من قطرة ماء إلى زاوية تماس قابلة للمراجعة: مشاريع تخرج Arduino للمواد

قطرة ماء واحدة على سطح مطلي قد تبدو مسطحة في صورة ومحدبة في أخرى إذا تغير ارتفاع الكاميرا أو الإضاءة. يستطيع فريق مشاريع تخرج Arduino في هندسة المواد بناء منصة تثبت العينة والكاميرا والضوء وتحتفظ بالصورة الأصلية مع القياس. موضوع المشروع ليس تصنيف السطح بأنه «ممتاز»؛ بل فحص ما إذا كان الفريق يحصل على زاوية متقاربة عندما يعيد التصوير بالطريقة نفسها، وما العوامل التي تجعل القياس غير صالح.

ما الذي تقيسه زاوية التماس؟

زاوية التماس هي الزاوية عند التقاء السائل والهواء والسطح الصلب كما تظهر من مقطع القطرة. بروتوكول Nature يوضح أن طريقة القطرة المستقرة تبدو بسيطة، لكن الحصول على قراءة قابلة للتكرار يتطلب التحكم في حجم القطرة والسطح والتصوير. يحدد ASTM D7334 ممارسة لزاوية التقدم في ظروفها، ولا يحول أي صورة هاتف إلى فحص معياري. اجعل هدف النسخة الجامعية مقارنة صور عينات محددة وفق إجراء موثق، لا إصدار شهادة طلاء.

حدد منذ البداية هل ستقيس زاوية ثابتة تقريبية أم زاوية تقدم بزيادة حجم السائل تدريجياً. الأولى أسهل، لكن حالة السطح وتاريخ تنظيفه ووقت الانتظار تؤثر فيها. الثانية تحتاج محقنة دقيقة أو مضخة صغيرة للتحكم بالحجم، ولا ينبغي خلط القياسين في جدول واحد. اكتب نوع الماء المستخدم، وطريقة تنظيف العينة، وموضع القطرة، والمدة بين وضعها والتقاط الصورة.

منصة بسيطة تثبت الكاميرا والسطح

استخدم حاملاً صلباً للكاميرا، وحامل عينة أفقيّاً قابلاً للتسوية، وخلفية مطفأة، ومصدراً ضوئياً جانبياً واسعاً بدلاً من فلاش مباشر. يمكن لميكروكنترولر تشغيل LED منخفض الجهد في توقيت التصوير، وتحريك حامل المحقنة بخطوات صغيرة إذا أضيف محرك. ابدأ بإسقاط يدوي مضبوط قبل إدخال المحرك؛ بذلك تفصل خطأ وضع القطرة عن خطأ الحركة الآلية. لا توصل المحرك إلى خرج GPIO مباشرة، واستخدم مشغل مناسباً ومصدراً محدود التيار عند الحاجة.

لا يحتاج الإصدار الأول إلى حساس زاوية أو عدسة مجهرية. شاشة معايرة صغيرة أو مسطرة في مستوى السطح تساعد على كشف ميل الكاميرا، لكن استخدمها للتحقق من الهندسة لا لتحويل البكسلات إلى دقة مطلقة. صوّر صورة فارغة للسطح، وصورة مع قطرة مرجعية، ثم احفظ ملفات RAW أو الصور الأصلية دون قص فوقها. واجهة التطبيق تعرض الصورة مع خط الأساس ومنطقتي الحافة اليسرى واليمنى ليتمكن المراجع من تصحيح كشف الحافة.

من الصورة إلى سجل يمكن مراجعته

مسار البيانات يبدأ بمعرّف العينة، ثم رقم القطرة، ووقت الالتقاط، وإعدادات الكاميرا والإضاءة، واسم الملف الأصلي. يمكن استعمال OpenCV لعزل القطرة عن الخلفية، ثم ملاءمة خط تماس محلي بدلاً من قياس زاوية حدسية من البكسل. لا تجعل خوارزمية واحدة تقرر مكان الحافة بصمت؛ اعرض النقاط المستخدمة واسمح للمستخدم بتحريك نقطة البداية أو رفض الصورة. احفظ الزاويتين اليمنى واليسرى كلتيهما؛ الفرق الكبير بينهما قد يشير إلى سطح مائل أو قطرة غير متماثلة.

