基于儀器視覺的絕緣層檢測最佳曝光率研究

劉兆秀，李 靜

(蘇州市建設工程質量檢測中心有限公司，江蘇 蘇州 215129)

0 前 言

絕緣層是電線電纜中一個基本且重要的構件，它不但可以讓電流不外流從而達到正常傳輸的目的，而且可以隔絕導體上的電壓，保護人身安全。電線電纜絕緣材料的厚度是表征其絕緣性能的重要指標，直接與其耐受電壓強度、絕緣電阻等多項安全性能指標相關[1]。在實際運用中發現，電線電纜的耐電壓水平不但與絕緣層的厚度有關，而且與絕緣層的材料種類密切相關[2]。在絕緣層的材料選擇方面，主要有聚氯乙烯(Poly Vinyl Chloride,PVC)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚乙烯(Poly Ethylen,PE)、交聯聚乙烯(Cross Linked Polyethylene,XLPE)、橡膠等。另外，在環境高溫和外界機械力等因素的作用下，電線電纜絕緣層的熱變形能力也會受到極大的影響[3]。因此，在電線電纜的質量檢測中，絕緣厚度是必須要檢測的項目，現行的檢測標準是《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法》(GB/T 2951.11—2008)第11部分：通用試驗方法厚度和外形尺寸測量機械性能試驗，該方法適用于最普通類型的絕緣和護套材料(彈性體、PVC、PP、PE等)[4]。另一方面，絕緣厚度也是有上限的，并不是越厚越好，從節省材料的角度來考慮，電線電纜的絕緣層厚度適中不但確保了安全性能，也是最具有經濟效益的[5]。

隨著科學技術的發展進步，將數字圖像處理技術廣泛應用于光學測量已是必然的趨勢[6]。然而，在圖像檢測的過程中，圖像處理與模式識別的算法成為了關鍵，能否準確地得到圖像，能否正確地判斷出圖像中的信息，能否準確地判定圖像的邊緣，是圖像檢測方法的重中之重[7]。針對這一問題，Fan C L等[8]通過軟件編程來完善圖像的去噪和邊緣檢測，為了很好地檢測邊緣，其選擇使用二進制形態算子。除此之外，研究者們嘗試使用各種先進的算法來解決數字圖像處理技術中出現的邊緣檢測難題，比如周明翰等[9]利用改進的全局門限、高斯濾波和Sobel算子等算法,有效消除了閾值分割所產生的邊緣鋸齒。樊春玲等[10]以C++為平臺，將絕緣層的圖像二值化處理后運用Roberts算子對其進行邊緣檢測，利用邊緣輪廓特征計算出絕緣層參數。Fan C L[11]將傳統的Canny算法進行改進，不但保留了傳統算子的優點，并進一步提高了抑制偽邊緣的能力和自動化程度，也是一種有效的方法。

本研究對電線電纜絕緣厚度的檢測設備從手動投影儀進化到自動控制檢測儀——WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測儀，與傳統的投影儀和二次元測量機不同，WIT-1針對電線電纜絕緣厚度的檢測，采用了先進的機器視覺、圖像識別、深度學習和云計算技術，實現對電線電纜絕緣層的樣品識別、多個樣品同時全自動測量、顏色識別、自動生成原始記錄及報表、檢測照片保存、測量結果推送至檢測機構技術管理層等特色功能，使檢測效率加快，準確度提高。然而，在使用WIT-1檢測的過程中，曝光率不同會導致儀器識別到的絕緣層切片圖像邊緣清晰度不同，曝光率過低或者過高，圖像的邊緣均會模糊，導致儀器無法很精準地識別邊緣線，從而影響絕緣厚度檢測結果的準確度。

