王淑秀 司志澤 高靜 戚威

摘 要：本文對(duì)現(xiàn)有的非金屬材料斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，針對(duì)其存在的測(cè)量精度低，大多采用人工測(cè)量等缺點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)的研究現(xiàn)狀，提出了基于改進(jìn)梯度幀間差分法的非金屬材料斷裂伸長(zhǎng)率檢驗(yàn)檢測(cè)方法，本方法通過(guò)比較前后兩幀的梯度幀差與動(dòng)態(tài)閾值閾值來(lái)確定樣品是否發(fā)生了斷裂，然后進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及測(cè)試結(jié)果表明，該方法能夠提高非金屬材料斷裂伸長(zhǎng)率檢測(cè)的精確度，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。

關(guān)鍵詞：幀間差分法，斷裂伸長(zhǎng)率，動(dòng)態(tài)閾值，拉力試驗(yàn)，機(jī)械性能，圖像識(shí)別

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.21.039

Detection Technology of Fracture Elongation of Non-metallic Materials Based on Improved Gradient Difference Method

WANG Shu-xiu SI Zhi-ze* GAO Jing QI Wei

（Shandong Institute for Product Quality Inspection）

Abstract： This paper analyzes the current status of testing on the fracture elongation of non-metallic materials. Focusing on its shortcomings such as low measurement accuracy and mostly manual measurement， according to current relevant research， the paper puts forward a non-metallic material fracture elongation inspection and detection method based on the improved gradient inter frame difference method. This method determines whether the sample has fracture by comparing the gradient frame difference between the front and back frames and the dynamic threshold， then performs the calculation. The system design， implementation， and testing results show that this method can improve the accuracy of non-metallic material fracture elongation detection and achieve automatic measurement.

Keywords： inter frame difference method， elongation at break， dynamic threshold， tensile test， mechanical performance， image recognition

0 引 言

斷裂伸長(zhǎng)率包括老化前斷裂伸長(zhǎng)率、老化后的斷裂伸長(zhǎng)率及老化前后斷裂伸長(zhǎng)率變化率，是檢驗(yàn)非金屬材料機(jī)械性能的一項(xiàng)重要項(xiàng)目，主要考核材料在一定環(huán)境條件下受力或能量作用時(shí)所表現(xiàn)出的特性。如果斷裂伸長(zhǎng)率項(xiàng)目不達(dá)標(biāo)，材料在使用過(guò)程中，受到力的作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)損傷或破裂的情況，這就容易造成危險(xiǎn)的發(fā)生。例如電纜的絕緣及護(hù)套，如果斷裂伸長(zhǎng)率項(xiàng)目不合格，容易出現(xiàn)帶電導(dǎo)體裸露或線芯間短路，導(dǎo)致觸電危險(xiǎn)。本文所指的非金屬材料是具有非金屬性質(zhì)（導(dǎo)電性導(dǎo)熱性差）的有機(jī)材料，如塑料、橡膠等。

目前，非金屬材料的斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定大致有兩種方法[1]：一是采用大變形引伸計(jì)，二是人工測(cè)量，如伸率尺，游標(biāo)卡尺等。采用大變形引伸計(jì)，通常對(duì)拉力試驗(yàn)機(jī)要求較高，一般為門式拉力機(jī)，占地面積較大，操作復(fù)雜，對(duì)XLPE（交聯(lián)聚乙烯）、橡膠等形變量較大的材料，測(cè)量誤差大；人工測(cè)量方式對(duì)人力要求較高，需要時(shí)刻關(guān)注拉伸情況，測(cè)量誤差因人而異，人為誤差占總誤差權(quán)重大。隨著圖像識(shí)別與圖像處理的迅速發(fā)展，采用圖像采集及處理成為最符合現(xiàn)階段非金屬材料斷裂伸長(zhǎng)率檢驗(yàn)檢測(cè)需求的方式。

在2000年初就有人開(kāi)始研究將視覺(jué)、圖像處理等方法應(yīng)用到非金屬材料拉伸領(lǐng)域，如方欽志等[2]在2006年利用圖像相關(guān)分析法對(duì)聚碳酸酯（PC）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）的合金（PC/ ABS）高分子材料不同環(huán)境溫度下的拉伸性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。孫偉等[3]利用數(shù)字圖像相關(guān)方法（DICM），測(cè)定了雙軸拉伸試驗(yàn)條件下Précontraint 1202 Fluotop T2膜材的力學(xué)性能，并分析了該膜材的徐變特性，為膜材力學(xué)性能的檢測(cè)研究提供了新的途徑。熊磊[4]提出了基于數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)材料拉伸變形進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。高振斌等[5]、李盼生[6]利用相關(guān)方法在電纜護(hù)套拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了研究，陳俊松等[7]、張格悠等[8]提出了改進(jìn)光流法的電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)量。

