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        基于機(jī)器視覺的電線電纜檢測(cè)技術(shù)研究

        2022-05-31 14:38:52劉暢
        關(guān)鍵詞:電線電纜伸長(zhǎng)率絕緣

        摘要:本文列舉了0.6/1kV擠包絕緣電力電纜的檢驗(yàn)項(xiàng)目和檢驗(yàn)方法,討論了需要人眼參與識(shí)別的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的檢驗(yàn)項(xiàng)目。針對(duì)絕緣和護(hù)套材料的斷裂伸長(zhǎng)率、熱延伸和低溫拉伸檢驗(yàn)項(xiàng)目與機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行了探究,提出將機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到電線電纜檢驗(yàn)中。對(duì)于運(yùn)動(dòng)過程中和非接觸狀態(tài)下的試樣狀態(tài)變化的捕捉,機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)。

        關(guān)鍵字:機(jī)器視覺? 電線電纜? 檢驗(yàn)項(xiàng)目? 檢測(cè)方法

        電線電纜作為電力傳輸?shù)闹饕d體,承擔(dān)著整個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民日常生活的安全重任,劣質(zhì)電纜給人們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的安全隱患,因此對(duì)電線電纜產(chǎn)品的檢驗(yàn)尤為重要[1]。電線電纜的檢驗(yàn)除了標(biāo)志項(xiàng)目以外都是基于儀器設(shè)備完成的,但其中一些檢驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)果還需要通過人眼進(jìn)行過程中位置抓取或者識(shí)別,為了提高識(shí)別的準(zhǔn)確率及效率,本文對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)在電線電纜檢驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了探究。

        1 電線電纜檢驗(yàn)項(xiàng)目及檢驗(yàn)方法

        以0.6/1kV電力電纜為例,檢驗(yàn)項(xiàng)目按類別可分為結(jié)構(gòu)尺寸、電氣性能、絕緣機(jī)械物理性能、護(hù)套機(jī)械物理性能、熱塑性能、電纜燃燒性能及非電氣的其他各類試驗(yàn)。對(duì)于各個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目和具體的檢驗(yàn)方法在《額定電壓1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件》(GB/T 12706.1-2020)第1部分:額定電壓1kV(Um=1.2kV)和3kV(Um=3.6kV)電纜中有詳細(xì)的規(guī)定,不同的試驗(yàn)項(xiàng)目適用于不同的材料,本文僅按照適用的情況進(jìn)行介紹,并列舉出其中部分可與機(jī)器視覺檢測(cè)相結(jié)合的檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行探討[2]。

        1.1 結(jié)構(gòu)尺寸

        包含的項(xiàng)目包括絕緣厚度、金屬屏蔽層、金屬鎧裝厚度和寬度、護(hù)套厚度等。這些尺寸的測(cè)量都是在靜態(tài)下利用投影儀、游標(biāo)卡尺或者千分尺進(jìn)行的,計(jì)算后得到最終結(jié)果。

        1.2 電氣性能

        包含的項(xiàng)目包括導(dǎo)體電阻、絕緣電阻、電壓試驗(yàn)。對(duì)于電氣性能項(xiàng)目中的導(dǎo)體電阻、絕緣電阻、的檢驗(yàn)結(jié)果均為專用儀器直接讀數(shù),電壓試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果為擊穿報(bào)警提示。

        1.3 絕緣機(jī)械物理性能和護(hù)套機(jī)械物理性能

        包括老化前后的絕緣和護(hù)套的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率[3]??箯垙?qiáng)度可以通過拉力機(jī)測(cè)量的力和試樣的截面積計(jì)算得到,目前對(duì)于斷裂伸長(zhǎng)率項(xiàng)目的檢測(cè)有兩種手段。第一種方法是在絕緣上畫上間距的標(biāo)記線,在拉力機(jī)上進(jìn)行拉力試驗(yàn)時(shí)需要人工使用直尺測(cè)量絕緣斷裂瞬間兩個(gè)標(biāo)記線間距離,通過計(jì)算得出該段試樣的斷裂伸長(zhǎng)率。第二種方法是通過和拉力機(jī)配套使用的大變形測(cè)量裝置進(jìn)行檢測(cè),通過將兩個(gè)間距固定的夾具夾到絕緣上,在斷裂的瞬間自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)得出斷裂伸長(zhǎng)率[4]。