在保持原設備圖像處理與模式識別的算法不變的情況下，為了明確WIT-1中曝光率對電線絕緣厚度檢測結果的影響，本研究選用兩種常用型號的電線(紅色BYJ 2.5和紅色BV 2.5)，分別使用兩臺檢測儀器(23JB臺式投影儀和WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測儀)測量其絕緣厚度，其中對WIT-1設置不同的曝光率：1～100。對不同電線、不同儀器、不同曝光率的絕緣厚度檢測結果進行分析對比，確定使用WIT-1檢測電線絕緣厚度時的最佳曝光率，減少檢測員使用儀器前的校準調試頻率和時間，提高檢測速度和準確度。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選用兩種工程上比較常用的電線來進行絕緣厚度檢測，包括：紅色BYJ 2.5和紅色BV 2.5種類的電線。樣品處理符合標準《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法》(GB/T 2951.11—2008)[4]。

1.2 試驗方法

本研究依據標準《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法》(GB/T2951.11—2008)[4]試驗步驟，使用兩臺檢測儀器對樣品的絕緣厚度進行測量，包括：23JB臺式投影儀和WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測儀。

使用WIT-1檢測時，將樣品放置在屏幕中央，放置好之后蓋上蓋子，設置不同的曝光率(1～100)。為了確保測量結果的可靠性，采用控制變量法，每個樣品測量過程中，除了曝光率變化，其余因素均保持不變，比如樣品位置不可以變動，測量結束之前蓋子不可以打開等。即便如此，在同一曝光率之下，對同一樣品測量出的絕緣厚度也有一點點不同，因此，本研究對每個樣品的每個曝光率測量10次，計算其平均值。

使用23JB臺式投影儀檢測時，根據標準《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法》(GB/T2951.11—2008)[4]要求，測量樣品上的6個點。實際操作時，將樣品放置在投影儀的工作面上，從最薄點開始，按照標準規定的方法先測量2個點，然后將工作盤旋轉60°，接著用同樣的方式測量2個點，再次將工作盤旋轉60°，最后測量2個點。

根據標準《額定電壓450/750 V及以下聚氯乙烯絕緣電纜》(GB/T 5023.3—2008)[12]和《額定電壓450/750 V以及下交聯聚烯烴絕緣電線和電纜》(JB/T 10491.1—2004)[13]，BV 2.5和BYJ 2.5樣品的絕緣厚度平均值需≥0.8 mm。同時，《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法》(GB/T2951.11—2008)規定，若規定的絕緣厚度為0.5 mm及以上時，讀數應測量到小數點后2位(以mm計)，若規定的絕緣厚度小于0.5 mm時，則讀數應測量到小數點后3位，第三位為估計數[4]。所以，本次測量結果讀到小數點后2位。

2 結果與討論

使用WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測儀對紅色BYJ2.5和紅色BV2.5的樣品進行絕緣厚度的檢測，首先設置曝光率為1、10、20、30、40、50、60、70、80、90和100，圖1(a)和圖1(b)分別表示紅色BV2.5和紅色BYJ2.5樣品在不同曝光率下的測量圖像。

由圖1可知，對于同一個樣品，在其他條件均保持不變的情況下，曝光率不同，樣品在WIT-1設備中被識別出的顏色也不相同。肉眼觀察發現，曝光率越大，樣品顏色越淺。但是WIT-1設備識別的結果是：對于紅色BV2.5樣品，曝光率為1、30和40的時候樣品被識別為黑色，曝光率為10和20的時候樣品被識別為紅色，曝光率為50～100的時候樣品被識別為黃色；對于紅色BYJ2.5樣品，曝光率為1的時候樣品被識別為黑色，曝光率為10和20的時候樣品被識別為紅色，曝光率為30～100的時候樣品被識別為白色。

(a)BV2.5

(b)BYJ2.5

圖1中，各圖含義為：(a)曝光率1；(b)曝光率10；(c)曝光率20；(d)曝光率30；(e)曝光率40；(f)曝光率50；(g)曝光率60；(h)曝光率70；(i)曝光率80；(j)曝光率90；(k)曝光率100。

可見，對于兩個型號的樣品，當曝光率為10和20的時候，WIT-1設備識別的顏色是準確的。對試驗結果進行定量分析，得到兩種樣品在1～100曝光率下的絕緣厚度，對每個曝光率下測得的10次數據求平均值，得到如圖2所示的結果。

