Обнаружение клеев с помощью гиперспектральных камер Specim

Клеи и адгезивы широко используются во многих отраслях промышленности, от упаковки и строительства до электроники и аэрокосмической промышленности, и это лишь некоторые из сфер.

Клей стоит дорого, и использование нужного количества имеет решающее значение, так как это может снизить затраты, увеличить производство и сократить количество отходов.

Нанесение слишком малого или слишком большого количества клея часто является причиной ухудшения качества. Нанесение слишком большого количества клея также может окрасить конечный продукт.

Следует внимательно следить за использованием нужного количества клея в нужном месте. Однако обнаружение клея может оказаться сложной задачей, поскольку большинство клеев прозрачны, и стандартные системы технического зрения, основанные на RGB камерах, не могут их увидеть. Гиперспектральные камеры предлагают более подходящее решение.

В этих указаниях по применению демонстрируется эффективность гиперспектральных камер Specim для обнаружения различных типов клеев, нанесенных на картон и резину (синтетику).

Ключевые слова:

NIR – ближний инфракрасный диапазон (900 - 1700 нм)

SWIR – короткий инфракрасный диапазон (1000 - 2500 нм)

MWIR – средний инфракрасный диапазон (2700 - 5300 нм)

PCA – анализ основных компонентов

PLS DA – частичный дискриминантный анализ по наименимым квадратам

Рисунок 1 – Фотографии трех типов клея (слева) и вспомогательных материалов (справа)

Специалисты измеряли образцы с помощью трех гиперспектральных камер Specim, которые охватывают разные длины волн:

Specim FX17, камера ближнего инфракрасного диапазона (NIR) со спектральным диапазоном от 900 до 1700 нм.

Specim SWIR, коротковолновая инфракрасная (SWIR) камера со спектральным диапазоном от 1000 до 2500 нм.

Specim FX50, промежуточная инфракрасная камера (MWIR) со спектральным диапазоном от 2700 до 5300 нм.

Анализ клеев камерой Specim FX17 в области NIR

Образцы сначала измеряли камерой Specim FX17 на сканере Specim 40 x 20 LabScanner (Рис. 2). Спектральное разрешение составляет 8 нм во всем спектральном диапазоне 900 - 1700 нм. Размер пикселя на изображении был около 0.3 мм.

Рисунок 2 – Гиперспектральная камера Specim FX17 и LabScanner 40 x 20

Был проведен PCA и применена модель PLS DA к данным влажного и сухого клея. Примечательно, что и на картон (вверху), и на резину (внизу) клеи наносились слева направо. Клей 1 слева, клей 2 посередине и клей 3 справа. Кроме того, для каждого клея на каждой опоре «загрязненное» место вверху относится к сухому клею, тогда как внизу клей был влажным.

На Рис. 3 показаны результаты анализа. Похоже, что: 1) камера Specim FX17 лучше обнаруживает клей на картоне, и 2) она обнаруживает клей 3 (эпоксидный клей), но менее чувствительна к другим типам клея. Особенно клей 1, которого на резине вообще не обнаружено.

Объяснением этого может быть количество нанесенного клея. Эпоксидная смола намного толще, и ее использовалось больше. Поэтому ее обнаружение более удачно.

Результаты также показывают, что различие между сухим и влажным клеем не очень точное для FX17.

Рисунок 3 – Визуализация PCA с компонентами 5 (красный), 3 (зеленый) и 4 (синий) и предсказания PLS-DA, доступ к которым осуществляется с помощью Specim FX17

Анализ клеев камерой SPECIM SWIR в области SWIR

Затем образцы были измерены камерой Specim SWIR на Specim SisuCHEMA (Рис. 4). Спектральное разрешение 12 нм во всем диапазоне 1000 - 2500 нм. Размер пикселя на изображении был около 2.3 мм.

