電纜壓痕激光測量系統(tǒng)設(shè)計與不確定度分析

許周達(dá)， 蘆 韓， 許 睿， 黎建軍， 王斌銳

(1.中國計量大學(xué)機電工程學(xué)院，浙江杭州310018；2.河南省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測院，河南鄭州450000；3.中國計量大學(xué)工程訓(xùn)練中心，浙江杭州310018)

1 引 言

高溫壓力試驗是聚氯乙烯材料電線電纜常見的檢驗項目之一。目前國內(nèi)外電纜高溫壓力試驗方法均是按照IEC 60811執(zhí)行，即將電纜試樣放在支架上，試樣上負(fù)重矩形刀片，刀片上裝載對應(yīng)電纜外徑的砝碼，隨后將支架放入空氣烘箱中，待規(guī)定熱老化時間結(jié)束后冷卻。當(dāng)試樣外徑小于6 mm，試驗人員用刀片手工垂直軸向在冷卻后形成的凹痕處和臨近壓痕處3～5 mm區(qū)域內(nèi)未受壓處分別切取兩張薄片，然后在投影儀或測量顯微鏡下分別測量凹痕點以及臨近點的厚度，再用兩值相減得出實際凹痕的深度；當(dāng)試樣外徑大于6 mm，試驗人員則經(jīng)過電纜壓痕最深點沿電纜軸向切取一窄條薄片，在投影儀或讀數(shù)顯微鏡下測量凹痕中心點以及未壓處連線的距離[1，2]。

分析上述測試過程，該測試方法存在以下問題：測量過程對人工切片技術(shù)要求高，難以實現(xiàn)高精度測量；在切片前需要準(zhǔn)備時間，絕緣材料會發(fā)生回彈而引起誤差；該試樣刀口與試樣標(biāo)記線是否垂直將影響刀口壓痕的形態(tài)，直接影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，而試驗者僅憑肉眼無法識別該壓痕是否可信；需要測試人員在投影儀上尋找壓痕最薄點和試樣標(biāo)記線臨近點絕緣厚度進(jìn)行測量，較難實現(xiàn)準(zhǔn)確定位；該方法是有損測量，不具備反復(fù)測量條件。

針對人工測量方法的缺陷和不足，本文設(shè)計了電纜壓痕自動測量系統(tǒng)，包括一套用于測量電纜試樣壓痕的夾具和試驗裝置，一套用于分析測量數(shù)據(jù)并計算檢測結(jié)果的軟件。高溫壓力實驗的結(jié)果有較大的離散性，存在不確定度，故進(jìn)行項目的符合性判定時，應(yīng)該考慮檢測結(jié)果的不確定度分析[3，4]。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 夾具設(shè)計

電纜在壓痕和測試時二次裝卡會造成測試誤差，故需要保證整個過程中電纜試樣姿態(tài)不變，設(shè)計了一套固定電纜的夾具，該夾具能夠固定不同線徑的電纜，具有較好的通用性。夾具主體設(shè)計為V型臺，兩側(cè)面開有矩形槽。將校直后的電纜試樣放在V型槽中，兩端通過扎帶穿過矩形槽將電纜試樣固定在夾具上。在壓痕時，需要保證電纜試樣的壓痕形態(tài)，防止壓痕歪斜，故在V型槽上表面中間位置有4個通孔，通過4根銅柱固定壓刀，使壓刀垂直于電纜試樣。夾具表面的兩端分別有兩個通孔，通過圓柱銷與電控二維移動平臺固定，使夾具穩(wěn)定固定在二維移動平臺上，避免在平臺運動過程中夾具晃動對測試結(jié)果造成影響。

2.2 測試系統(tǒng)平臺設(shè)計

為了模擬人工方法，設(shè)計了相應(yīng)的測試系統(tǒng)平臺,測試平臺如圖1所示。

圖1 測試平臺Fig.1 testing platform

該測試系統(tǒng)平臺主要分為傳感部分，電纜移動部分和人機交互部分。

傳感部分選用激光傳感器，其優(yōu)點是速度快，精度高[5，6]，符合系統(tǒng)要求。電纜移動部分主要由二維移動平臺、裝載電纜的夾具、步進(jìn)電機和運動控制板卡組成,如圖2所示。步進(jìn)電機驅(qū)動器收到運動控制板卡的脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，通過滾軸絲杠進(jìn)而驅(qū)動二維移動平臺。在移動平臺兩個維度上放置接近開關(guān)，防止平臺移動超出行程。人機交互部分主要為工控一體機及系統(tǒng)上位機軟件。

圖2 移動平臺Fig.2 motion platform

2.3 動態(tài)測試流程

搭建平臺之后，需要確定測試流程。如圖3所示,在人工測試中，當(dāng)試樣外徑大于6 mm，試驗人員經(jīng)過電纜壓痕最深點沿電纜軸向切取一窄條薄片，在投影儀或讀數(shù)顯微鏡下測量壓痕中心點以及未壓處連線的距離，一般可以判斷未壓痕處在離壓痕最深點3～5 mm。如圖3所示。

圖3 投影儀下切片圖Fig.3 Slice figure under the projector

基于人工測量，設(shè)計了自動測量系統(tǒng)流程。自動測量方法如圖4所示。

圖4 測試流程Fig.4 Test flow figure

(1) 激光點打在電纜任意一點，移動y軸第一次掃描，確保沿y軸掃瞄到整條電纜，獲得數(shù)據(jù)集。以數(shù)據(jù)集極大值作中心點，傳感器精度為半徑，得到區(qū)間。第二次掃描，當(dāng)實時測量值落在區(qū)間內(nèi)則停止掃描，確定電纜剖面的最高點A。

