手持式便攜電纜彎曲度測量儀的研制

林添進， 吳志成， 葉開明, 曾小平， 楊昌加， 姚青煌

(1.國網(wǎng)泉州供電公司，福建 泉州 362000; 2.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000； 3.福州大學(xué)，福建 福州 350108)

手持式便攜電纜彎曲度測量儀的研制

林添進1,3， 吳志成1， 葉開明1, 曾小平2， 楊昌加1， 姚青煌1

(1.國網(wǎng)泉州供電公司，福建 泉州 362000; 2.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000； 3.福州大學(xué)，福建 福州 350108)

當(dāng)前，輸電電纜工程普遍采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，電纜安裝敷設(shè)時，在彎曲段各曲線處會產(chǎn)生不同方向拉伸力，產(chǎn)生可能導(dǎo)致電纜損壞的壓力。為了方便電纜曲率的測量，提出了一種手持式便攜測量儀，結(jié)合了激光測距和攝像頭兩種傳感技術(shù)，對三點法和圖像處理法的誤差進行補償，得到電纜的彎曲度。試驗結(jié)果表明測量儀具有使用簡單、精度高、速度快的優(yōu)點，能實時完成對電纜彎曲度的測量，有效地把控電纜安裝工藝質(zhì)量。

彎曲度；三點法；電纜；激光測距；圖像處理

0 引 言

電纜的彎曲半徑越小，對電纜芯產(chǎn)生的壓縮拉伸越厲害，對電纜芯的絕緣損害越大。特別是高壓電纜，可能會造成不可逆的損害。它的損害主要有三方面。由于電纜導(dǎo)體由多根單芯導(dǎo)線以一定節(jié)距絞合而成，所以在導(dǎo)體制作過程中導(dǎo)體的單線根數(shù)和節(jié)距大小直接決定了導(dǎo)體在彎曲的穩(wěn)定性，過小的彎曲將導(dǎo)致導(dǎo)體的松散和突起，直接影響絕緣性能；當(dāng)電纜以一定彎曲半徑彎曲時，在彎曲處的絕緣將會發(fā)生拉伸變形；通常中壓電纜采用銅帶屏蔽，銅帶厚度0.1 mm或0.12 mm，寬度20 mm～40 mm，重疊15%繞包。彎曲時金屬帶起皺或卷邊有可能損傷到絕緣。

對于曲率的測量，根據(jù)傳感器的選擇和測量對象的不同，提出了不同的測量方法，如基于激光干涉法進行曲率測量，這種方法是通過相移激光干涉儀與標(biāo)準(zhǔn)的球面波，經(jīng)被測光學(xué)元件表面反射，與參考波面產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，得到干涉條紋進而計算得到元件面形誤差，通過調(diào)節(jié)被測元件到等光程位置，即干涉零條紋的特殊位置，這一類是利用光學(xué)器件來測量曲率的[1-7]。還有的測量方法是利用攝像頭作傳感器，運用增強、復(fù)原、編碼、壓縮等圖像處理方法來進行曲率的測量[8-10]。測量對象曲率特征提取后，需要對其曲率半徑進行計算，通常計算法有三種：K余弦曲率提取法、待曲線平滑的差分曲率法、切線法和L曲率法，但是這些方法相對較為復(fù)雜，而三點法處理起來比較容易，單片機計算時，所帶來的計算量也比較小[11-16]。

本文采用的方法是結(jié)合激光測距傳感器和攝像頭，將三點法和圖像處理的方法測算出來的曲率相互補償，從而得到精度較高的電纜曲率半徑，實現(xiàn)對電纜曲率快且準(zhǔn)地測量。

1 測量系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

圖1 測量系統(tǒng)框圖

如圖1所示，根據(jù)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理思路，電纜曲率測量系統(tǒng)的框圖如圖所示。將激光測距法測量出來的距離，通過三點法測算出電纜曲率；攝像頭采用回來的圖像通過圖像處理方法計算電纜的曲率，然后將兩種方法測量出來的曲率相互補償，得到電纜曲率的最有計算值。

