□王磊

閱美測量系統(tǒng)（中國）有限公司 上海 201807

1 清潔度定義

清潔度指零部件表面在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中附著的污染異物，污染異物具體可分為固體顆粒物和液態(tài)殘留物。

固體顆粒物具有不同的尺寸、數(shù)量、硬度，對摩擦、機(jī)械、液壓、流體等系統(tǒng)產(chǎn)生功能性損傷，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致產(chǎn)品直接報(bào)廢，并危及人員生命安全。

2 清潔度評價(jià)

本文所指的清潔度評價(jià)，特指對零部件表面殘留的固體顆粒物區(qū)分種類，并對固體顆粒物尺寸、數(shù)量進(jìn)行測量和計(jì)數(shù)分級。

近十年來，在行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了以歐洲為主導(dǎo)的VDA-19、DIN 51455、ISO 16232 等清潔度標(biāo)準(zhǔn)，所采用的分析方法已從最初的激光粒子計(jì)數(shù)器法，發(fā)展成以顯微鏡顆粒計(jì)數(shù)為主要檢測手段，將光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡聯(lián)合使用，進(jìn)行快速分析的光電聯(lián)用顆粒成分元素分析法。

3 顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡原理

進(jìn)行顯微鏡顆粒計(jì)數(shù)檢測時(shí)，采用一臺由照相機(jī)、顯微鏡、自動掃描臺、計(jì)算機(jī)、分析軟件組成的顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡，如圖1所示。

固體顆粒物被過濾到一張直徑通常為47 mm的濾膜上，自動掃描臺移動時(shí)，顯微鏡視場下的濾膜被拍攝，由分析軟件拼接成整張濾膜圖像，通過閾值對比將顆粒從背景中識別出來，并通過自動偏振機(jī)構(gòu)識別帶金屬反射的顆粒。

▲圖1 顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡結(jié)構(gòu)組成

4 測量差異分析

基于不同顯微鏡、攝像機(jī)和軟件，對顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡的測量差異進(jìn)行分析。

4.1 設(shè)備自身是否準(zhǔn)確

顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡的照相機(jī)與自動掃描臺平面必須平行，且照相機(jī)的X軸、Y軸也必須與自動掃描臺的X軸、Y軸運(yùn)行軌跡對應(yīng)保持平行，這樣才能保證圖形拼接時(shí)不會出現(xiàn)錯(cuò)位的現(xiàn)象。如果二者不平行且相差過大，那么會出現(xiàn)拼接錯(cuò)位，直接后果就是相比正常設(shè)備，所檢測到的顆?？倲?shù)大幅增加，且小顆粒增多，大顆粒缺失。

一般情況下，一臺顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡在經(jīng)過長時(shí)間、高頻率使用之后，可能會出現(xiàn)以上情況。具體原因有人員磕碰、搬運(yùn)意外等。

4.2 像素分辨力差異

應(yīng)用顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡時(shí)，都會因?yàn)檎障鄼C(jī)設(shè)計(jì)原理而在邊緣產(chǎn)生單邊1個(gè)像素的不確定性，所以，在測量顆粒長度時(shí)，會產(chǎn)生±2個(gè)像素的偏差。由此可見：像素尺寸越小，精度越高，分析時(shí)間越長；像素尺寸越大，精度越低，分析時(shí)間越短。

基于以上分析可知，應(yīng)用不同像素分辨力的顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡時(shí)，測量結(jié)果會產(chǎn)生差異。

4.3 顯微鏡景深限制

ISO 16232和VDA-19等清潔度標(biāo)準(zhǔn)中，將光學(xué)顯微鏡稱為標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡。標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、方式不同又可分為材料顯微鏡、連續(xù)變倍顯微鏡、體視顯微鏡等。

每種標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡都存在景深。材料顯微鏡景深最小，為1～10 μm，連續(xù)變倍顯微鏡和體視顯微鏡景深都能達(dá)到200 μm以上。