لنفترض في اختبار برمجي أن صورة مصطنعة تحتوي دائرة نصف قطرها 40 بكسلاً وخط تماس أفقيّاً. يجب أن تعيد الخوارزمية زاوية قريبة من القيمة الهندسية المحسوبة لتلك الدائرة ضمن سماحية يحددها الفريق، مع تسجيل أن هذا اختبار للصورة الاصطناعية لا للكاميرا. في المختبر، التقط عدة قطرات متتابعة على سطح مستوٍ، وأعد وضع العينة بين المجموعات. لا تخلط عدة مواضع من القطرة نفسها مع أنها تكرارات مستقلة.

خط الأساس وخطة التحقق

خط الأساس الأول هو تقدير شخصين للصور نفسها يدوياً باستخدام أداة زاوية بسيطة؛ قارن اختلاف تقديرهما باختلاف تقدير الخوارزمية. خط الأساس الثاني صورة حافة اصطناعية واضحة لاختبار البرنامج. بعد ذلك افحص ثلاثة متغيرات منفصلة: موضع الكاميرا، وحجم القطرة، وزمن الانتظار. إذا تغيرت القراءة عند تعديل الإضاءة وحدها، فالمشكلة في التصوير أو معالجة الصورة لا في كيمياء السطح.

اختبارات القبول تشمل رفض صورة لا يظهر فيها خط تماس كامل، والإبلاغ عن سقوط الصورة أو عدم وجود ملف معايرة، وعدم إرجاع زاوية عند وجود ظل يغطي الحافة. افحص أن إعادة قراءة جلسة محفوظة تعيد الرقم نفسه وأن الصورة الأصلية لا تتغير بعد التحرير. سجل الانحراف بين المراجعين ومتوسط القراءات وتشتتها، ولا تعرض منزلة عشرية إضافية لمجرد أن الشاشة تستطيع ذلك. عدد البكسلات ليس دليلاً على دقة الزاوية.

سجل الإجراء بحيث يمكن إعادته

أنشئ بطاقة جلسة تتضمن رقم السطح ومادة التنظيف ووقت التجفيف ورقم القطرة ومقدار السائل وموضع التصوير. التقط أكثر من موضع على العينة إذا كان السؤال يتناول تفاوت السطح، لكن لا تخلط مواضع عينة واحدة مع عينات مستقلة. أعد التصوير بعد إزالة العينة وإرجاع الحامل كي تختبر قابلية تكرار المنصة نفسها، واحتفظ بالصور التي رفضها البرنامج مع سبب الرفض. هذه السجلات تساعد على معرفة ما إذا كان تغير القراءة ناتجاً من طريقة التصوير أم من اختلاف السطح. لا تحتفظ بصورة معالجة فقط؛ قارِنها بالأصل كلما صححت الحافة يدوياً.

حدود القياس وتسليم مشروع التخرج

التلوث الدقيق وخشونة السطح وتبخر الماء والمواد الفعالة سطحياً عوامل قد تغير شكل القطرة. كما أن زاوية ظاهرة في صورة واحدة لا تكشف وحدها طاقة السطح أو التصاق طلاء في الخدمة. إذا كان السؤال عن زاوية التقدم أو التراجع، فاتباع خطوات المعيار ومقارنة الجهاز المرجعي ضروريان. لا تستخدم مذيبات أو سوائل خطرة في نموذج البداية، ولا تلمس أسطح المختبر دون اتباع قواعده.

يستطيع تقرير مشاريع تخرج Arduino أن يتضمن رسماً للمنصة، قائمة المكونات، بروتوكول تنظيف ووضع القطرة، الصور الخام، ملفات القياس، واختبارات الصور الاصطناعية، ثم فقرة تشرح حدود تعميم النتيجة. ترتبط الخطوات بخدمة Arduino والأجهزة المتصلة وبخدمة مشاريع التخرج إذا احتاج الفريق إلى تحديد النطاق والتوثيق. راجع ممارسة ASTM D7334 وبروتوكول Nature لقياس البلل قبل وضع وصف النتائج؛ هذه مراجع للمنهج وليست نتائج لهذا النموذج المقترح.