基于機器視覺的電線電纜檢測技術研究

摘要：本文列舉了0.6/1kV擠包絕緣電力電纜的檢驗項目和檢驗方法，討論了需要人眼參與識別的靜態與動態的檢驗項目。針對絕緣和護套材料的斷裂伸長率、熱延伸和低溫拉伸檢驗項目與機器視覺檢測技術相結合進行了探究，提出將機器視覺檢測技術應用到電線電纜檢驗中。對于運動過程中和非接觸狀態下的試樣狀態變化的捕捉，機器視覺檢測技術具有優勢。

關鍵字：機器視覺? 電線電纜? 檢驗項目? 檢測方法

電線電纜作為電力傳輸的主要載體，承擔著整個國家經濟發展和人民日常生活的安全重任，劣質電纜給人們的人身安全和財產安全造成了極大的安全隱患，因此對電線電纜產品的檢驗尤為重要[1]。電線電纜的檢驗除了標志項目以外都是基于儀器設備完成的，但其中一些檢驗項目的結果還需要通過人眼進行過程中位置抓取或者識別，為了提高識別的準確率及效率，本文對機器視覺技術在電線電纜檢驗中的應用進行了探究。

1 電線電纜檢驗項目及檢驗方法

以0.6/1kV電力電纜為例，檢驗項目按類別可分為結構尺寸、電氣性能、絕緣機械物理性能、護套機械物理性能、熱塑性能、電纜燃燒性能及非電氣的其他各類試驗。對于各個檢驗項目和具體的檢驗方法在《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）電纜中有詳細的規定，不同的試驗項目適用于不同的材料，本文僅按照適用的情況進行介紹，并列舉出其中部分可與機器視覺檢測相結合的檢驗項目進行探討[2]。

1.1 結構尺寸

包含的項目包括絕緣厚度、金屬屏蔽層、金屬鎧裝厚度和寬度、護套厚度等。這些尺寸的測量都是在靜態下利用投影儀、游標卡尺或者千分尺進行的，計算后得到最終結果。

1.2 電氣性能

包含的項目包括導體電阻、絕緣電阻、電壓試驗。對于電氣性能項目中的導體電阻、絕緣電阻、的檢驗結果均為專用儀器直接讀數，電壓試驗檢驗結果為擊穿報警提示。

1.3 絕緣機械物理性能和護套機械物理性能

包括老化前后的絕緣和護套的抗張強度和斷裂伸長率[3]?？箯垙姸瓤梢酝ㄟ^拉力機測量的力和試樣的截面積計算得到，目前對于斷裂伸長率項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記線，在拉力機上進行拉力試驗時需要人工使用直尺測量絕緣斷裂瞬間兩個標記線間距離，通過計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配套使用的大變形測量裝置進行檢測，通過將兩個間距固定的夾具夾到絕緣上，在斷裂的瞬間自動讀取數據得出斷裂伸長率[4]。

1.4 熱塑性能

包括高溫壓力試驗和低溫性能，根據絕緣材料和護套材料的不同，對絕緣中PVC/A進行高溫壓力試驗，對護套中PVC、PE中的ST7及ST8進行高溫壓力試驗，對絕緣中PVC/A及護套中PVC和ST8進行低溫性能試驗。高溫壓力試驗項目在試樣制備、加熱、冷卻和截取試片等環節的處理后利用讀數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套的低溫卷繞試驗、低溫拉伸試驗和低溫沖擊試驗。其中，低溫卷繞和低溫沖擊試驗都是利用機械裝置在低溫環境下進行的，結果通過人眼觀察是否有裂紋。低溫拉伸試驗適用于不進行低溫卷繞試樣的絕緣和護套，該試驗項目利用帶測量夾頭位移的自動設備在低溫環境下進行，可以通過標記線間距離的增值與原始距離之比計算伸長率，也可以測量夾頭間距離的方法計算出伸長率。

1.5 電纜燃燒性能

包括單根阻燃試驗、成束阻燃試驗、煙密度試驗、酸氣含量試驗、pH值和電導率、氟含量試驗。其中，單根阻燃試驗和成束阻燃試驗需要在供火結束后擦凈試樣，確認炭化部分起始點后測量火焰蔓延的距離。其他試驗項目均用專用儀器進行測量。

1.6 非電氣的其他各類試驗

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

上述需要人眼參與的檢驗項目中，結構尺寸、高溫壓力試驗、低溫卷繞試驗、低溫沖擊試驗、熱沖擊試驗是靜態的尺寸測量，而單根阻燃試驗需要人工確認碳化情況后測量長度;低溫卷繞試驗、低溫沖擊試驗、耐臭氧試驗是靜態的樣品表面狀態確認;老化前后的斷裂伸長率、熱延伸試驗、低溫拉伸試驗是動態過程中的長度測量。機器視覺對于動態中目標的抓取準確性和效率更高，更具有研究意義。

2 機器視覺技術的應用

機器視覺檢測就是利用機器代替人去完成識別、測量、指引、定位和判斷等功能。其應用范圍隨著工業自動化的發展逐漸完善和推廣。機器視覺可以完成人工很難實現的任務，特別是需要高速、高精度要求的系統。

