基于機(jī)器視覺的電線電纜檢測技術(shù)研究

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別的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的檢驗(yàn)項(xiàng)目。針對絕緣和護(hù)套材料的斷裂伸長率、熱延伸和低溫拉伸檢驗(yàn)項(xiàng)目與機(jī)器視覺檢測技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行了探究，提出將機(jī)器視覺檢測技術(shù)應(yīng)用到電線電纜檢驗(yàn)中。對于運(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)器視覺檢測技術(shù)具有優(yōu)勢。

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

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別，為了提高識別的準(zhǔn)確率及效率，本文對機(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)度和斷裂伸長率[3]?？箯垙?qiáng)度可以通過拉力機(jī)測量的力和試樣的截面積計(jì)算得到，目前對于斷裂伸長率項(xiàng)目的檢測有兩種手段。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率。第二種方法是通過和拉力機(jī)配套使用的大變形測量裝置進(jìn)行檢測，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，對絕緣中PVC/A進(jìn)行高溫壓力試驗(yàn)，對護(hù)套中PVC、PE中的ST7及ST8進(jìn)行高溫壓力試驗(yàn)，對絕緣中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)顯微鏡或測量投影儀測量凹痕尺寸。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)算伸長率，也可以測量夾頭間距離的方法計(jì)算出伸長率。

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)的尺寸測量，而單根阻燃試驗(yàn)需要人工確認(rèn)碳化情況后測量長度;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率、熱延伸試驗(yàn)、低溫拉伸試驗(yàn)是動(dòng)態(tài)過程中的長度測量。機(jī)器視覺對于動(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)器視覺檢測就是利用機(jī)器代替人去完成識別、測量、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)展的一種檢測方式，機(jī)器視覺檢測與傳統(tǒng)人工檢測有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）客觀性：機(jī)器視覺檢測可以得到更加準(zhǔn)確可靠檢測結(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)器視覺檢測能更快地檢測產(chǎn)品，特別是當(dāng)檢測高速運(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，具有絕對的優(yōu)勢。

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，經(jīng)由微處理器中嵌入算法進(jìn)行圖像處理，通過對采集到的多幅圖像的識別與分析，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轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，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)行速度及識別效率問題。

對于運(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，可以選取簡單的背景簡單，可選用差影法。為提高檢測精度，在試樣檢測處可加入色差大的擋板，加強(qiáng)試樣與背景對比度，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，與初始間距比對計(jì)算得出伸長率。

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。

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