電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸測試儀的誤差分析及量值溯源方法

劉亞俊 / 宜興市產(chǎn)品質(zhì)量和食品安全檢驗(yàn)檢測中心

0 引言

目前，在線纜行業(yè)中，電纜企業(yè)已廣泛使用電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸測試儀代替投影儀來測量電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，測量更便捷高效，消除了人為讀取示值的誤差[1-2]。但是該測試儀是否準(zhǔn)確，需要經(jīng)過計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)量值溯源。鑒于該儀器無相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量技術(shù)規(guī)范可供技術(shù)參考，本文結(jié)合儀器廠家提供的技術(shù)參數(shù)，對儀器的測量原理及應(yīng)用誤差進(jìn)行了分析，并研究了儀器的計(jì)量性能，設(shè)計(jì)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)板，提出了科學(xué)、合理的量值溯源方法。

1 測量原理

電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸測試儀是線纜行業(yè)中一款全自動電線電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸測量系統(tǒng)，采用機(jī)器視覺測量方式，通過鏡頭和工業(yè)相機(jī)獲取電纜絕緣層切片的圖像，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件系統(tǒng)，直接獲得電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（厚度、外徑、偏心度等）。

測試儀包括硬件和軟件兩部分，硬件部分由多個不同規(guī)格的鏡頭成像系統(tǒng)、光源和計(jì)算機(jī)組成；軟件部分以Visual Basic或Visual C++為工具，實(shí)現(xiàn)了電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸測量[3-4]。不同規(guī)格的鏡頭成像系統(tǒng)對應(yīng)不同的視場范圍，一般分為≤10 mm、10～50 mm、50～130 mm三個范圍。

測量時，將電纜切片試樣平置于測試儀工作臺玻璃臺面上，根據(jù)試樣直徑大小，選擇對應(yīng)的鏡頭，移至視場測量區(qū)域。在軟件操作界面上選擇試樣對應(yīng)的測量模型，點(diǎn)擊一鍵測量鍵，1～2 s即可獲得試樣的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)。

2 測量誤差分析

電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸測量中，測量數(shù)據(jù)的誤差來源有三個方面：一是儀器的硬件；二是視場光源強(qiáng)度；三是儀器測量系統(tǒng)算法。

2.1 儀器硬件對測量誤差的影響

作為機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一的鏡頭與工業(yè)相機(jī)配合使用，即光線通過鏡頭聚焦在相機(jī)內(nèi)部的圖像傳感器上成像。目前，測試儀采用的鏡頭有普通鏡頭和遠(yuǎn)心鏡頭，普通鏡頭在成像時易產(chǎn)生畸變和失真，帶來的誤差則需在軟件的算法中予以修正。而遠(yuǎn)心鏡頭具有高分辨力、低失真率和寬景深，可有效降低圖像變形和視角選擇造成的誤差，避免被測件厚度對測量的影響[5]。

成像光軸和透射照明光軸對工作臺玻璃臺面的垂直度是造成圖像測量誤差的關(guān)鍵因素。測試儀采用定向透射照明的方式，照明方向不垂直于切片試樣時，會產(chǎn)生圖像變形，造成透射誤差。照明光軸平行于成像光軸，且垂直于切片試樣時，會使切片試樣輪廓非常銳利，也減少了透射變形。如機(jī)器鏡頭和透射照明光源安裝時與工作臺玻璃臺面存在一定的垂直角度偏差，可采用標(biāo)準(zhǔn)鋼球法測得測試儀在使用時帶來的固定示值誤差。

2.2 視場光源強(qiáng)度的影響

測試儀使用的是透射照明光源，采用白色光居多。光源強(qiáng)度欠飽和，圖像比較模糊，邊緣提取不準(zhǔn)確；光源強(qiáng)度過飽和時，會造成圖像邊緣的偏移，產(chǎn)生邊緣位置誤差。選擇合適的光源強(qiáng)度，才能保證試樣的成像質(zhì)量。光照度一般控制在1 000～1 500 lx[6]。

