CN110017788B - 基于激光测距的电缆压痕自动测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光测距的电缆压痕自动测试方法。本发明通过软件对运动控制板卡发送指令，从而驱动电机实现对装有待测电缆试样夹具的二维移动平台的控制，同时激光传感器进行数据采集与存储，得到数据集。对于获得的数据集进行滑动平均滤波处理，滤波后的数据通过差分方法实现对压痕位置的判断，从而获得压痕段和未压痕段的数据，选取压痕段的关键点，并以关键点为界对数据进行拟合，得到激光传感器到压痕段与未压痕段的距离，两段距离相减得到压痕深度。本发明大大缩短测试时间，减少人工成本，实现无损测试，节省实验成本，杜绝人为因素和实验方法因素引入的系统误差，提高测量精度，测试数据实现数字化传递，可快速统计和存储。

Description

基于激光测距的电缆压痕自动测试方法

技术领域

本发明属于电缆性能测试技术领域，具体是基于激光测距的电缆压痕自动测试方法，用于实现电缆压痕的自动无损测量。

背景技术

电缆高温压力试验是电缆较为常见的性能测试项目，是指电缆绝缘或保护套在一定温度下受外界机械力而变形后，当除去外力、降低温度时的恢复能力，用于考核电缆绝缘材料在高温状态下的抗压性能，它是评判电缆产品质量的常用指标。

目前国内外电缆高温压力试验方法均是按照GB/T2951.31-2008/IEC60811-3-1:1985《电缆和光缆绝缘和保护套材料通用试验方法-高温压力试验-抗开裂试验》进行试验操作。即：从长度约250～300mm被试绝缘线芯样段上截取3个相邻的试样，每个试样长度约为50～100mm；根据试样的外径、厚度计算出刀具在试样上应该施加的压力，压刀由刀口厚度为0.7±0.01mm的矩形刀片组成，沿垂直于试样轴线的方向施加压力；试样在80℃的空气烘箱加热4～6h；加热结束后，在压力作用下迅速冷却，冷却至室温并不在继续变形；冷却后立即进行测量，在压痕处与压痕附近垂直于轴线方向切取两个试片，或沿试样的轴线方向切取窄条试片，在显微镜或测量投影仪下测得压痕深度。电缆试样试验结果的评定：从每个试样切取的三个试片上测得压痕中间值，应不大于试样绝缘厚度平均值的50％。

此方法存在以下缺点：

(1)在压痕过程中，试样放置是否水平、刀口与样品轴线是否垂直都将影响刀口压痕的形态，即无法保证压痕的形态。

(2)测量方法需要花费大量时间进行人工切片，效率低、且长时间减压后会引起材料回弹、对人工切片技术要求过高、刀片切割试验材料也容易引起误差。

(3)需要测试人员在投影仪上寻找压痕最薄点和试样轴线临近点绝缘厚度并测量，较难实现准确定位。

(4)测试是有损测量，不具备反复测量的条件，使得测试结果准确度不高，难以实现高精度测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有测试方法的缺点，提供一种基于激光测距的电缆压痕自动测试方法。

基于激光测距的电缆压痕自动测试方法如下：

S1、复位二维平移台：二维平移台回到测试原点，方便固定待测试样。

S2、固定待测试样并移动到测试起始位置：在测试原点处，将带有待测试样的电缆夹具固定在二维平移台上，向测试起始位置移动，方便进行后续测量。

S3、定位剖面最高点：首先二维平移台沿电缆试样径向正向(Z+)移动通过激光测距传感器下方，然后二维平移台沿Z-方向移动，为了保证尽可能扫描到整个剖面，移动距离为正向移动距离两倍，在达到指定距离后停止数据存储，记录极大值，最后二维平移台沿Z+方向移动，寻找与该极大值最接近的点，停止移动，定位测试起始处试样剖面最高点。

S4、测量与存储数据：二维平移台沿电缆试样轴向方向移动固定距离，扫过压痕，进行数据的测量与存储，将测试结果绘图，横坐标为激光扫过试样轴向方向距离，纵坐标为激光头到试样表面的垂直距离。

S5、处理数据及判断压痕位置：对存储的数据进行滑动平均滤波处理并通过差分算法对压痕的位置进行判断，得出压痕起始点、最深点以及终止点的坐标值。

S6、拟合数据：进行压痕段与未压痕段数据拟合。

S7、输出结果：计算得到最终的测量结果。

本发明具有以下优点：

1、测试过程中电缆夹具的使用，可以保证电缆试样压痕的形态，在压痕处理前后电缆试样的位置相对于电缆夹具不变。二维平移台的使用，确保可以扫过待测试样横截面的最高点以及压痕的最深处，保证测试结果的准确性。