機器視覺是適合現代制造技術發展的一種檢測方式，機器視覺檢測與傳統人工檢測有以下優點。（1）客觀性：機器視覺檢測可以得到更加準確可靠檢測結果，不會受到操作者的狀態、責任心、經驗等因素的影響。（2）高速度：機器視覺檢測能更快地檢測產品，特別是當檢測高速運動的物體時，能夠準備定位瞬間狀態。（3）非接觸：機器視覺可以在非接觸的狀態下完成測量工作，在受力易導致檢驗結果變化的情況下，具有絕對的優勢。

2.1 機器視覺系統的組成和基本工作原理

典型的嵌入式機器視覺系統包括光源、圖像傳感器、視頻解碼器、圖像處理單元、顯示器、存儲器、輸出單元/通信。

首先，通過CMOS或CCD攝像機將采集目標的光學信息轉換成為圖像信號，經由微處理器中嵌入算法進行圖像處理，通過對采集到的多幅圖像的識別與分析，最后計算得到結果輸出。

光源作為影響機器視覺檢測系統圖像質量的重要因素，將直接影響輸入數據的質量進而影響數據分析的準確性。使用紅外光源和可見光源采集圖像的方式和本質有所不同，采用紅外光源可以在全天的任意時段采集圖像，而采用可見光源則不能。另外，使用可見光源采集到的目標圖像可能受到陰影的影響，而使用紅外光源采集到的目標圖像則受陰影的影響較小。紅外成像技術是利用景物對紅外光的輻射差成像，將紅外輻射轉換為可見光圖像，利用場景內物體本身各部分輻射的差異獲取物體圖像的細節，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]。在選擇時應對照他們的靈敏度、響應均勻性、速度、窗口、可靠性、暗電流等特點比較進行選擇。

嵌入式系統開發的主流CPU有DSP和單片機兩大類。DSP的應用領域主要集中在較復雜的算法處理中 [7]，因此選擇DSP作為處理器更適用于圖像處理。

2.2 系統的軟件流程

系統軟件的核心是圖像處理與識別模塊，模塊應具有高精度、高速度和實時性的特點。軟件算法的選取直接關系到整個系統的運行速度及識別效率問題。

對于運動中的物體，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態目標的捕捉。

幀差法即圖像序列差分法。利用連續兩幀圖像的亮度差來分析圖像序列的運動特性，確定圖像序列中有無運動物體并得到物體的大致位置和形狀等信息。但當運動目標上的像素灰度、紋理等信息較接近時，該方法通常只能得到部分運動信息。

差影法也就是背景減法，適用于攝像機靜止的情況。通過將背景幀與當前幀的灰度差與設定閾值比較來判定是否有運動發生。并將前景從背景中分離出來得到運動目標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，否則會出現漏檢。

差影法的定義如下：設連續兩幀圖像分別為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圖像[8]。

（1）

式（1）中，當 時，認為目標圖像出現。因此預先拍攝一幅背景圖像，其數據保存在DSP內部RAM中，然后按攝像機的幀率連續采集圖像，判斷各點灰度值相減的結果。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，保存該圖像數據。如果有一個較大的區域與0相差很遠的話說明這幅圖像較上幅圖像發生了較大變化，保留該圖像數據。選取所有圖像中最后一幅變化較小的圖像作為斷裂時的圖像，此時為斷裂瞬間圖像。由于檢驗環境為實驗室，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，加強試樣與背景對比度，效果更佳。確認好試驗開始和斷裂瞬間的圖像后，將圖像進行中值濾波、直方圖均衡化、斷裂位置提取，與初始間距比對計算得出伸長率。

2.3 系統工作流程

系統工作流程包括硬件系統的初始化，系統軟件流程圖1所示。

3 結語

目前，機器視覺檢測技術已經滲入到人們的日常生活的各個領域以及工業生產中，本文對嵌入式系統在電線電纜檢驗中的應用進行了描述，該系統適用于老化前后的斷裂伸長率、熱延伸試驗、低溫拉伸試驗。PC機系統的處理速度及觸發方式等更容易實現，但對于僅有機械結構而不需要聯機使用的檢驗設備，使用嵌入式的機器視覺系統成本更低，移動更便捷。

參考文獻

[1] 王坤輝.電線電纜檢測項目及方法探究[J].電力系統裝備，2020（16）：9-11.

[2] 楊煜昕.基于機器視覺的混凝土表觀質量檢測方法研究[D].鎮江：江蘇大學，2020.

[3] 張瑋琪.礦用MYP型號電纜的絕緣老化分析及壽命預測[D].西安：西安科技大學，2018.

[4] 劉暢.基于DSP的電線電纜絕緣斷裂伸長率檢測圖像采集裝置設計[J].中國科技縱橫，2021（9）：68-69.

[5] 付娜.紅外圖像的采集、增強與分割處理研究[D].大連：大連理工大學.2005.

[6] 侯杰，于盈盈.圖像傳感器技術的專利發展現狀分析[J].數碼設計，2020，9（4）：252-253.

[7] 吳志軍.基于XC7K325T+TMS320C6678的高速圖像處理系統設計與實現[J].無線互聯科技，2021，18（5）：51-52.

[8] 李晴，徐群.復雜場景下多運動目標速度檢測技術的實現[J].計算機與數字工程，2006（11）：167-171.

作者簡介：劉暢（1983—），男，碩士，工程師，研究方向為檢驗檢測。