圖2中左右分別顯示了紅色BV2.5和紅色BYJ2.5樣品在1～100曝光率下的絕緣厚度平均值。其中，左圖中的0.74 mm和右圖中的0.95 mm分別表示紅色BV2.5和紅色BYJ2.5樣品在23JB臺式投影儀中測量的結果。由圖2可知，對于兩種樣品，其絕緣厚度均隨著曝光率的增大而逐漸減小。這是因為，當曝光率為1時，檢測環境的光源較暗，與紅色樣品之間邊界不夠清晰，設備識別到的邊緣區域就會比實際要大。隨著曝光率逐漸增大，樣品在設備中的圖像經歷了一個逐漸清晰到失真的過程，曝光率過大，會導致樣品的邊緣“消失化”，從而檢測到比實際更小的厚度。

使用23JB臺式投影儀測量電線絕緣厚度時，受主觀因素和讀數準確度的限制，通常檢測結果與實際厚度之間會有0.05 mm左右的誤差。所以，當WIT-1中的曝光率為1～10時，測量結果與實際厚度最為接近。結合到設備對樣品顏色判斷的準確度，最終將曝光率縮小在2～10的范圍內，得到如圖3的試驗結果。由圖3可知，當曝光率為2～10的時候，其測量結果是比較穩定的，每個曝光率下設備識別到樣品的顏色均為“紅色”，符合實際。

(a)BV2.5

(b)BYJ2.5

圖3中，各圖含義為：(a)曝光率2；(b)曝光率3；(c)曝光率4；(d)曝光率5；(e)曝光率6；(f)曝光率7；(g)曝光率8；(h)曝光率9；(i)曝光率10。

然后對曝光率2～10的測量數據進行定量分析，得到如圖4所示的結果。

(a)BV25

(b)BYJ25

由圖4可知，對于兩種樣品來說，曝光率為2的測量結果均為最大，也都最接近使用23JB臺式投影儀測量的結果；當曝光率為3～10時，BV2.5樣品的測量結果均為0.71 mm，BYJ2.5樣品的測量結果變化也非常小，僅有0.01 mm的差異。因此，曝光率為3～10時WIT-1對電線絕緣厚度的測量結果最接近實際厚度。由于以上絕緣厚度平均值都是經過10次同條件測量得出，為了減少測量次數，節約時間成本，本研究進一步分析曝光率為3～10時，測量結果的離散程度。

圖5顯示了當曝光率為3～10的時候，BV2.5和BYJ2.5兩種樣品10次測量結果的離散程度，即每組結果自其平均值分散開來的程度。由圖5可知，對于BV2.5樣品，曝光率為8時離散程度最低，為0.000 7；對于BYJ2.5樣品，曝光率為10時離散程度最低，為0.0001。離散程度越低，表明一組數的測量結果與其平均值分布得越接近，對應的每次測量結果的準確度就越大。因此，使用WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測儀測量時，對于BV2.5樣品，推薦的最佳曝光率為8；對于BYJ2.5樣品，推薦的最佳曝光率為10。

圖5 曝光率為3～10時絕緣厚度的離散程度

3 結 論

本研究使用兩種儀器(23JB臺式投影儀和WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測儀)對兩種常用型號的電線(紅色BYJ 2.5和紅色BV 2.5)進行絕緣厚度的測量，通過對WIT-1設置不同的曝光率(1～100)，將試驗結果進行定量和定性分析，并與23JB臺式投影儀的測量結果相比較，研究不同曝光率下所得絕緣厚度的變化，得出以下結論。

1)曝光率不同，樣品在WIT-1設備中被識別出的顏色也不相同。當曝光率為2～20的時候，WIT-1設備識別的顏色是準確的。

2)當曝光率為1～100時，兩種樣品的絕緣厚度均隨著曝光率的增大而逐漸減小。

3)當曝光率為2～10的時候，WIT-1設備的測量結果比較穩定。其中，當曝光率為3～10時，BV2.5樣品的測量結果均為0.71 mm，BYJ2.5樣品的測量結果之間僅有0.01 mm的差異。

4)在使用WIT-1設備測量電線絕緣厚度時，根據離散程度分析，推薦BV2.5的測量最佳曝光率為8，BYJ2.5的測量最佳曝光率為10。

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