2、由于压痕位置相对于电缆夹具固定，在二维平移台复位后移动固定距离即可到达测试起始处，在测试起始处圆周上进行最高点定位，定位最高点后，移动固定距离即可进行压痕测量，扫过压痕左右固定距离。即当压痕处理后的电缆试样的电缆夹具放到二维平移台上后，只需要简单操作就可以完成自动测试，得到测试结果。

附图说明

图1为电缆压痕自动测试的测试装置；

图2为基于激光测距的电缆压痕自动测试方法流程图；

图3为最高点定位流程图；

图4为对存储数据的数据处理及压痕位置判断

图5为未拟合的压痕曲线图；

图6(a)为拟合过程中的的压痕曲线图；

图6(b)为拟合后的压痕曲线图。

图中，1、激光测距传感器；2、待测电缆试样；3、电缆夹具；4、步进电机；5、接近开关；6、二维平移台；7、激光测距传感器控制器；8、工控一体机。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

图1所示，电缆压痕自动测试的测试装置包括：1、激光测距传感器；2、待测电缆试样；3、电缆夹具；4、步进电机；5、接近开关；6、二维平移台；7、激光测距传感器控制器；8、工控一体机。结合图1、图2所示，基于激光测距的电缆压痕自动测试方法，其包括以下步骤：

步骤1、二维平移台6复位。测试开始前需要进行二维平移台6复位，使二维平移台回到原点，在二维平移台6的四周装有四个接近开关5，接近开关5是一种无需与运动部件进行机械接触而可以操控的位置开关，当二维平移台6接近开关5的感应面到动作距离时，通过运动控制板卡提供控制指令，使二维平移台6停止运动，有效限制二维平移台6的运动范围，利用接近开关5这一特点，将二维平移台6的右下方作为测试的原点，在测试原点处方便进行待测电缆试样2的安装。

步骤2、固定待测试样并移动到测试起点。在二维平移台6复位后将待测试样固定在二维平移台6上，由于激光测距传感器1位置固定，在二维平移台6原点处，控制电机带动二维平移台6向X，Z正方向(X+，Z+)移动固定距离，使待测电缆试样2移动到激光头下方，该位置即为测试的起始位置。

步骤3、待测试样横截面最高点定位。为了使激光可以打到压痕的最深点，在测试前需要找到电缆试样横截面的最高点，沿最高点所在轴线进行扫描。结合图3所示，最高点定位步骤如下，待二维平移台6移动到测试起始处，开始进行试样最高点定位，二维平移台6先沿Z+移动一定距离，同时开始数据存储，达到指定距离后，二维平移台6沿Z-移动，为了保证尽可能扫描到整个剖面，移动距离为正向移动距离两倍，在达到指定距离后停止数据存储，同时开始进行数据分析，对存储的数组进行比较，得到数组的极大值，记录该值，二维平移台6向Z+运动，进行二次扫描，将当前测量值与记录的极大值进行比较，由于电机滞后以及测量误差影响，存在着可能二次扫描没有扫到极大值，故判断条件改为当扫描的值落在极大值为中心点的一个区间(数组的极大值±0.002mm)时，判断已经到达极大值点，即激光定位在电缆试样剖面的最高点，同时Z轴电机停止转动。

步骤4、开始测量并进行数据存储。由于待测电缆试样2压痕的位置相对于电缆夹具3固定，因此待最高点定位成功后，二维平移台6只需要沿X-移动固定距离，便可保证激光扫过待测电缆试样2压痕左右各15mm的距离，即整个测量段的长度为30mm，到达测试终点后，停止数据存储。将存储的数据绘图，横坐标x为激光扫过试样轴向方向距离，纵坐标y为激光头到试样表面的垂直距离。

步骤5、数据处理及压痕位置判断。结合图4所示，数据处理及压痕位置判断的步骤如下，对存储的数据进行滑动平均滤波处理，把连续取得的T个采样值看成一个队列，队列的长度固定为T，每次采样到一个新数据放入队尾，并剔除原来队首的一次数据(先进先出原则)，把队列中的T个数据进行算术平均运算，获得新的滤波结果。由于得到的数据为离散的，故滤波后的输出：

