基于改進梯度差分法的非金屬材料斷裂伸長率檢測技術

2023-11-22 06:33:18王淑秀司志澤高靜戚威

中國標準化 2023年21期

王淑秀司志澤高靜戚威

摘要：本文對現有的非金屬材料斷裂伸長率的測試現狀進行了分析，針對其存在的測量精度低，大多采用人工測量等缺點，根據相關的研究現狀，提出了基于改進梯度幀間差分法的非金屬材料斷裂伸長率檢驗檢測方法，本方法通過比較前后兩幀的梯度幀差與動態閾值閾值來確定樣品是否發生了斷裂，然后進行計算。通過系統設計、實現及測試結果表明，該方法能夠提高非金屬材料斷裂伸長率檢測的精確度，并且實現自動測量。

關鍵詞：幀間差分法，斷裂伸長率，動態閾值，拉力試驗，機械性能，圖像識別

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

斷裂伸長率包括老化前斷裂伸長率、老化后的斷裂伸長率及老化前后斷裂伸長率變化率，是檢驗非金屬材料機械性能的一項重要項目，主要考核材料在一定環境條件下受力或能量作用時所表現出的特性。如果斷裂伸長率項目不達標，材料在使用過程中，受到力的作用時，會出現損傷或破裂的情況，這就容易造成危險的發生。例如電纜的絕緣及護套，如果斷裂伸長率項目不合格，容易出現帶電導體裸露或線芯間短路，導致觸電危險。本文所指的非金屬材料是具有非金屬性質（導電性導熱性差）的有機材料，如塑料、橡膠等。

目前，非金屬材料的斷裂伸長率的測定大致有兩種方法[1]：一是采用大變形引伸計，二是人工測量，如伸率尺，游標卡尺等。采用大變形引伸計，通常對拉力試驗機要求較高，一般為門式拉力機，占地面積較大，操作復雜，對XLPE（交聯聚乙烯）、橡膠等形變量較大的材料，測量誤差大；人工測量方式對人力要求較高，需要時刻關注拉伸情況，測量誤差因人而異，人為誤差占總誤差權重大。隨著圖像識別與圖像處理的迅速發展，采用圖像采集及處理成為最符合現階段非金屬材料斷裂伸長率檢驗檢測需求的方式。

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

根據已提出的研究方法與實際非金屬材料檢驗檢測相關標準的對比可知存在以下問題：一是研究單一性，如非金屬材料顏色多樣、形狀多樣，在圖像識別時未提及不同種類的識別問題；二是與檢測標準要求不一致等問題[9-11]，如電纜護套斷裂伸長率的檢測[11]，標準要求盡可能采用75 mm啞鈴試樣，如果不能可采用50 mm試樣或管狀試樣，標距為20 mm，標記一般為線狀。因此，本文在圖像處理與非金屬材料檢驗檢測標準的基礎上提出了一種基于改進梯度幀間差分法的非金屬材料斷裂伸長率檢驗檢測技術。

1 改進梯度幀間差分法

幀間差分法（Temporal Difference）[12]是利用圖像采集的連續的運動目標，幀和幀之間會有明顯地變化，對時間上連續的兩幀或三幀圖像進行差分運算，不同幀對應的像素點相減，判斷灰度差的絕對值，當絕對值超過一定閾值時，即可判斷為運動目標，從而實現運動目標的檢測功能。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。這就會導致每次檢測時，標記點與背景對比度不同，對測量造成一定困難。因此在進行幀間差分計算前，先進行HSV空間分量檢測對比，確定受檢樣品顏色，HSV色卡表如表1所示。

并根據不同顏色標記點與背景的對比度，同時由于樣品被拉伸時灰導致標記點的顏色變淺，對應圖像的的灰度值的會發生變化，這就需要通過動態閾值來確定標記點。通過試驗發現，拉伸長度與閾值滿足一定的線性關系，如圖1所示。

改進的梯度幀間差分法就是通過前后兩幀的梯度幀差與動態閾值閾值相比較來確定樣品是否發生了斷裂，并進行計算。

2 系統設計

非金屬材料斷裂伸長率的檢測如圖2所示，首先將樣品用平行直線進行標記，將樣品用夾具固定，通過相機兩側的LED燈確保光源的穩定，CMOS相機對拉伸過程進行圖像采集，在計算機上通過人機交互界面可以實時看見電纜的拉伸狀況，并通過動態閾值法和梯度幀差法對此時是否斷裂進行判斷，當發生斷裂后相機停止采集圖像并輸出斷裂前的拉伸長度。然后對其進行后續處理就會得到具體的斷裂伸長率。

硬件選用海康威視MV-CA050-11UC-160--227U3C USB 3.0圖像處理器，8 MM定焦鏡頭。

在軟件設計方面，程序開發方面運用pycharm搭載python-opencv3.6.12，界面開發選用QT5，python為編程語言，利用OpenCV視覺庫來實現相應的功能。其算法流程如圖3所示

測試界面見圖4。

樣品測試時，先開啟相機，然后夾好樣品后，開始測量，系統會自動檢測連接的相機，“顯示圖像”框中對采集的視頻進行實時顯示，自動識別工件的顏色，并在界面中顯示所識別的顏色，隨著工件的不斷被拉伸，“測量結果圖片”記錄斷裂的那一幀圖像，最大斷裂伸長結果為斷裂的前一幀圖像。通過計算界面在“實際距離”中顯示測量的拉伸長度。

3 樣品測試

非金屬材料范圍較廣，比較常見的如塑料、橡膠等，結合筆者工作便利，樣品測試選用成品電線電纜的絕緣及護套，型號為：60227 IEC 53（RVV） 300/500 V 3×2.5，絕緣線芯顏色為：棕色、灰色、黑色，護套顏色為黃色。依據GB/T 2951.11-2008標準規定[11]，絕緣為管狀，長度為100 mm，護套為75 mm啞鈴狀試樣，各自制備5個樣品。在每個試樣中央標上兩條標記線，間距為20 mm。

具體檢測結果見圖5。

測試時，當按下開始檢測按鍵，系統會自動檢測連接的相機，“顯示圖像”框中對采集的視頻進行實時顯示，自動識別工件的顏色，并在界面中顯示所識別的顏色，隨著工件的不斷被拉伸，“測量結果圖片”中斷裂的那一幀圖像，“最大拉力結果圖片”顯示所檢測到的斷裂的前一幀圖像。通過計算界面在“實際距離”中顯示測量的拉伸長度。計算公式為：

通過表2測試數據顯示，測量結果相對人工測量值小，說明在拉伸斷裂瞬間，機器比人工對結果的判斷更為精確，結果也就更為精確。

4 結論

本文提出基于改進梯度幀間差分法的非金屬材料斷裂伸長率的檢驗檢測測量方法，并通過系統設計，從軟硬件上進行了實現，通過實驗表明，該方法較人工測量所得到的方法更為精確，值得推廣。當然，由于非金屬材料的多種多樣，如本色交聯聚乙烯（XLPE），在測量時，難以實現，如何全色譜進行測量，還需要測量方法或是軟件的進一步研究。