        1.4 熱塑性能

        包括高溫壓力試驗(yàn)和低溫性能,根據(jù)絕緣材料和護(hù)套材料的不同,對(duì)絕緣中PVC/A進(jìn)行高溫壓力試驗(yàn),對(duì)護(hù)套中PVC、PE中的ST7及ST8進(jìn)行高溫壓力試驗(yàn),對(duì)絕緣中PVC/A及護(hù)套中PVC和ST8進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)。高溫壓力試驗(yàn)項(xiàng)目在試樣制備、加熱、冷卻和截取試片等環(huán)節(jié)的處理后利用讀數(shù)顯微鏡或測(cè)量投影儀測(cè)量凹痕尺寸。低溫性能包括絕緣和護(hù)套的低溫卷繞試驗(yàn)、低溫拉伸試驗(yàn)和低溫沖擊試驗(yàn)。其中,低溫卷繞和低溫沖擊試驗(yàn)都是利用機(jī)械裝置在低溫環(huán)境下進(jìn)行的,結(jié)果通過人眼觀察是否有裂紋。低溫拉伸試驗(yàn)適用于不進(jìn)行低溫卷繞試樣的絕緣和護(hù)套,該試驗(yàn)項(xiàng)目利用帶測(cè)量夾頭位移的自動(dòng)設(shè)備在低溫環(huán)境下進(jìn)行,可以通過標(biāo)記線間距離的增值與原始距離之比計(jì)算伸長(zhǎng)率,也可以測(cè)量夾頭間距離的方法計(jì)算出伸長(zhǎng)率。

        1.5 電纜燃燒性能

        包括單根阻燃試驗(yàn)、成束阻燃試驗(yàn)、煙密度試驗(yàn)、酸氣含量試驗(yàn)、pH值和電導(dǎo)率、氟含量試驗(yàn)。其中,單根阻燃試驗(yàn)和成束阻燃試驗(yàn)需要在供火結(jié)束后擦凈試樣,確認(rèn)炭化部分起始點(diǎn)后測(cè)量火焰蔓延的距離。其他試驗(yàn)項(xiàng)目均用專用儀器進(jìn)行測(cè)量。

        1.6 非電氣的其他各類試驗(yàn)

        包括了失重試驗(yàn)、熱沖擊試驗(yàn)、耐臭氧試驗(yàn)、熱延伸試驗(yàn)、吸水試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)、碳黑含量、硬度試驗(yàn)和彈性模量試驗(yàn)。這些試驗(yàn)項(xiàng)目中熱延伸試驗(yàn)和收縮試驗(yàn)需要通過測(cè)量加熱前后的標(biāo)記間距差值計(jì)算出變化百分比,耐臭氧試驗(yàn)需要在臭氧暴露后觀察試樣表面有無裂紋,熱沖擊試驗(yàn)需要將試樣繞在試棒上經(jīng)加熱后觀察是否有裂紋。

        上述需要人眼參與的檢驗(yàn)項(xiàng)目中,結(jié)構(gòu)尺寸、高溫壓力試驗(yàn)、低溫卷繞試驗(yàn)、低溫沖擊試驗(yàn)、熱沖擊試驗(yàn)是靜態(tài)的尺寸測(cè)量,而單根阻燃試驗(yàn)需要人工確認(rèn)碳化情況后測(cè)量長(zhǎng)度;低溫卷繞試驗(yàn)、低溫沖擊試驗(yàn)、耐臭氧試驗(yàn)是靜態(tài)的樣品表面狀態(tài)確認(rèn);老化前后的斷裂伸長(zhǎng)率、熱延伸試驗(yàn)、低溫拉伸試驗(yàn)是動(dòng)態(tài)過程中的長(zhǎng)度測(cè)量。機(jī)器視覺對(duì)于動(dòng)態(tài)中目標(biāo)的抓取準(zhǔn)確性和效率更高,更具有研究意義。

        2 機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用

        機(jī)器視覺檢測(cè)就是利用機(jī)器代替人去完成識(shí)別、測(cè)量、指引、定位和判斷等功能。其應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展逐漸完善和推廣。機(jī)器視覺可以完成人工很難實(shí)現(xiàn)的任務(wù),特別是需要高速、高精度要求的系統(tǒng)。

        機(jī)器視覺是適合現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的一種檢測(cè)方式,機(jī)器視覺檢測(cè)與傳統(tǒng)人工檢測(cè)有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)客觀性:機(jī)器視覺檢測(cè)可以得到更加準(zhǔn)確可靠檢測(cè)結(jié)果,不會(huì)受到操作者的狀態(tài)、責(zé)任心、經(jīng)驗(yàn)等因素的影響。(2)高速度:機(jī)器視覺檢測(cè)能更快地檢測(cè)產(chǎn)品,特別是當(dāng)檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí),能夠準(zhǔn)備定位瞬間狀態(tài)。(3)非接觸:機(jī)器視覺可以在非接觸的狀態(tài)下完成測(cè)量工作,在受力易導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果變化的情況下,具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

        2.1 機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成和基本工作原理

        典型的嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)包括光源、圖像傳感器、視頻解碼器、圖像處理單元、顯示器、存儲(chǔ)器、輸出單元/通信。

        首先,通過CMOS或CCD攝像機(jī)將采集目標(biāo)的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成為圖像信號(hào),經(jīng)由微處理器中嵌入算法進(jìn)行圖像處理,通過對(duì)采集到的多幅圖像的識(shí)別與分析,最后計(jì)算得到結(jié)果輸出。