應(yīng)用材料顯微鏡，在測量粒徑相近、顆粒厚度相差10～20 μm的顆粒時(shí)，具有較高的準(zhǔn)確性和像素分辨力，用于分析油品最為合適。但是，當(dāng)顆粒大小相差懸殊，尤其是厚度差異較大時(shí)，測量準(zhǔn)確性會大幅下降。此時(shí)，雖然可以通過Z軸方向逐幀拍攝，并逐幀聚焦來改善，但是逐幀聚焦會耗費(fèi)時(shí)間，從而失去標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡快速分析的意義。

連續(xù)變倍顯微鏡通常具有15倍以上的大變倍比和大景深，可以勝任5 μm及以上粒徑的顆粒分析，是當(dāng)前分析顆粒粒徑差異較大的濾膜時(shí)最適合的顯微鏡，因?yàn)榱慵诮饘偌庸み^程中產(chǎn)生的顆粒既可以小至5 μm，也可以大到毫米甚至厘米級別。

體視顯微鏡和連續(xù)變倍顯微鏡原理相似，精度略差，可以分析粒徑25 μm以上的顆粒。

不同標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡的對比見表1。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡對比

由于不同顯微鏡的景深限制，一個(gè)粒徑為239.73 μm，且近似圓形的顆?？梢员粶?zhǔn)確對焦并識別，但是其余位置較小的顆粒，例如粒徑為38.36 μm的顆粒，則可能全部失焦或虛焦，并且絕大部分顏色較淺的顆粒會被歸入背景圖像，而不再被計(jì)為顆粒，這便是產(chǎn)生不同測量差異的主要原因。

4.4 閾值設(shè)定差異

用軟件分析圖像時(shí)，會通過設(shè)定灰度閾值來區(qū)分背景和被測物體。此時(shí)，灰度值的取舍會嚴(yán)重影響測量結(jié)果。尤其是濾膜上顆粒堆積嚴(yán)重時(shí)，有用戶會通過調(diào)整閾值設(shè)定來顯現(xiàn)某些深色顆粒，但這一方法在按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行顆粒分析時(shí)并不可取。正確的做法是，對濾膜進(jìn)行分級過濾，以減少顆粒數(shù)量和堆積，顆粒和濾膜的面積比控制在3%以內(nèi)。

5 測量差異控制措施

（1）為設(shè)備配備顆粒標(biāo)準(zhǔn)塊，定期采用標(biāo)準(zhǔn)塊校驗(yàn)設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備的準(zhǔn)確性。固定人員和崗位，以積累人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（2）在進(jìn)行試驗(yàn)對比時(shí)，統(tǒng)一被比對設(shè)備之間的像素分辨力。例如，A設(shè)備的像素分辨力為6 μm/px，將B設(shè)備的像素分辨力也調(diào)整至5.5～6.5 μm/px，不可以A設(shè)備的像素分辨力為6 μm/px，而B設(shè)備的像素分辨力為 1.5 μm/px。

（3）盡量采用連續(xù)變倍顯微鏡或體視顯微鏡分析零部件清潔度，采用材料顯微鏡分析油液清潔度。不建議將連續(xù)變倍顯微鏡或體視顯微鏡的測量結(jié)果與材料顯微鏡的測量結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)。

（4）統(tǒng)一閾值設(shè)定，以提高測量結(jié)果的橫向可比性。同時(shí)，顆粒和濾膜的面積比應(yīng)控制在3%以內(nèi)。

6 結(jié)束語

在汽車、航空、醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，都需要使用清潔度很高的零件。所謂清潔度評價(jià)，在諸如VDA-19和ISO 16232等標(biāo)準(zhǔn)框架下通過測量和分析濾膜上經(jīng)清洗后零部件留下的污染異物來實(shí)現(xiàn)。自動顆粒計(jì)數(shù)檢測方法始于2000年，現(xiàn)已成為清潔度評價(jià)的主流方法。截至2017年，在歐洲約有2 000臺顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡投入使用，有32家實(shí)驗(yàn)室提供清潔度評價(jià)，包括提供采用顯微鏡顆粒計(jì)數(shù)檢測的第三方服務(wù)。在我國，約有700家清潔度實(shí)驗(yàn)室配備了顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡，有9家第三方實(shí)驗(yàn)室提供清潔度評價(jià)服務(wù)。由此可見，對顆粒計(jì)數(shù)顯微鏡進(jìn)行測量差異分析具有重要意義。