1.2 三點測距法

由于單純運用圖像處理，不僅代碼復(fù)雜，不利于集成在小型便攜式的裝置中，所以提出了激光三點測距+簡易圖像處理，通過閱讀大量的文獻，參考了以往測距的方案，提出了扇形小角度的測量距離方法。由于傳感器有儀器誤差，隨機誤差，測頭度數(shù)也有誤差。提出了只有選擇合適的測頭的夾角，才能使讀數(shù)誤差對圓度各次諧波測量結(jié)果的影響達到最小。許多文獻中考慮到測頭數(shù)據(jù)誤差對于測量精度影響和測頭角位置對于測量精度的影響，終止得到結(jié)論為如果諧波級次一定，而三個測頭之間的夾角是影響結(jié)果的最大因素。更有研究表明只有測頭角位置的轉(zhuǎn)動角度誤差小于1度時，測頭位置誤差所引入的測量誤差可以忽略。而三點法測量系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化上，有許多文獻采用的是蒙特卡羅方式，在諧波次數(shù)一定下，經(jīng)過程序的迭代的方式找到最佳角度，觀測不同角度下諧波誤差傳播規(guī)律。為了得到簡易的方式，經(jīng)常采用多圈測量方式來提高精度，單圈測量往往會有較大誤差，并且為了得到良好的曲率，采用小角度方式，而與真實值之間的誤差運用圖像處理的方式解決，如圖2所示。

圖2 三點測距法

1.3 圖像處理模塊

為了提高三點測量法的精度，需要加上圖像處理來加以補償，一方面測量在不同方向上會造成一定的曲率誤差，裝置必須智能的識別所測量的地點，加以補償，另一方面單單的三點測量法會帶來一定誤差，而圖像處理的算法上很好的契合這種誤差，通過對圖像處理算法了解上發(fā)現(xiàn)，圖像處理在對于三點測距所帶來的測距誤差能夠很好識別并且能在一定范圍來校正三點測距法在測頭數(shù)據(jù)上的誤差，使得最終結(jié)果更加可信。圖像處理算法有許多種，然而得到圖像不能馬上使用，必須對圖像進行去噪處理，有時為了得到圖像上某一方面的特征，往往需要對圖像進行分割，甚至對某些地方特征進行增強或尖銳化，以便提取出管道的有效信息。此次的圖像處理是運用在DSP上，很多圖像處理都是運行在PC機上，此次進行代碼簡易改寫，使得更好的運用在DSP上。

1.4 顯示模塊

由于在處理測距算法和圖像處理算法上復(fù)雜性強，液晶顯示的刷新程度需要實時的刷新，傳統(tǒng)的液晶顯示都是出于中斷的程序中進行，而本次顯示的數(shù)據(jù)采用另一種的方式進行顯示，先把固定顯示的數(shù)據(jù)放到RAM中，而實時變化的數(shù)據(jù)再采用通信由主控芯片給液晶實時顯示，這樣的好處是減低刷新頻率。對于裝置來說是一種保護，減少了液晶顯示亂碼的概率。能夠有效的，實時的得到彎曲度的信息。

2 曲率測量系統(tǒng)主要部件的選擇

2.1 主控芯片

圖3 主控芯片

如圖3所示，主控芯片采用的 是ST公司的STM32F103VET6，STM32F103VET6增強型芯片使用高性能的ARM?CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達512 K字節(jié)的閃存和64 K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。器件包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口：多達2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。

2.2 傳感器

圖4 激光測距模塊

如圖4所示，激光傳感器選擇參數(shù)有以下幾點：(1)測量范圍：0.03～30 m；(2)測量精度(標(biāo)準(zhǔn)差)：±1 mm；(3)距離單位：m；(4)激光類型：635 nm；(5)激光等級：Ⅱ級，<1 mW；(6)在距離m處光斑直徑：6 mm@10 m，30 mm@50 m；(7)防護等級：IP40；(8)工作溫度：-10～+60℃；(9)貯存溫度：-20～+80℃；(10) 重量：約60 g；(11) 尺寸(長×寬×高)：4.5 mm×3.8 mm×1.5 mm。