        光源作為影響機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)圖像質(zhì)量的重要因素,將直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)而影響數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。使用紅外光源和可見光源采集圖像的方式和本質(zhì)有所不同,采用紅外光源可以在全天的任意時(shí)段采集圖像,而采用可見光源則不能。另外,使用可見光源采集到的目標(biāo)圖像可能受到陰影的影響,而使用紅外光源采集到的目標(biāo)圖像則受陰影的影響較小。紅外成像技術(shù)是利用景物對(duì)紅外光的輻射差成像,將紅外輻射轉(zhuǎn)換為可見光圖像,利用場(chǎng)景內(nèi)物體本身各部分輻射的差異獲取物體圖像的細(xì)節(jié),所以紅外圖像的獲取可不依賴于外部光線[5]。

        圖像傳感器是一種把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置,按照類型來分圖像傳感器主要可以分為CCD和CMOS[6]。在選擇時(shí)應(yīng)對(duì)照他們的靈敏度、響應(yīng)均勻性、速度、窗口、可靠性、暗電流等特點(diǎn)比較進(jìn)行選擇。

        嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的主流CPU有DSP和單片機(jī)兩大類。DSP的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在較復(fù)雜的算法處理中 [7],因此選擇DSP作為處理器更適用于圖像處理。

        2.2 系統(tǒng)的軟件流程

        系統(tǒng)軟件的核心是圖像處理與識(shí)別模塊,模塊應(yīng)具有高精度、高速度和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。軟件算法的選取直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度及識(shí)別效率問題。

        對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的物體,每一幀采集到的圖像位置信息都是未知的,因此不能僅根據(jù)直方圖選擇閾值來確定物體的位置。差影法和幀差法常用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的捕捉。

        幀差法即圖像序列差分法。利用連續(xù)兩幀圖像的亮度差來分析圖像序列的運(yùn)動(dòng)特性,確定圖像序列中有無運(yùn)動(dòng)物體并得到物體的大致位置和形狀等信息。但當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上的像素灰度、紋理等信息較接近時(shí),該方法通常只能得到部分運(yùn)動(dòng)信息。

        差影法也就是背景減法,適用于攝像機(jī)靜止的情況。通過將背景幀與當(dāng)前幀的灰度差與設(shè)定閾值比較來判定是否有運(yùn)動(dòng)發(fā)生。并將前景從背景中分離出來得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和形狀等較完整的信息。但是這種方法適用于背景和前景灰度有明顯對(duì)比度的情況,否則會(huì)出現(xiàn)漏檢。

        差影法的定義如下:設(shè)連續(xù)兩幀圖像分別為f(x,y,ti)和f(x,y,tj),通過對(duì)比兩幀圖像前后的變化情況來尋找目標(biāo)圖像[8]。

        (1)

        式(1)中,當(dāng) 時(shí),認(rèn)為目標(biāo)圖像出現(xiàn)。因此預(yù)先拍攝一幅背景圖像,其數(shù)據(jù)保存在DSP內(nèi)部RAM中,然后按攝像機(jī)的幀率連續(xù)采集圖像,判斷各點(diǎn)灰度值相減的結(jié)果。如果全都是接近0,那么說明這幅圖像與上一幅圖像沒有明顯變化,保存該圖像數(shù)據(jù)。如果有一個(gè)較大的區(qū)域與0相差很遠(yuǎn)的話說明這幅圖像較上幅圖像發(fā)生了較大變化,保留該圖像數(shù)據(jù)。選取所有圖像中最后一幅變化較小的圖像作為斷裂時(shí)的圖像,此時(shí)為斷裂瞬間圖像。由于檢驗(yàn)環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室,可以選取簡(jiǎn)單的背景簡(jiǎn)單,可選用差影法。為提高檢測(cè)精度,在試樣檢測(cè)處可加入色差大的擋板,加強(qiáng)試樣與背景對(duì)比度,效果更佳。確認(rèn)好試驗(yàn)開始和斷裂瞬間的圖像后,將圖像進(jìn)行中值濾波、直方圖均衡化、斷裂位置提取,與初始間距比對(duì)計(jì)算得出伸長(zhǎng)率。

        2.3 系統(tǒng)工作流程

        系統(tǒng)工作流程包括硬件系統(tǒng)的初始化,系統(tǒng)軟件流程圖1所示。

        3 結(jié)語

        目前,機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)滲入到人們的日常生活的各個(gè)領(lǐng)域以及工業(yè)生產(chǎn)中,本文對(duì)嵌入式系統(tǒng)在電線電纜檢驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了描述,該系統(tǒng)適用于老化前后的斷裂伸長(zhǎng)率、熱延伸試驗(yàn)、低溫拉伸試驗(yàn)。PC機(jī)系統(tǒng)的處理速度及觸發(fā)方式等更容易實(shí)現(xiàn),但對(duì)于僅有機(jī)械結(jié)構(gòu)而不需要聯(lián)機(jī)使用的檢驗(yàn)設(shè)備,使用嵌入式的機(jī)器視覺系統(tǒng)成本更低,移動(dòng)更便捷。

        參考文獻(xiàn)

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        作者簡(jiǎn)介:劉暢(1983—),男,碩士,工程師,研究方向?yàn)闄z驗(yàn)檢測(cè)。

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