基于儀器視覺的絕緣層檢測(cè)最佳曝光率研究

劉兆秀，李 靜

(蘇州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)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(gè)基本且重要的構(gòu)件，它不但可以讓電流不外流從而達(dá)到正常傳輸?shù)哪康?，而且可以隔絕導(dǎo)體上的電壓，保護(hù)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(biāo)，直接與其耐受電壓強(qiáng)度、絕緣電阻等多項(xiàng)安全性能指標(biāo)相關(guān)[1]。在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，電線電纜的耐電壓水平不但與絕緣層的厚度有關(guān)，而且與絕緣層的材料種類密切相關(guān)[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(lián)聚乙烯(Cross Linked Polyethylene,XLPE)、橡膠等。另外，在環(huán)境高溫和外界機(jī)械力等因素的作用下，電線電纜絕緣層的熱變形能力也會(huì)受到極大的影響[3]。因此，在電線電纜的質(zhì)量檢測(cè)中，絕緣厚度是必須要檢測(cè)的項(xiàng)目，現(xiàn)行的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法》(GB/T 2951.11—2008)第11部分：通用試驗(yàn)方法厚度和外形尺寸測(cè)量機(jī)械性能試驗(yàn)，該方法適用于最普通類型的絕緣和護(hù)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(jié)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(jīng)濟(jì)效益的[5]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，將數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量已是必然的趨勢(shì)[6]。然而，在圖像檢測(cè)的過程中，圖像處理與模式識(shí)別的算法成為了關(guān)鍵，能否準(zhǔn)確地得到圖像，能否正確地判斷出圖像中的信息，能否準(zhǔn)確地判定圖像的邊緣，是圖像檢測(cè)方法的重中之重[7]。針對(duì)這一問題，F(xiàn)an C L等[8]通過軟件編程來完善圖像的去噪和邊緣檢測(cè)，為了很好地檢測(cè)邊緣，其選擇使用二進(jìn)制形態(tài)算子。除此之外，研究者們嘗試使用各種先進(jìn)的算法來解決數(shù)字圖像處理技術(shù)中出現(xiàn)的邊緣檢測(cè)難題，比如周明翰等[9]利用改進(jìn)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(chǎn)生的邊緣鋸齒。樊春玲等[10]以C++為平臺(tái)，將絕緣層的圖像二值化處理后運(yùn)用Roberts算子對(duì)其進(jìn)行邊緣檢測(cè)，利用邊緣輪廓特征計(jì)算出絕緣層參數(shù)。Fan C L[11]將傳統(tǒng)的Canny算法進(jìn)行改進(jìn)，不但保留了傳統(tǒng)算子的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)一步提高了抑制偽邊緣的能力和自動(dòng)化程度，也是一種有效的方法。

本研究對(duì)電線電纜絕緣厚度的檢測(cè)設(shè)備從手動(dòng)投影儀進(jìn)化到自動(dòng)控制檢測(cè)儀——WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測(cè)儀，與傳統(tǒng)的投影儀和二次元測(cè)量機(jī)不同，WIT-1針對(duì)電線電纜絕緣厚度的檢測(cè)，采用了先進(jìn)的機(jī)器視覺、圖像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)和云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電線電纜絕緣層的樣品識(shí)別、多個(gè)樣品同時(shí)全自動(dòng)測(cè)量、顏色識(shí)別、自動(dòng)生成原始記錄及報(bào)表、檢測(cè)照片保存、測(cè)量結(jié)果推送至檢測(cè)機(jī)構(gòu)技術(shù)管理層等特色功能，使檢測(cè)效率加快，準(zhǔn)確度提高。然而，在使用WIT-1檢測(cè)的過程中，曝光率不同會(huì)導(dǎo)致儀器識(shí)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(huì)模糊，導(dǎo)致儀器無法很精準(zhǔn)地識(shí)別邊緣線，從而影響絕緣厚度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

