采用环形照明的数字相关位移测量仪系统简图成像系统负责调节系统放大率、照明均匀、成像清晰等；温度传感及控制系统负责温度探测和显示、控制升温速率、控制温度恒定等；图像采集系统负责图像采集并A/D转换保存等；计算机系统负责图像处理、相关计算等。仪器的整体是立式结构，图（2）显示了系统涉及的元件示意图。CCD、长距离显微镜、环形点阵光源组成的成像系统图像采集系统计算机温度传感器及恒温控制器4图（2）采用环形照明的数字相关位移测量仪原理图数字CCD、目镜、变焦系统、物镜、环形光源均以螺纹配合拧成
8、一体，称为成像系统主体；变焦系统被夹持机构悬臂式夹持在可调节支架上；可调节支架上有旋钮，旋转时，成像系统主体可以上下移动，以改变成像物距和采集图像的面积；可调节底座也有旋钮，旋转时调节平台进行平行移动；可调节试件台也有相应的旋转机构使得台面上下微动；可调节放大倍率（该系统最大放大倍率为物镜4.5目镜1045倍）；环形光源由LED灯珠组成，发光角度为低角度照射，可进行亮度调节。该系统要满足实验所需要的条件：1.足够的通光量保证图像的亮度满足要求；2.足够的且连续可调的放大率并保证成像清晰；3.离开被测物足够的距离，使得物镜远离加热系统而避免受到污染和损坏。4.实验在防振台上进行。CCD物镜目镜变
9、焦系统环形光源可调节底座可调节试件台可调节支架夹持机构5三、实验结果采集室温（约20摄氏度）图像1幅，见图（3），然后缓慢加热到90摄氏度，保持稳定温度一段时间，再采集第二幅图像，见图（4）。图（4）中显示的网格为进行相关运算时采用的搜索模板。图（3）20 摄氏度散斑图 图（4）90 摄氏度散斑图及搜索模板对这两幅图进行相关运算，可以得到图（5）所示的以灰度大小而表示的水平方向变形，当然也可以得到垂直方向的变形（限于篇幅，未给出）。图（5）温差载荷下的水平方向变形灰度图从图（5）中清晰可见，变形的方向如图（5）中箭头所示。由于焊点下部为PCB基底，若焊点完好应显示变形均匀向没有约束的周围扩展，
10、而此时显示了焊点左下角变形很小，证明了焊点右下角有脱焊的极大可能性。将变形的灰度进一步以象素的量值表示，可以绘制如下的变形图，见图（6），可以知道全场的变形值。例如，焊点右下角的变形最大值为0.35个象素，通过计算大于焊点正常热载荷的变形量，从而证明了该焊点的确在右下角脱焊了。6图（6）温差载荷下的水平方向变形数据四、结论及问题探讨数字相关方法和长距离显微镜组成的细观面内位移测量系统具有明显的优点，如分辨率及灵敏度高、工作距离长、放大率高，稳定性较好等。考虑到方法的先进性，我们也应关注其误差的主要来源：被测物表面的光反射的稳定性、环境噪声干扰、光源的稳定性、成像系统的稳定性和可靠性等等。若同样
11、的方法测量宏观的物体的变形，则对环境的要求则大为降低。测量工作仍需要在以下几个方面进行进一步改进，以获得更加精确的结果。这可以作为下一步工作的重点：1加热炉的容积较小，故热惯性小，加热很难在较长时间内稳定在特定的温度上，可以采用大容积（直径约100mm）的熔锡加热炉作为热源；2加热时硅油温度上升中，油的流动性加大，易使夹具产生刚体位移，虽然采用永磁铁作夹具紧密吸附在加热炉的底部，但其扰动仍然是测量的主要误差。3试件靠手工磨制表面，若不平整（必然的），就使得试件（芯片）局部温度不均匀，试件测量位置处的变形受到影响；4光学成像系统的限制，其放大率及工作距离有一定范围，在临界处即使看清楚像，但进光量
12、、成像效果和质量都会受到影响，可改进光学成像系统；5采用一定真空系统可以隔绝空气的扰动；6用不同的光源对试验也有影响。激光作为光源，发光稳定、单色性好，但扩束光光源中心强度高，而周边光强很弱，不大可能太均匀；LED发光是冷光，功率小，寿命长，体积也小，而且由于是单个发光二极管组合发7光，理论上灯源可以按要求做成任意形状，增加发光二级管的数量，总功率也可以任意提高，光照度较为均匀，还可以设计不同角度照射。缺点是单个LED容易得到，但组合后形状复杂，无现成的光源，需要根据实验设计加工、测试，成本较高。7细观测量数字相关系统除了对光源有外要求，对环境要求也较高，本次实验是在防振台上完成的；对成像系统
13、，包括CCD及长距离工作显微镜的匹配等也有限制，有时要适当加装不同数量的接圈。8对于数字相关的算法 【3】 和搜索模板的大小也要进行选择。软件的功能还可以进一步改进。总之，被测物的特性决定了测量的方法，如大变形测量、爆炸冲击等，一旦超过图像的相关性则该方法就无法适用了。参考文献【1】Yamaguchi，A laser speckle strain gauge。J.Phys.Eng.，Vol.14，No.11k，1981，12701273【2】潘兵 续伯钦，数字图像相关方法中的亚像素位移测量的曲面拟合法，计量学报，2005，26（02）：128-134【3】雷志辉 于起峰，亚像素图像处理技术及其在网格法中的应用，国防科技大学学报，1996年12月，第18卷第4期，1720