式中，y(t)表示滤波后的输出，x(i)表示滤波前的输出，T表示队列长度。

对滤波后输出的新数组进行差分计算，定义变量Δt＝y(t)-y(t-1)，当存在一个数据集{Δt,Δ(t+1),...,Δ(t+n)}，n表示数据集中数据的个数，使得每一个元素都小于0或大于0，则判断已经是压痕段区域，否则认为是未压痕段数据，得到压痕段的起始点、最深点和终止点。

步骤6、压痕段与未压痕段拟合，由压痕判断得到的结果，得到压痕段起始点、最深点和终止点的坐标分别为(X₀,Y₀)、(X_d,Y_d)和(X_n,Y_n)，如图5所示。结合图6(a)所示，拟合步骤如下：在压痕起始点(X₀,Y₀)与压痕最深点(X_d,Y_d)之间沿x轴方向以固定步长h取点，得到X₀+h、X₀+2h…X₀+Ph等P个横坐标值，计算(X₀,Y₀)、(X_d,Y_d)之间各点到所取点的横坐标距离之和，得到和最小值所对应的点(X_xm1,Y_xm1)，同理在压痕最深点(X_d,Y_d)与压痕终止点(X_n,Y_n)之间可以得到点(X_xm2,Y_xm2)；

S_x＝min(S_x1,S_x2,...S_xP)

式中，X_k表示压痕起始点起始点到压痕最深点之间所存储数据点的横坐标，X₀+ah表示以固定步长h在压痕起始点与压痕最深点之间所取得点，S_xa表示各点到所取点的横坐标方向的距离之和，S_x表示横坐标距离和集中的最小值。

在点(X_xm1,Y_xm1)、(X_d,Y_d)之间沿y轴方向以固定步长l取点，得到Y_m1+l、Y_m1+2l…Y_m1+Ql等Q个纵坐标值，计算(X_xm1,Y_xm1)、(X_d,Y_d)之间各点到所取各点的纵坐标距离之和，得到和最小值所对应的点(X_ym1,Y_ym1)，同理在(X_d,Y_d)、(X_xm2,Y_xm2)之间可以得到点(X_ym2,Y_ym2)。

S_y＝min(S_y1,S_y2,...S_yQ)

式中，Y_j表示(X_xm1,Y_xm1)和压痕最深点之间所存储数据点的纵坐标，Y_m1+bl表示以固定步长l在该区间上所取得点，S_yb表示各点到所取点的纵坐标方向的距离之和，S_y表示纵坐标距离和集中的最小值。

以未压痕段的数据、(X₀,Y₀)和(X_xm1,Y_xm1)之间的数据以及(X_xm2,Y_xm2)和(X_n,Y_n)之间的数据点拟合出一条水平于x轴的直线，以(X_xm1,Y_xm1)、(X_ym1,Y_ym1)之间的数据点和(X_ym2,Y_ym2)、(X_xm2,Y_xm2)之间的数据点拟合出两条垂直于x轴的直线，以(X_ym1,Y_ym1)和(X_ym2,Y_ym2)之间数据拟合出一条平行于x轴的直线，拟合结果如图6(b)所示。

步骤7、输出结果，拟合后的图像和压痕深度结果在工控一体机8的上位机界面上显示，两条水平于x轴的直线间的距离即为压痕深度。

Claims (3)

1.基于激光测距的电缆压痕自动测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、复位二维平移台：二维平移台回到测试原点，所述的二维平移台的右下方作为测试的原点；

S2、固定待测试样并移动到测试起始位置：在测试原点处，将带有待测试样的电缆夹具固定在二维平移台上，向测试起始位置移动，方便进行后续测量，当待测电缆试样移动到激光头下方时，该位置即为测试的起始位置；

S3、定位剖面最高点：首先二维平移台沿电缆试样径向正向移动通过激光测距传感器下方，然后二维平移台沿径向负向方向移动，移动距离为正向移动距离两倍，在达到指定距离后停止数据存储，记录极大值，最后二维平移台沿径向正向移动，寻找与该极大值最接近的点，停止径向移动，激光定位在电缆试样剖面最高点；

S4、测量与存储数据：激光定位在电缆试样剖面最高点后开始测量，二维平移台沿电缆试样轴向方向移动固定距离，扫过压痕，进行数据的测量与存储，将测试结果绘图，横坐标为激光扫过试样轴向方向距离，纵坐标为激光头到试样表面的垂直距离；