Рисунок 4 – Гиперспектральная камера Specim SWIR и SisuCHEMA

Камеру Specim SWIR можно рассматривать как расширение Specim FX17. Таким образом, наблюдения, сделанные в NIR-спектрах, верны в дополнение к выводам, сделанным в SWIR-спектрах.

Был проведен PCA и применена модель PLS DA к данным влажного и сухого клея. На Рис. 5 показаны результаты анализа. Напомним, что: FX17 1) лучше обнаруживал клей на картоне, и 2) был наиболее чувствителен к клею 3 (эпоксидный), среднечувствителен к клею 2 и менее чувствителен к клею 1.

Добавление спектрального диапазона 1700 - 2500 нм, обеспечиваемого SWIR-камерой за пределами NIR-спектра FX17, позволяет: 1) довольно хорошо обнаруживать все три типа клея на картоне, а также лучше работать на резине (тонкий и сухой слой клея 1 на резине может начать обнаруживаться); 2) также более точное разделение между сухим и влажным клеем, но могло бы быть и лучше.

Рисунок 5 – Визуализация PCA с компонентами 5 (красный), 3 (зеленый) и 4 (синий) и предсказания PLS-DA, полученные с помощью камеры Specim SWIR

Анализ клеев камерой SPECIM FX50 в области MWIR

Наконец, образцы были измерены с помощью камеры Specim FX50 на сканере Specim 100×50 LabScanner (Рис. 6). Спектральное разрешение составляет 35 нм во всем спектральном диапазоне 2700 - 5300 нм. Размер пикселя на изображении был около 0.3 мм.

Рисунок 6 – Гиперспектральная камера Specim FX50 и LabScanner 100×50

Камера Specim FX50 очень чувствительна к клею. Анализ показывает, что клеи сильно поглощают свет в диапазоне от 3000 до 3500 нм, независимо от материала подложки.

Опять же, к данным была применена модель PLS DA. На Рис. 7 показаны результаты анализа. Обнаружение клея намного точнее с FX50. Получилось обнаружить даже очень тонкие слои клея, даже сухой клей 1 на резине. Тем не менее, разделение типа клея является сложной задачей.

Рисунок 7 – Визуализация PCA с компонентами 5 (красный), 3 (зеленый) и 4 (синий) и предсказания PLS-DA, полученные с помощью камеры Specim FX50

Заключение

В этом исследовании использовались три гиперспектральные камеры Specim с разными спектральными диапазонами для обнаружения трех типов клея, влажного и сухого, на картоне и резине. На основании измерений и анализа можно сделать следующие выводы:

Обнаружение клеев (Рис. 8):

На картоне

• Все три камеры имеют схожие характеристики.

На синтетической резине

• Камеры Specim FX17 достаточно для обнаружения двух типов клея из трех.
• Камера Specim SWIR немного лучше, так как она может обнаруживать наличие тонкого слоя сухого клея 1, который не может обнаружить FX17.
• Specim FX50 является лучшим в этом отношении и может надежно обнаруживать все три типа клея, измеренные в этом исследовании.

Рисунок 8 – Обнаружение клея тремя гиперспектральными камерами Specim. Представлены ложные обнаружения RGB и PLS DA

Разделение между тремя типами клея (Рис. 9):

На картоне

• Все три камеры могут отделять клей друг от друга.

На синтетической резине

• Лучше всего работают камеры FX17 и SWIR.

Для FX50 разделение клея 2 и 3 не идеально. Из спектров видно, что оба клея 2 и 3 очень сильно поглощают свет без надлежащих специальных спектральных характеристик. Это делает их сортировку от прямолинейной, но затрудняет их поперечное разделение.

Отделение сухого клея от влажного (Рис. 9):

На картоне

• Камера SWIR самая точная, но лишь немногим лучше, чем у FX50.

На синтетической резине

• Ни одна из камер не является абсолютно надежной.

Рисунок 9 – Прогноз модели PLS DA для камер Specim FX17, SWIR и FX50. Рисунки такие же, как на рисунках 3, 5 и 7