礦用防爆電氣設備平面結合面間隙測量儀

張勇

(安標國家礦用產品安全標志中心有限公司， 北京 100013)

0 引言

隔爆型是應用最廣泛的煤礦電氣設備防爆型式之一，隔爆型電氣設備占井下防爆設備數量的80%以上。隔爆外殼通過隔爆結合面實現對殼內爆炸生成物(火焰)的降溫與熄滅作用，其中平面隔爆結合面(以下簡稱平面結合面)是井下最常見的防爆結構，間隙是其重要技術指標之一，直接影響設備防爆性能[1-4]。平面結合面間隙測量是煤礦防爆檢查的重要內容[5]。

現有的間隙測量方法分為接觸式和非接觸式。探針法是目前最常用的接觸式間隙測量方法，采用葉尖放電方式，但探針易受異物及油漬污染造成阻塞，且需要設備斷電停機，不適用于井下平面結合面間隙測量。非接觸式間隙測量方法主要包括光學測量法、成像測量法等[6-7]，可實現探頭不磨損、無損、不斷電檢測，在國外航空航天、汽車制造等領域應用較成熟，相應的非接觸式間隙測量儀器，如gapgun激光間隙槍[8]、gapcontrol系列輪廓掃描傳感器[9]等，主要基于激光三角反射式原理設計，間隙分辨率可達20 μm，但測量過程中需要固定夾具的輔助，對工作環境、條件要求苛刻，成本高，不適用于煤礦井下平面結合面間隙日常檢查。中國航空工業沈陽發動機設計研究所、哈爾濱工業大學等針對發動機葉片間隙測量展開研究，主要采用光纖法[10]、電容法[11]等進行非接觸式測量，缺點是測量系統復雜、成本高、維護困難，不適用于煤礦井下。

目前煤礦井下主要采用塞尺對平面結合面間隙進行例行檢查，且需要設備斷電停機，測量效率低。本文設計了一種本質安全型礦用防爆電氣設備平面結合面間隙測量儀。該儀器通過互成角度的紅外激光光源和顯微鏡模塊實時采集設備間隙圖像，構建間隙圖像特征矩形區域，實現了對平面結合面間隙寬度的非接觸式測量，為煤礦隔爆型電氣設備安全檢查提供了技術方案。

1 測量儀組成及原理

礦用防爆電氣設備平面結合面間隙測量儀主要由顯微鏡模塊、嵌入式主板、紅外激光光源、電源控制板、電池、顯示屏、外殼組件等組成，如圖1所示。顯微鏡模塊兩側平行放置2個“一”字型紅外激光光源，光源發出激光照射防爆電氣設備平面結合面表面。顯微鏡模塊包含集成化的攝像頭模組，采集平面結合面間隙實時圖像并上傳至嵌入式主板。高性能嵌入式主板對圖像進行處理及分析，獲得鏡頭與被測設備表面間的距離，從而計算出間隙寬度，并將計算結果傳輸至顯示屏顯示。

圖1 礦用防爆電氣設備平面結合面間隙測量儀組成Fig.1 Composition of gap measuring instrument of plane joint-surface for mine explosion-proof electrical devices

紅外激光光源光路如圖2所示。2個紅外激光光源和平面結合面間隙設置在同一個平面上，2個光源與水平軸呈相同角度，光源發出的激光垂直投射到平面結合面間隙上。設光源水平線與平面結合面間隙水平面之間的垂直距離為L，2個光源之間的距離為a，圖像分析得2束激光之間的距離為b，光源與水平軸的夾角為θ，則有

(1)

圖2 光源光路Fig.2 Light source path

根據式(1)可得

(2)

由式(2)可知，根據光源與水平軸的夾角及圖像中2束激光之間的距離，即可得出光源與平面結合面間隙間的垂直距離。

采用測量儀進行實際測量前先進行參數校正。選取2個光源發出的激光在被測設備表面上的間距b為標定對象，得到b在成像CCD上的長度B。通過實際長度距離b在不同光源水平線與間隙水平面之間垂直距離L下的成像距離B，可推導出成像距離B下每個像素代表的實際距離。根據凸透鏡成像原理，凸透鏡成像焦距為L，凸透鏡與成像間距為F，則光源組成像的放大倍數為

(3)

可根據不同的放大倍數求得L和b的關系，由式(2)、式(3)得出夾角θ和距離L。

設實際測量時CCD上成像距離為B′，則平面結合面間隙寬度為

(4)

2 測量儀設計

2.1 硬件結構

礦用防爆電氣設備平面結合面間隙測量儀硬件結構如圖3所示。嵌入式主板MPU采用i.mx6ull，基于Linux系統，同時搭載DDR3L和NAND Flash存儲器。顯微鏡模塊采用AM4515ZT4電子數碼顯微鏡，放大倍率為400～470，像素為1.3 MP；攝像頭采用Color CMOS傳感器，像素為1.3 MP，最大幀率為30幀/s，放大倍率為400。

圖3 測量儀硬件結構Fig.3 Hardware structure of measuring instrument

2.2 圖像處理算法

受井下光照不均及隔爆外殼表面坑洼、灰塵顆粒多、間隙邊緣腐蝕等因素影響，采集的平面結合面間隙原始圖像中存在不同程度的噪聲和邊緣毛刺等問題，增大了平面結合面間隙測量誤差，因此，采用OpenCV編程設計了測量儀圖像處理算法，通過對原始圖像進行二值化、取反、去噪、孔洞填充等預處理，提高圖像質量，實現對間隙寬度的精確測量。圖像處理流程如圖4所示。

圖像二值化的關鍵是選取合適的閾值，像素灰度超過閾值為待提取目標，反之為背景。設采集的原始圖像為f(x,y),(x,y)為圖像中任意像素點坐標,閾值為T，則二值化后的圖像為