S5、处理数据及判断压痕位置：对存储的数据进行滑动平均滤波处理并通过差分算法对压痕的位置进行判断，得出压痕起始点、最深点以及终止点的坐标值；

S6、拟合数据：进行压痕段与未压痕段数据拟合，具体是：

设压痕段起始点、最深点和终止点的坐标分别为(X₀,Y₀)、(X_d,Y_d)和(X_n,Y_n)，则拟合步骤如下：在压痕起始点(X₀,Y₀)与压痕最深点(X_d,Y_d)之间沿x轴方向以固定步长h取点，得到X₀+h、X₀+2h…X₀+Ph，共计P个横坐标值，计算(X₀,Y₀)、(X_d,Y_d)之间各点到所取点的横坐标距离之和，得到和最小值所对应的点(X_xm1,Y_xm1)，同理在压痕最深点(X_d,Y_d)与压痕终止点(X_n,Y_n)之间得到点(X_xm2,Y_xm2)；

S_x＝min(S_x1,S_x2,...S_xP)

式中，X_k表示压痕起始点起始点到压痕最深点之间所存储数据点的横坐标，X₀+ah表示以固定步长h在压痕起始点与压痕最深点之间所取得点，S_xa表示各点到所取点的横坐标方向的距离之和，S_x表示横坐标距离和集中的最小值；

在点(X_xm1,Y_xm1)、(X_d,Y_d)之间沿y轴方向以固定步长l取点，得到Y_xm1+l、Y_xm1+2l…Y_xm1+Ql，共计Q个纵坐标值，计算(X_xm1,Y_xm1)、(X_d,Y_d)之间各点到所取各点的纵坐标距离之和，得到和最小值所对应的点(X_ym1,Y_ym1)，同理在(X_d,Y_d)、(X_xm2,Y_xm2)之间可以得到点(X_ym2,Y_ym2)；

S_y＝min(S_y1,S_y2,...S_yQ)

式中，Y_j表示(X_xm1,Y_xm1)和压痕最深点之间所存储数据点的纵坐标，Y_xm1+bl表示以固定步长l在点(X_xm1,Y_xm1)与点(X_d,Y_d)之间所取得点，S_yb表示各点到所取点的纵坐标方向的距离之和，S_y表示纵坐标距离和集中的最小值；

以未压痕段的数据、(X₀,Y₀)和(X_xm1,Y_xm1)之间的数据以及(X_xm2,Y_xm2)和(X_n,Y_n)之间的数据点拟合出一条水平于x轴的直线，以(X_xm1,Y_xm1)、(X_ym1,Y_ym1)之间的数据点和(X_ym2,Y_ym2)、(X_xm2,Y_xm2)之间的数据点拟合出两条垂直于x轴的直线，以(X_ym1,Y_ym1)和(X_ym2,Y_ym2)之间数据拟合出一条平行于x轴的直线；

S7、输出结果：两条水平于x轴的直线间的距离即为压痕深度。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距的电缆压痕自动测试方法，其特征在于：步骤S3具体是：

待二维平移台移动到测试起始位置处，开始进行试样最高点定位，二维平移台先沿径向正向移动一定距离，同时开始数据存储，达到指定距离后，二维平移台沿径向负向移动，为了保证尽可能扫描到整个剖面，移动距离为正向移动距离两倍，在达到指定距离后停止数据存储，同时开始进行数据分析，对存储的数组进行比较，得到数组的极大值，记录该值；二维平移台向径向正向运动，进行二次扫描，将当前测量值与记录的极大值进行比较，若当前测量值落在以极大值为中心点的一个误差允许区间内，判断已经到达极大值点，此时激光定位在电缆试样剖面的最高点，同时径向电机停止转动，二维平移台停止径向移动。

3.根据权利要求1所述的基于激光测距的电缆压痕自动测试方法，其特征在于：步骤S5具体是：

对存储的数据进行滑动平均滤波处理，把连续取得的T个采样值看成一个队列，队列的长度固定为T，每次采样到一个新数据放入队尾，并剔除原来队首的一次数据，把队列中的T个数据进行算术平均运算，获得新的滤波结果；由于得到的数据为离散的，故滤波后的输出：

式中，y(t)表示滤波后的输出，x(i)表示滤波前的输出，T表示队列长度；

对滤波后输出的新数组进行差分计算，定义变量Δt＝y(t)-y(t-1)，当存在一个数据集{Δt,Δ(t+1),...,Δ(t+n)}，使得每一个元素都小于0或大于0，则判断已经是压痕段区域，否则认为是未压痕段数据，从而得到压痕段的起始点、最深点和终止点。

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