圖5 攝像頭模塊

如圖5所示，選擇帶FIFO模塊的OV7725作為測量系統(tǒng)圖像采集傳感器，這是源信豐電子推出的CMOS攝像模塊,是先進、節(jié)能的高精度相機的內(nèi)置式組件，它將實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)VGA影像的CMOS影像傳感器與高度集成的影像處理器、嵌入式電源和高質(zhì)量的透鏡組結(jié)合在一起，輸出JPEG圖像或視頻圖像，提供了完整的影像解決方案。該產(chǎn)品支持8/10位數(shù)字傳輸JPEG圖像和YCbCr接口。其小巧的體積，使設(shè)計人員即使在最小的應(yīng)用中仍可以增加攝像模塊。由于具有高度集成的特點，新型的攝像模塊不再需要配備任何外部器件，可以被簡便地應(yīng)用在移動電話和無線PDA的設(shè)計中，從而大大縮短了手機和PDA設(shè)計人員的產(chǎn)品面市周期。

2.3 人機交互設(shè)計

人機交互系統(tǒng)主要由按鍵和液晶屏實現(xiàn)，液晶屏可以對測量的數(shù)據(jù)和攝像頭采集的圖像實時顯示，也方便工作人員對準(zhǔn)被測對象，對實現(xiàn)電纜曲率快且準(zhǔn)的測量有很好的輔助作用。按鍵功能則可根據(jù)需要實現(xiàn)參數(shù)的選擇和界面的切換等輔助功能。

3 裝置測試結(jié)果

圖6 所研制的手持式 便攜電纜彎曲度自動測量儀

圖6所示為所研制的手持式便攜電纜彎曲度自動測量儀，該測試儀可在液晶上直接顯示曲率，并能長時間穩(wěn)定工作。同時電纜的處理算法在DSP上成功實現(xiàn)，準(zhǔn)確、可靠的將采集回來的圖像中的電纜信息提取出來。該裝置在不同位置測得同一段電纜管(測量的標(biāo)準(zhǔn)圓的曲率值為1 m-1)的曲率值如表1所示。

表1 不同位置測得的同一處電纜曲率

4 結(jié)束語

在實際的輸電電纜上進行了試驗的測量，所測得數(shù)據(jù)誤差能夠在一定接受范圍。并且試驗在不同方位上進行測量，發(fā)現(xiàn)在曲

率的補償上能夠很好契合實驗數(shù)據(jù)，證明所運用的算法或者公式是有效的。所顯示的數(shù)據(jù)是平穩(wěn)且精準(zhǔn)的，能夠很好的顯示出來，并且待機時間能夠長久。而此次最終的產(chǎn)品是簡易便攜式的，工作人員能夠很好的掌握并且使用，具有很好的顯示意義。

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The Development of a Handheld Cable Curvature Measuring Instrument

Lin Tianjin1,3, Wu Zhicheng1, Ye Kaiming1, Zeng Xiaoping2, Yang Changjia1, Yao Qinghuang1

(1.State Grid Quanzhou Power Supply Company, Quanzhou Fujian 362000, China;2. Fujian Vocational Institute of Electric Power, Quanzhou Fujian 362000, China;3. Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350108, China)

Cross-linked polyethylene insulated cables are now widely used in transmission cable engineering. Drawing forces appear in different directions at the curves in the bent section when cables are laid, and this would give rise to pressure which damage the cable. To facilitate the measurement of cable curvature, this paper presents a handheld measuring instrument, which combines the two sensor techniques of laser ranging and camera to compensate for the errors of the three-point method and the image processing method and to obtain cable curvature. Test results show that this measuring instrument has such advantages as high precision and high speed, and can perform real-time measurement of cable curvature and keep cable installation quality under effective control.

bending;three-point method;cable; laser ranging; image processing

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.035

TH74

A

1000-3886(2016)05-0112-03

林添進(1987-)，男，福建泉州人，學(xué)士，助理工程師，國網(wǎng)泉州供電公司，主要從事輸電電纜運檢工作。 吳志成(1976-)，男，福建泉州人，學(xué)士，高級工程師，國網(wǎng)泉州供電公司，主要從事輸電運檢管理工作。 葉開明(1988-)，男，福建泉州人，碩士，助理工程師，國網(wǎng)泉州供電公司，主要從事變電檢修工作。

定稿日期: 2016-06-25