圖4 圖像處理流程Fig.4 Image processing flow

(5)

本文采用OTSU閾值法進行二值化處理，結果如圖5所示。

圖5 二值化間隙圖像Fig.5 Binarized gap image

對二值化圖像進行取反、去噪、孔洞填充、小面積干擾項去除等處理，得到帶有毛刺的二值化圖像，如圖6所示。

圖6 帶有毛刺的二值化間隙圖像Fig.6 Binarized gap image with burr

采用先腐蝕縮減間隙區域、后膨脹擴張間隙區域的方法消除間隙圖像邊緣毛刺。創建以10個像素為半徑的圓形卷積模板與圖像進行卷積運算，對圖像進行腐蝕，縮減線狀間隙。之后創建以8個像素為半徑的圓形卷積模板，通過卷積運算對圖像進行膨脹，擴張間隙并填充間隙中的孔洞。消除毛刺后的二值化間隙圖像如圖7所示。

圖7 消除毛刺后的二值化間隙圖像Fig.7 Binarized gap image after eliminating burr

針對邊緣清晰的二值化間隙圖像，求取其最小外接矩形，即為間隙區域。根據最小外接矩形面積、周長，求出矩形寬度，即為平面結合面間隙寬度平均值。

3 間隙測量及結果分析

采用測量儀測量礦用防爆電氣設備平面結合面間隙時，應與間隙保持垂直，以獲取清晰的間隙圖像。對原始圖像進行處理后得到輪廓清晰的線狀間隙，進一步采用手動或自動測量模式獲取間隙寬度數據。自動測量模式通過最小外接矩形圖像處理算法計算間隙寬度數據，方便快捷。手動測量模式通過人工定位線狀間隙的2條長邊，計算得到間隙寬度數據，測量精度高。可根據實際情況，通過測量儀按鍵選擇間隙測量模式。

3.1 自動測量

采用自動測量模式時，測量儀通過攝像頭采集礦用防爆電氣設備平面結合面間隙圖像并上傳至嵌入式主板，經圖像預處理及最小外接矩形圖像處理算法處理，獲得目標間隙寬度，并實時顯示在顯示屏中。

測量儀中顯微鏡模塊含有專用測微校正尺，其包含已知線寬的標準線，用于測量儀日常標定和誤差分析。0.01 mm標準線的標定結果如圖8所示，經計算間隙寬度標定值為0.012 mm，像素為92。0.03標準線的標定結果如圖9所示,標定值為0.035 mm，像素為32.6。進一步采用其他標準線對測量儀進行標定，結果見表1。可見自動測量模式下間隙測量誤差絕對值不超過0.02 mm，滿足間隙快速粗略測量要求。

(a) 原始圖像

(b) 標定圖像

(a) 原始圖像

(b) 標定圖像

表1 自動測量模式下標準線寬度理論值與標定值比較Table 1 Comparison between theoretical values and the calibration ones of standard lines under automatic measurement mode mm

根據標準線寬度標定結果，對礦用防爆電氣設備平面結合面間隙寬度進行分析。自動測量模式下圖像處理結果如圖10所示。可看出原始圖像受灰塵或表面坑洼等因素影響存在較多噪聲，需進一步清除；二值化圖像邊緣模糊，且存在很多小面積干擾項，可通過設置適當閾值去除；填充孔洞后的圖像中模糊邊緣被有效去除；去除小面積干擾后，得到清晰的線狀間隙圖像，經圖像處理得出的最小外接矩形以藍線框出。結合標準線標定結果，計算得該間隙最大寬度為0.05 mm。

(b) 二值化圖像

(c) 填充孔洞后圖像

(d) 去除干擾后圖像

3.2 手動測量

手動測量模式結合人工操作和圖像處理對礦用防爆電氣設備平面結合面間隙寬度進行測量。人工操作時通過目視確定線狀間隙邊緣，減少圖像處理過程中因噪聲等因素造成的測量誤差。

測量儀設計了4個按鍵用于調節參數和人工定位間隙邊緣。采用手動測量模式時，測量儀通過攝像頭采集圖像并實時顯示在顯示屏中，通過操作顯示屏中按鈕，手動確定目標間隙的邊緣，結合圖像處理算法得出間隙2條長邊的距離，最終獲得間隙有效寬度。

采用手動測量模式時顯示屏界面如圖11所示。通過顯示屏中按鍵手動調整圖像中的測量線，先粗調將測量線靠近目標間隙邊緣，再經旋轉、移動等微調使測量線與間隙邊緣重合，從而確定間隙的起點、終點測量線。經圖像處理，計算2條測量線的間距，獲得間隙寬度精確測量值。

圖11 手動測量界面Fig.11 Manual measurement interface

通過手動測量模式測量顯微鏡模塊中校正尺的標準線，結果見表2，相對誤差如圖12所示。可看出采用手動測量模式時，間隙寬度測量絕對誤差不超過0.01 mm，相對誤差不超過7%，能較好地滿足礦用防爆電氣設備平面結合面間隙測量精度要求。

表2 手動測量模式下標準線寬度測量結果Table 2 Measurement result of standard lines under manual measurement mode mm

圖12 手動測量相對誤差Fig.12 Relative errors of manual measurement values

4 結語

礦用防爆電氣設備平面結合面測量儀通過圖像處理實時獲得間隙寬度數據，可實現平面結合面間隙的無接觸式快速測量。該測量儀在自動測量模式下測量過程不超過3 s，手動測量模式下精度小于0.01 mm。在進行井下隔爆型電氣設備防爆檢查中，可通過自動測量模式快速確定較危險的平面結合面間隙，再結合手動測量模式進一步精確測量，實現快速、準確的間隙寬度測量。