2.3 儀器測量系統(tǒng)算法的影響

測量系統(tǒng)中關(guān)鍵的內(nèi)容是像素的標(biāo)定和圖像邊緣的檢測定位。為得到被測對象的實(shí)際尺寸，須建立實(shí)際物理尺寸和像素尺寸之間的關(guān)系，即標(biāo)定每一個像素。像素的標(biāo)定算法要考慮視場不同位置、切片試樣厚度變化造成物距變化帶來的影響。邊緣檢測算法對圖像邊緣的提取是否準(zhǔn)確，會帶來一定的定位誤差。測量系統(tǒng)算法對測量誤差的影響可通過與標(biāo)準(zhǔn)板測量值比較獲得[7-8]。

3 誤差減小的控制措施

儀器使用時，為減小電纜絕緣層尺寸測量誤差，可采取的控制措施有：

1）根據(jù)儀器的參數(shù)說明，使用前用廠家配套的標(biāo)準(zhǔn)板檢驗(yàn)示值參數(shù)，選擇合適的光源亮度，避免過亮或過暗。

2）保證切片制取的質(zhì)量。電纜絕緣層切片的制取是測量其結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，切片應(yīng)與試樣導(dǎo)電線芯軸線垂直。為控制切片的厚度及均勻性，電纜廠家配置的切片裝置尤為重要，需具備足夠鋒利的刀具，制取的切片應(yīng)盡可能薄，避免試片在測量時產(chǎn)生虛影。

4 儀器的量值溯源方法

對電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸測試儀的校準(zhǔn)，主要校準(zhǔn)的計(jì)量特性有成像光軸和透射照明光軸與工作臺玻璃臺面的垂直度、尺寸示值誤差（直徑、厚度）和參數(shù)誤差（偏心度）、圖像成像的一致性[9-10]。

校準(zhǔn)方法如下：

1）成像光軸和透射照明光軸與工作臺玻璃臺面的垂直度。在不同的鏡頭下，由確定的景深數(shù)據(jù)，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)鋼球，即鋼球的半徑大小在景深范圍之內(nèi)，鋼球的級別為G5以上，一般取2.0 mm規(guī)格。測量系統(tǒng)采用測量標(biāo)準(zhǔn)圓的模式，直接獲得鋼球的直徑數(shù)據(jù)Di，由式（1）計(jì)算垂直角度偏差θ。

式中：D——標(biāo)準(zhǔn)鋼球的直徑標(biāo)準(zhǔn)值，mm；

Di——標(biāo)準(zhǔn)鋼球的直徑測量數(shù)據(jù)，mm

2）尺寸示值誤差（直徑、厚度）和參數(shù)誤差（偏心度）。不同的鏡頭，對應(yīng)不同的視場范圍，選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行直徑、厚度示值和偏心度校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)板設(shè)計(jì)為非同心的圓環(huán)（如圖1），模擬了三層電纜絕緣層結(jié)構(gòu)，從里往外依次為導(dǎo)體、內(nèi)層、中間層和外層。標(biāo)準(zhǔn)板的參數(shù)有圓直徑、圓環(huán)厚度和偏心度（偏心度等于圓環(huán)的最大與最小厚度之差除以最大厚度）。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1、表2、表3，直徑尺寸偏差控制在±0.002 mm范圍內(nèi)，其厚度大小為1.0 mm。選擇相應(yīng)的雙層圓環(huán)測量模式，直接獲取外圓直徑、厚度和偏心度示值，與標(biāo)準(zhǔn)板量值溯源的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[11]。

圖1 非同心圓環(huán)標(biāo)準(zhǔn)板

表1 非同心圓環(huán)標(biāo)準(zhǔn)板的參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（內(nèi)層）單位：mm

表2 非同心圓環(huán)標(biāo)準(zhǔn)板的參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（外層）單位：mm

表3 非同心圓環(huán)標(biāo)準(zhǔn)板的參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（中間層）單位：mm

3）圖像成像的一致性?？紤]到測試儀是一鍵式全自動測量方式，無需鏡頭上下調(diào)焦等，需評定圖像成像的一致性。在不同規(guī)格鏡頭下，選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)板，按照雙層圓環(huán)測量模式，對外圓直徑參數(shù)測量示值，并在標(biāo)準(zhǔn)板下方分別墊0.5 mm、1.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)膜片依次讀取示值，計(jì)算三次示值的最大差值作為圖像成像一致性的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸測試儀的示值誤差需要通過計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的量值溯源來評定，在實(shí)際使用中會由切片質(zhì)量和透射光源產(chǎn)生測量誤差。做好電纜絕緣層結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的量值溯源才能確保產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。