基于改進(jìn)梯度差分法的非金屬材料斷裂伸長率檢測技術(shù)

王淑秀 司志澤 高靜 戚威

摘 要：本文對現(xiàn)有的非金屬材料斷裂伸長率的測試現(xiàn)狀進(jìn)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(diǎn)，根據(jù)相關(guān)的研究現(xiàn)狀，提出了基于改進(jìn)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(tài)閾值閾值來確定樣品是否發(fā)生了斷裂，然后進(jìn)行計算。通過系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)及測試結(jié)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(xiàn)自動測量。

關(guān)鍵詞：幀間差分法，斷裂伸長率，動態(tài)閾值，拉力試驗，機(jī)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(jī)械性能的一項重要項目，主要考核材料在一定環(huán)境條件下受力或能量作用時所表現(xiàn)出的特性。如果斷裂伸長率項目不達(dá)標(biāo)，材料在使用過程中，受到力的作用時，會出現(xiàn)損傷或破裂的情況，這就容易造成危險的發(fā)生。例如電纜的絕緣及護(hù)套，如果斷裂伸長率項目不合格，容易出現(xiàn)帶電導(dǎo)體裸露或線芯間短路，導(dǎo)致觸電危險。本文所指的非金屬材料是具有非金屬性質(zhì)（導(dǎo)電性導(dǎo)熱性差）的有機(jī)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(biāo)卡尺等。采用大變形引伸計，通常對拉力試驗機(jī)要求較高，一般為門式拉力機(jī)，占地面積較大，操作復(fù)雜，對XLPE（交聯(lián)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(guān)注拉伸情況，測量誤差因人而異，人為誤差占總誤差權(quán)重大。隨著圖像識別與圖像處理的迅速發(fā)展，采用圖像采集及處理成為最符合現(xiàn)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(yīng)用到非金屬材料拉伸領(lǐng)域，如方欽志等[2]在2006年利用圖像相關(guān)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(huán)境溫度下的拉伸性能進(jìn)行了試驗研究。孫偉等[3]利用數(shù)字圖像相關(guān)方法（DICM），測定了雙軸拉伸試驗條件下Précontraint 1202 Fluotop T2膜材的力學(xué)性能，并分析了該膜材的徐變特性，為膜材力學(xué)性能的檢測研究提供了新的途徑。熊磊[4]提出了基于數(shù)字圖像相關(guān)方法對材料拉伸變形進(jìn)行測量，并通過試驗進(jìn)行了驗證。高振斌等[5]、李盼生[6]利用相關(guān)方法在電纜護(hù)套拉伸試驗進(jìn)行了研究，陳俊松等[7]、張格悠等[8]提出了改進(jìn)光流法的電纜護(hù)套斷裂伸長的測量。

根據(jù)已提出的研究方法與實際非金屬材料檢驗檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求不一致等問題[9-11]，如電纜護(hù)套斷裂伸長率的檢測[11]，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)距為20 mm，標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出了一種基于改進(jìn)梯度幀間差分法的非金屬材料斷裂伸長率檢驗檢測技術(shù)。

1 改進(jìn)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(xù)的運(yùn)動目標(biāo)，幀和幀之間會有明顯地變化，對時間上連續(xù)的兩幀或三幀圖像進(jìn)行差分運(yùn)算，不同幀對應(yīng)的像素點(diǎn)相減，判斷灰度差的絕對值，當(dāng)絕對值超過一定閾值時，即可判斷為運(yùn)動目標(biāo)，從而實現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)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(dǎo)致每次檢測時，標(biāo)記點(diǎn)與背景對比度不同，對測量造成一定困難。因此在進(jìn)行幀間差分計算前，先進(jìn)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(jù)不同顏色標(biāo)記點(diǎn)與背景的對比度，同時由于樣品被拉伸時灰導(dǎo)致標(biāo)記點(diǎn)的顏色變淺，對應(yīng)圖像的的灰度值的會發(fā)生變化，這就需要通過動態(tài)閾值來確定標(biāo)記點(diǎn)。通過試驗發(fā)現(xiàn)，拉伸長度與閾值滿足一定的線性關(guān)系，如圖1所示。

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

2 系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行標(biāo)記，將樣品用夾具固定，通過相機(jī)兩側(cè)的LED燈確保光源的穩(wěn)定，CMOS相機(jī)對拉伸過程進(jìn)行圖像采集，在計算機(jī)上通過人機(jī)交互界面可以實時看見電纜的拉伸狀況，并通過動態(tài)閾值法和梯度幀差法對此時是否斷裂進(jìn)行判斷，當(dāng)發(fā)生斷裂后相機(jī)停止采集圖像并輸出斷裂前的拉伸長度。然后對其進(jìn)行后續(xù)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(shè)計方面，程序開發(fā)方面運(yùn)用pycharm搭載python-opencv3.6.12，界面開發(fā)選用QT5，python為編程語言，利用OpenCV視覺庫來實現(xiàn)相應(yīng)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(jī)，然后夾好樣品后，開始測量，系統(tǒng)會自動檢測連接的相機(jī)，“顯示圖像”框中對采集的視頻進(jìn)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(jié)果圖片”記錄斷裂的那一幀圖像，最大斷裂伸長結(jié)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(jié)合筆者工作便利，樣品測試選用成品電線電纜的絕緣及護(hù)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(hù)套顏色為黃色。依據(jù)GB/T 2951.11-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[11]，絕緣為管狀，長度為100 mm，護(hù)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(biāo)上兩條標(biāo)記線，間距為20 mm。

具體檢測結(jié)果見圖5。

測試時，當(dāng)按下開始檢測按鍵，系統(tǒng)會自動檢測連接的相機(jī)，“顯示圖像”框中對采集的視頻進(jìn)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(jié)果圖片”中斷裂的那一幀圖像，“最大拉力結(jié)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(shù)據(jù)顯示，測量結(jié)果相對人工測量值小，說明在拉伸斷裂瞬間，機(jī)器比人工對結(jié)果的判斷更為精確，結(jié)果也就更為精確。

4 結(jié) 論

本文提出基于改進(jìn)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(tǒng)設(shè)計，從軟硬件上進(jìn)行了實現(xiàn)，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(dāng)然，由于非金屬材料的多種多樣，如本色交聯(lián)聚乙烯（XLPE），在測量時，難以實現(xiàn)，如何全色譜進(jìn)行測量，還需要測量方法或是軟件的進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

王淑秀，碩士，工程師，研究方向為檢驗檢測技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。

司志澤，通信作者，碩士，高級工程師，研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置。

（責(zé)任編輯：袁文靜）