根據(jù)已提出的研究方法與實(shí)際非金屬材料檢驗(yàn)檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比可知存在以下問(wèn)題：一是研究單一性，如非金屬材料顏色多樣、形狀多樣，在圖像識(shí)別時(shí)未提及不同種類的識(shí)別問(wèn)題；二是與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求不一致等問(wèn)題[9-11]，如電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率的檢測(cè)[11]，標(biāo)準(zhǔn)要求盡可能采用75 mm啞鈴試樣，如果不能可采用50 mm試樣或管狀試樣，標(biāo)距為20 mm，標(biāo)記一般為線狀。因此，本文在圖像處理與非金屬材料檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出了一種基于改進(jìn)梯度幀間差分法的非金屬材料斷裂伸長(zhǎng)率檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)。

1 改進(jìn)梯度幀間差分法

幀間差分法（Temporal Difference）[12]是利用圖像采集的連續(xù)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，幀和幀之間會(huì)有明顯地變化，對(duì)時(shí)間上連續(xù)的兩幀或三幀圖像進(jìn)行差分運(yùn)算，不同幀對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)相減，判斷灰度差的絕對(duì)值，當(dāng)絕對(duì)值超過(guò)一定閾值時(shí)，即可判斷為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)功能。由于受檢的非金屬材料其顏色多種多樣，其形狀也多有不同。這就會(huì)導(dǎo)致每次檢測(cè)時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)與背景對(duì)比度不同，對(duì)測(cè)量造成一定困難。因此在進(jìn)行幀間差分計(jì)算前，先進(jìn)行HSV空間分量檢測(cè)對(duì)比，確定受檢樣品顏色，HSV色卡表如表1所示。

并根據(jù)不同顏色標(biāo)記點(diǎn)與背景的對(duì)比度，同時(shí)由于樣品被拉伸時(shí)灰導(dǎo)致標(biāo)記點(diǎn)的顏色變淺，對(duì)應(yīng)圖像的的灰度值的會(huì)發(fā)生變化，這就需要通過(guò)動(dòng)態(tài)閾值來(lái)確定標(biāo)記點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，拉伸長(zhǎng)度與閾值滿足一定的線性關(guān)系，如圖1所示。

改進(jìn)的梯度幀間差分法就是通過(guò)前后兩幀的梯度幀差與動(dòng)態(tài)閾值閾值相比較來(lái)確定樣品是否發(fā)生了斷裂，并進(jìn)行計(jì)算。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

非金屬材料斷裂伸長(zhǎng)率的檢測(cè)如圖2所示，首先將樣品用平行直線進(jìn)行標(biāo)記，將樣品用夾具固定，通過(guò)相機(jī)兩側(cè)的LED燈確保光源的穩(wěn)定，CMOS相機(jī)對(duì)拉伸過(guò)程進(jìn)行圖像采集，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)人機(jī)交互界面可以實(shí)時(shí)看見(jiàn)電纜的拉伸狀況，并通過(guò)動(dòng)態(tài)閾值法和梯度幀差法對(duì)此時(shí)是否斷裂進(jìn)行判斷，當(dāng)發(fā)生斷裂后相機(jī)停止采集圖像并輸出斷裂前的拉伸長(zhǎng)度。然后對(duì)其進(jìn)行后續(xù)處理就會(huì)得到具體的斷裂伸長(zhǎng)率。

硬件選用?？低昅V-CA050-11UC-160--227U3C USB 3.0圖像處理器，8 MM定焦鏡頭。

在軟件設(shè)計(jì)方面，程序開(kāi)發(fā)方面運(yùn)用pycharm搭載python-opencv3.6.12，界面開(kāi)發(fā)選用QT5，python為編程語(yǔ)言，利用OpenCV視覺(jué)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。其算法流程如圖3所示