(2) 確定最高點后，沿x軸開始測量，原始數(shù)據(jù)集為CD之間的電纜，圖中表示為點劃線的線段。

(3) 對原始數(shù)據(jù)段進(jìn)行分析，判斷存在壓痕，然后得到最低點的測量值點B，同時，取在x軸方向上離點B兩側(cè)3～5 mm各取E,F兩點。

(4) 將CE段數(shù)據(jù)和FD段的原始集進(jìn)行最小二乘擬合，獲取擬合出的直線，圖中表示為實線段CE，F(xiàn)D和虛線段EF。

(5) 通過點B的橫坐標(biāo)對應(yīng)得到在EF中的點B′，點B′的縱坐標(biāo)減去點B的原始測量值即為壓痕的深度值。在圖中表示為BB′的長度值。

2.4 人機交互設(shè)計

人機交互通過編寫的軟件實現(xiàn)。如圖5所示。

圖5 軟件界面Fig.5 Software interface

該軟件主要有控制伺服運動和數(shù)據(jù)采集存儲的功能。伺服控制方面，分為y軸定位電纜最高點及移動x軸。當(dāng)通過y軸定位到電纜橫截面最高點后，開始移動x軸采集數(shù)據(jù)，可以獲取實時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，當(dāng)x軸停止運動之后，獲取存儲的數(shù)據(jù)，輸出存儲數(shù)據(jù)的文本文件及圖表。具體軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow chart

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 濾波處理

3.2 壓痕判斷

圖7 電纜數(shù)據(jù)圖Fig.7 Figure of cable data

任意選擇一段線徑的電纜進(jìn)行測試，如圖7(a)所示，可以看出壓痕的下降沿和上升沿并不是豎直的，故并不能直觀地判斷出壓痕的具體位置，需要進(jìn)行數(shù)學(xué)方法判斷。對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理濾波之后，對濾波數(shù)據(jù)集進(jìn)行判斷，以便進(jìn)行后續(xù)計算。本文用采用差分方法，定義一個變量Δ(t)=y(t)-y(t-1)，當(dāng)存在一個數(shù)據(jù)集{Δ(t)，Δ(t+1)，…，Δ(t+n)}，使得每一個元素都小于或者大于0時，判斷已經(jīng)是壓痕區(qū)域；否則認(rèn)為該段的數(shù)據(jù)來源于非壓痕段電纜。綜合多次實驗結(jié)果，本文中n取9。在圖7(a)中，判斷出的壓痕段用顏色較深曲線表示。

3.3 結(jié)果分析

4 實例測量及不確定度分析

在本文實例測量中，測試對象為線徑大于6 mm的電纜，對電纜取3等分高溫高壓處理之后進(jìn)行壓痕測量，取3者測量值中位數(shù)作為最終測量結(jié)果，之后對最終測量結(jié)果進(jìn)行不確定度分析。目前，測量結(jié)果不確定度的評定一般是采用GUM(Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement)提供的方法[10]。

4.1 測量模型

電纜的壓痕測試的測量模型為：

4.2 各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

本實驗在一段試樣測量中只進(jìn)行一次預(yù)測，故：

其中：

式中n表示電纜觀測擬合的原始數(shù)據(jù)個數(shù)。

對線徑大于6 mm的電纜取3等分段所測得的數(shù)據(jù)如表1所示，由于不確定度公式中的計算要求，故對于其他數(shù)據(jù)也做了計算。

表1 3等分段電纜測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of three same cables

2.實際測定值輸入量y*的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(y*)評定

(1) 測量重復(fù)性引起的不確定度u1(y*)

用激光傳感器在重復(fù)性條件下對第1段電纜試樣連續(xù)測量10次，得到1組最低點值的測量數(shù)據(jù)(mm)：-0.012 5，-0.012 5，-0.012 5，-0.012 0，-0.012 5，-0.012 0，-0.012 0，-0.012 5， -0.012 5， -0.012 0。采用A類方法評定[12]，由于只取其中一次做測量結(jié)果，故

(2) 移動平臺的平行度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2(y*)

移動平臺的運動平行度為0.015 mm，屬均勻分布[13]，采用B類方法評定，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(3) 激光傳感器示值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3(y*)[14]

激光傳感器的示值誤差為0.005 mm，屬于均勻分布，采用B類方法評定，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(4) 輸入量y*的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(y*)

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算

各個不確定度分量各自獨立，故不確定度:

4.4 擴展不確定度的評定

置信區(qū)間為95%時，取包含因子k=2，則擴展不確定度表示為：U=kuΔd=0.028 mm[15]。

4.5 電纜測試結(jié)果

電纜的壓痕深度測量結(jié)果為(2.548±0.028) mm。

5 結(jié) 論

(1) 設(shè)計的自動測量電纜深度系統(tǒng)，自動獲取數(shù)據(jù)，通過對滑動平均濾波后的數(shù)據(jù)集進(jìn)行差分運算，能夠準(zhǔn)確判斷壓痕，對非壓痕處數(shù)據(jù)作線性回歸處理從而得到壓痕深度，重復(fù)性精度高，證明了該測量方案的可行性。

(2) 相對于傳統(tǒng)人工測量，測試時間減少，效率提高，操作簡單，降低了對測試人員的專業(yè)技能要求，減少了不確定度來源。無損測量保證了可重復(fù)試驗，從而提高測量精度。

(3) 測量的主要不確定度來源于移動平臺的平行度，在后續(xù)改進(jìn)中，可以將點激光變?yōu)榫€激光或面激光，通過重建電纜輪廓確定壓痕深度，避免移動平臺平行度的引入，提高測量精度。