在保持原設(shè)備圖像處理與模式識(shí)別的算法不變的情況下，為了明確WIT-1中曝光率對(duì)電線絕緣厚度檢測(cè)結(jié)果的影響，本研究選用兩種常用型號(hào)的電線(紅色BYJ 2.5和紅色BV 2.5)，分別使用兩臺(tái)檢測(cè)儀器(23JB臺(tái)式投影儀和WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測(cè)儀)測(cè)量其絕緣厚度，其中對(duì)WIT-1設(shè)置不同的曝光率：1～100。對(duì)不同電線、不同儀器、不同曝光率的絕緣厚度檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，確定使用WIT-1檢測(cè)電線絕緣厚度時(shí)的最佳曝光率，減少檢測(cè)員使用儀器前的校準(zhǔn)調(diào)試頻率和時(shí)間，提高檢測(cè)速度和準(zhǔn)確度。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選用兩種工程上比較常用的電線來進(jìn)行絕緣厚度檢測(cè)，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(biāo)準(zhǔn)《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法》(GB/T 2951.11—2008)[4]。

1.2 試驗(yàn)方法

本研究依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法》(GB/T2951.11—2008)[4]試驗(yàn)步驟，使用兩臺(tái)檢測(cè)儀器對(duì)樣品的絕緣厚度進(jìn)行測(cè)量，包括：23JB臺(tái)式投影儀和WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測(cè)儀。

使用WIT-1檢測(cè)時(shí)，將樣品放置在屏幕中央，放置好之后蓋上蓋子，設(shè)置不同的曝光率(1～100)。為了確保測(cè)量結(jié)果的可靠性，采用控制變量法，每個(gè)樣品測(cè)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(dòng)，測(cè)量結(jié)束之前蓋子不可以打開等。即便如此，在同一曝光率之下，對(duì)同一樣品測(cè)量出的絕緣厚度也有一點(diǎn)點(diǎn)不同，因此，本研究對(duì)每個(gè)樣品的每個(gè)曝光率測(cè)量10次，計(jì)算其平均值。

使用23JB臺(tái)式投影儀檢測(cè)時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法》(GB/T2951.11—2008)[4]要求，測(cè)量樣品上的6個(gè)點(diǎn)。實(shí)際操作時(shí)，將樣品放置在投影儀的工作面上，從最薄點(diǎn)開始，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法先測(cè)量2個(gè)點(diǎn)，然后將工作盤旋轉(zhuǎn)60°，接著用同樣的方式測(cè)量2個(gè)點(diǎn)，再次將工作盤旋轉(zhuǎn)60°，最后測(cè)量2個(gè)點(diǎn)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《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(lián)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(shí)，《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法》(GB/T2951.11—2008)規(guī)定，若規(guī)定的絕緣厚度為0.5 mm及以上時(shí)，讀數(shù)應(yīng)測(cè)量到小數(shù)點(diǎn)后2位(以mm計(jì))，若規(guī)定的絕緣厚度小于0.5 mm時(shí)，則讀數(shù)應(yīng)測(cè)量到小數(shù)點(diǎn)后3位，第三位為估計(jì)數(shù)[4]。所以，本次測(cè)量結(jié)果讀到小數(shù)點(diǎn)后2位。

2 結(jié)果與討論

使用WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測(cè)儀對(duì)紅色BYJ2.5和紅色BV2.5的樣品進(jìn)行絕緣厚度的檢測(cè)，首先設(shè)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(cè)量圖像。

由圖1可知，對(duì)于同一個(gè)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(shè)備中被識(shí)別出的顏色也不相同。肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，曝光率越大，樣品顏色越淺。但是WIT-1設(shè)備識(shí)別的結(jié)果是：對(duì)于紅色BV2.5樣品，曝光率為1、30和40的時(shí)候樣品被識(shí)別為黑色，曝光率為10和20的時(shí)候樣品被識(shí)別為紅色，曝光率為50～100的時(shí)候樣品被識(shí)別為黃色；對(duì)于紅色BYJ2.5樣品，曝光率為1的時(shí)候樣品被識(shí)別為黑色，曝光率為10和20的時(shí)候樣品被識(shí)別為紅色，曝光率為30～100的時(shí)候樣品被識(shí)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(duì)于兩個(gè)型號(hào)的樣品，當(dāng)曝光率為10和20的時(shí)候，WIT-1設(shè)備識(shí)別的顏色是準(zhǔn)確的。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析，得到兩種樣品在1～100曝光率下的絕緣厚度，對(duì)每個(gè)曝光率下測(cè)得的10次數(shù)據(jù)求平均值，得到如圖2所示的結(jié)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(tái)式投影儀中測(cè)量的結(jié)果。由圖2可知，對(duì)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?yàn)?，?dāng)曝光率為1時(shí)，檢測(cè)環(huán)境的光源較暗，與紅色樣品之間邊界不夠清晰，設(shè)備識(shí)別到的邊緣區(qū)域就會(huì)比實(shí)際要大。隨著曝光率逐漸增大，樣品在設(shè)備中的圖像經(jīng)歷了一個(gè)逐漸清晰到失真的過程，曝光率過大，會(huì)導(dǎo)致樣品的邊緣“消失化”，從而檢測(cè)到比實(shí)際更小的厚度。