測(cè)試界面見(jiàn)圖4。

樣品測(cè)試時(shí)，先開(kāi)啟相機(jī)，然后夾好樣品后，開(kāi)始測(cè)量，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)連接的相機(jī)，“顯示圖像”框中對(duì)采集的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，自動(dòng)識(shí)別工件的顏色，并在界面中顯示所識(shí)別的顏色，隨著工件的不斷被拉伸，“測(cè)量結(jié)果圖片”記錄斷裂的那一幀圖像，最大斷裂伸長(zhǎng)結(jié)果為斷裂的前一幀圖像。通過(guò)計(jì)算界面在“實(shí)際距離”中顯示測(cè)量的拉伸長(zhǎng)度。

3 樣品測(cè)試

非金屬材料范圍較廣，比較常見(jiàn)的如塑料、橡膠等，結(jié)合筆者工作便利，樣品測(cè)試選用成品電線電纜的絕緣及護(hù)套，型號(hào)為：60227 IEC 53（RVV） 300/500 V 3×2.5，絕緣線芯顏色為：棕色、灰色、黑色，護(hù)套顏色為黃色。依據(jù)GB/T 2951.11-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[11]，絕緣為管狀，長(zhǎng)度為100 mm，護(hù)套為75 mm啞鈴狀試樣，各自制備5個(gè)樣品。在每個(gè)試樣中央標(biāo)上兩條標(biāo)記線，間距為20 mm。

具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

測(cè)試時(shí)，當(dāng)按下開(kāi)始檢測(cè)按鍵，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)連接的相機(jī)，“顯示圖像”框中對(duì)采集的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，自動(dòng)識(shí)別工件的顏色，并在界面中顯示所識(shí)別的顏色，隨著工件的不斷被拉伸，“測(cè)量結(jié)果圖片”中斷裂的那一幀圖像，“最大拉力結(jié)果圖片”顯示所檢測(cè)到的斷裂的前一幀圖像。通過(guò)計(jì)算界面在“實(shí)際距離”中顯示測(cè)量的拉伸長(zhǎng)度。計(jì)算公式為：

通過(guò)表2測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，測(cè)量結(jié)果相對(duì)人工測(cè)量值小，說(shuō)明在拉伸斷裂瞬間，機(jī)器比人工對(duì)結(jié)果的判斷更為精確，結(jié)果也就更為精確。

4 結(jié) 論

本文提出基于改進(jìn)梯度幀間差分法的非金屬材料斷裂伸長(zhǎng)率的檢驗(yàn)檢測(cè)測(cè)量方法，并通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從軟硬件上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該方法較人工測(cè)量所得到的方法更為精確，值得推廣。當(dāng)然，由于非金屬材料的多種多樣，如本色交聯(lián)聚乙烯（XLPE），在測(cè)量時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)，如何全色譜進(jìn)行測(cè)量，還需要測(cè)量方法或是軟件的進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]萬(wàn)同利，于校偉，蒲靜.引伸計(jì)在電線電纜絕緣材料機(jī)械性能測(cè)試中應(yīng)用的探討[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2021（17）：237-239.

[2]方欽志，李慧敏，歐陽(yáng)小東，等.圖像相關(guān)法在高分子材料拉伸性能研究中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2006（4）：459-466.

[3]孫偉，何小元，胥明，羅斌.數(shù)字圖像相關(guān)方法在膜材拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].工程力學(xué)，2007（2）：34-38.

[4]熊磊.基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的材料拉伸變形測(cè)量技術(shù)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[5]高振斌，馮寧楠.基于機(jī)器視覺(jué)的電纜護(hù)套拉伸長(zhǎng)度測(cè)量[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（5）：1120-1122.

[6]李盼生.基于I.MX6Q和OpenCV的電纜護(hù)套拉力試驗(yàn)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2016.

[7]陳俊松，龔俊，張格悠，等.基于改進(jìn)L-K光流法的電纜斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)量技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2021（4）：256-264.

[8]張格悠，龔俊，陳俊松等.基于雙目視覺(jué)的電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率自動(dòng)測(cè)量[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2021（11）：1668-1676.

[9]硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定：GB/ T 528-2009[S].

[10]塑料 拉伸性能的測(cè)定 第3部分：薄膜和薄片的試驗(yàn)條件：GB/T 1040.3-2006[S].

[11]電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法 第11部分：通用試驗(yàn)方法——厚度和外形尺寸測(cè)量——機(jī)械性能試驗(yàn)：GB/T 2951.11-2008[S].

[12]李建，藍(lán)金輝，李杰.一種新型快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，44（3）：978-984.

作者簡(jiǎn)介

王淑秀，碩士，工程師，研究方向?yàn)闄z驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。

司志澤，通信作者，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

（責(zé)任編輯：袁文靜）