使用23JB臺(tái)式投影儀測(cè)量電線絕緣厚度時(shí)，受主觀因素和讀數(shù)準(zhǔn)確度的限制，通常檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際厚度之間會(huì)有0.05 mm左右的誤差。所以，當(dāng)WIT-1中的曝光率為1～10時(shí)，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際厚度最為接近。結(jié)合到設(shè)備對(duì)樣品顏色判斷的準(zhǔn)確度，最終將曝光率縮小在2～10的范圍內(nèi)，得到如圖3的試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)曝光率為2～10的時(shí)候，其測(cè)量結(jié)果是比較穩(wěn)定的，每個(gè)曝光率下設(shè)備識(shí)別到樣品的顏色均為“紅色”，符合實(shí)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(duì)曝光率2～10的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，得到如圖4所示的結(jié)果。

(a)BV25

(b)BYJ25

由圖4可知，對(duì)于兩種樣品來說，曝光率為2的測(cè)量結(jié)果均為最大，也都最接近使用23JB臺(tái)式投影儀測(cè)量的結(jié)果；當(dāng)曝光率為3～10時(shí)，BV2.5樣品的測(cè)量結(jié)果均為0.71 mm，BYJ2.5樣品的測(cè)量結(jié)果變化也非常小，僅有0.01 mm的差異。因此，曝光率為3～10時(shí)WIT-1對(duì)電線絕緣厚度的測(cè)量結(jié)果最接近實(shí)際厚度。由于以上絕緣厚度平均值都是經(jīng)過10次同條件測(cè)量得出，為了減少測(cè)量次數(shù)，節(jié)約時(shí)間成本，本研究進(jìn)一步分析曝光率為3～10時(shí)，測(cè)量結(jié)果的離散程度。

圖5顯示了當(dāng)曝光率為3～10的時(shí)候，BV2.5和BYJ2.5兩種樣品10次測(cè)量結(jié)果的離散程度，即每組結(jié)果自其平均值分散開來的程度。由圖5可知，對(duì)于BV2.5樣品，曝光率為8時(shí)離散程度最低，為0.000 7；對(duì)于BYJ2.5樣品，曝光率為10時(shí)離散程度最低，為0.0001。離散程度越低，表明一組數(shù)的測(cè)量結(jié)果與其平均值分布得越接近，對(duì)應(yīng)的每次測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度就越大。因此，使用WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測(cè)儀測(cè)量時(shí)，對(duì)于BV2.5樣品，推薦的最佳曝光率為8；對(duì)于BYJ2.5樣品，推薦的最佳曝光率為10。

圖5 曝光率為3～10時(shí)絕緣厚度的離散程度

3 結(jié) 論

本研究使用兩種儀器(23JB臺(tái)式投影儀和WIT-1電線電纜絕緣層厚度檢測(cè)儀)對(duì)兩種常用型號(hào)的電線(紅色BYJ 2.5和紅色BV 2.5)進(jìn)行絕緣厚度的測(cè)量，通過對(duì)WIT-1設(shè)置不同的曝光率(1～100)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量和定性分析，并與23JB臺(tái)式投影儀的測(cè)量結(jié)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(jié)論。

1)曝光率不同，樣品在WIT-1設(shè)備中被識(shí)別出的顏色也不相同。當(dāng)曝光率為2～20的時(shí)候，WIT-1設(shè)備識(shí)別的顏色是準(zhǔn)確的。

2)當(dāng)曝光率為1～100時(shí)，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(dāng)曝光率為2～10的時(shí)候，WIT-1設(shè)備的測(cè)量結(jié)果比較穩(wěn)定。其中，當(dāng)曝光率為3～10時(shí)，BV2.5樣品的測(cè)量結(jié)果均為0.71 mm，BYJ2.5樣品的測(cè)量結(jié)果之間僅有0.01 mm的差異。

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

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