电缆绝缘层结构尺寸测试仪的误差分析及量值溯源方法

刘亚俊 / 宜兴市产品质量和食品安全检验检测中心

0 引言

目前，在线缆行业中，电缆企业已广泛使用电缆绝缘层结构尺寸测试仪代替投影仪来测量电缆绝缘层结构尺寸参数，测量更便捷高效，消除了人为读取示值的误差[1-2]。但是该测试仪是否准确，需要经过计量技术机构量值溯源。鉴于该仪器无相关的国家标准、行业标准和计量技术规范可供技术参考，本文结合仪器厂家提供的技术参数，对仪器的测量原理及应用误差进行了分析，并研究了仪器的计量性能，设计校准标准板，提出了科学、合理的量值溯源方法。

1 测量原理

电缆绝缘层结构尺寸测试仪是线缆行业中一款全自动电线电缆绝缘层结构尺寸测量系统，采用机器视觉测量方式，通过镜头和工业相机获取电缆绝缘层切片的图像，通过计算机图像处理软件系统，直接获得电缆绝缘层结构尺寸的各项数据（厚度、外径、偏心度等）。

测试仪包括硬件和软件两部分，硬件部分由多个不同规格的镜头成像系统、光源和计算机组成；软件部分以Visual Basic或Visual C++为工具，实现了电缆绝缘层结构尺寸测量[3-4]。不同规格的镜头成像系统对应不同的视场范围，一般分为≤10 mm、10～50 mm、50～130 mm三个范围。

测量时，将电缆切片试样平置于测试仪工作台玻璃台面上，根据试样直径大小，选择对应的镜头，移至视场测量区域。在软件操作界面上选择试样对应的测量模型，点击一键测量键，1～2 s即可获得试样的各项结构尺寸数据。

2 测量误差分析

电缆绝缘层结构尺寸测量中，测量数据的误差来源有三个方面：一是仪器的硬件；二是视场光源强度；三是仪器测量系统算法。

2.1 仪器硬件对测量误差的影响

作为机器视觉系统的关键组成部分之一的镜头与工业相机配合使用，即光线通过镜头聚焦在相机内部的图像传感器上成像。目前，测试仪采用的镜头有普通镜头和远心镜头，普通镜头在成像时易产生畸变和失真，带来的误差则需在软件的算法中予以修正。而远心镜头具有高分辨力、低失真率和宽景深，可有效降低图像变形和视角选择造成的误差，避免被测件厚度对测量的影响[5]。

成像光轴和透射照明光轴对工作台玻璃台面的垂直度是造成图像测量误差的关键因素。测试仪采用定向透射照明的方式，照明方向不垂直于切片试样时，会产生图像变形，造成透射误差。照明光轴平行于成像光轴，且垂直于切片试样时，会使切片试样轮廓非常锐利，也减少了透射变形。如机器镜头和透射照明光源安装时与工作台玻璃台面存在一定的垂直角度偏差，可采用标准钢球法测得测试仪在使用时带来的固定示值误差。

2.2 视场光源强度的影响

测试仪使用的是透射照明光源，采用白色光居多。光源强度欠饱和，图像比较模糊，边缘提取不准确；光源强度过饱和时，会造成图像边缘的偏移，产生边缘位置误差。选择合适的光源强度，才能保证试样的成像质量。光照度一般控制在1 000～1 500 lx[6]。

2.3 仪器测量系统算法的影响

测量系统中关键的内容是像素的标定和图像边缘的检测定位。为得到被测对象的实际尺寸，须建立实际物理尺寸和像素尺寸之间的关系，即标定每一个像素。像素的标定算法要考虑视场不同位置、切片试样厚度变化造成物距变化带来的影响。边缘检测算法对图像边缘的提取是否准确，会带来一定的定位误差。测量系统算法对测量误差的影响可通过与标准板测量值比较获得[7-8]。

3 误差减小的控制措施

仪器使用时，为减小电缆绝缘层尺寸测量误差，可采取的控制措施有：

1）根据仪器的参数说明，使用前用厂家配套的标准板检验示值参数，选择合适的光源亮度，避免过亮或过暗。

2）保证切片制取的质量。电缆绝缘层切片的制取是测量其结构尺寸数据的关键，切片应与试样导电线芯轴线垂直。为控制切片的厚度及均匀性，电缆厂家配置的切片装置尤为重要，需具备足够锋利的刀具，制取的切片应尽可能薄，避免试片在测量时产生虚影。

4 仪器的量值溯源方法

对电缆绝缘层结构尺寸测试仪的校准，主要校准的计量特性有成像光轴和透射照明光轴与工作台玻璃台面的垂直度、尺寸示值误差（直径、厚度）和参数误差（偏心度）、图像成像的一致性[9-10]。

校准方法如下：

1）成像光轴和透射照明光轴与工作台玻璃台面的垂直度。在不同的镜头下，由确定的景深数据，选择合适的标准钢球，即钢球的半径大小在景深范围之内，钢球的级别为G5以上，一般取2.0 mm规格。测量系统采用测量标准圆的模式，直接获得钢球的直径数据Di，由式（1）计算垂直角度偏差θ。

式中：D——标准钢球的直径标准值，mm；

Di——标准钢球的直径测量数据，mm

2）尺寸示值误差（直径、厚度）和参数误差（偏心度）。不同的镜头，对应不同的视场范围，选择相应的标准板进行直径、厚度示值和偏心度校准。标准板设计为非同心的圆环（如图1），模拟了三层电缆绝缘层结构，从里往外依次为导体、内层、中间层和外层。标准板的参数有圆直径、圆环厚度和偏心度（偏心度等于圆环的最大与最小厚度之差除以最大厚度）。设计数据见表1、表2、表3，直径尺寸偏差控制在±0.002 mm范围内，其厚度大小为1.0 mm。选择相应的双层圆环测量模式，直接获取外圆直径、厚度和偏心度示值，与标准板量值溯源的数据进行比较[11]。

图1 非同心圆环标准板

表1 非同心圆环标准板的参数设计数据（内层）单位：mm

表2 非同心圆环标准板的参数设计数据（外层）单位：mm

表3 非同心圆环标准板的参数设计数据（中间层）单位：mm

3）图像成像的一致性。考虑到测试仪是一键式全自动测量方式，无需镜头上下调焦等，需评定图像成像的一致性。在不同规格镜头下，选取相应的标准板，按照双层圆环测量模式，对外圆直径参数测量示值，并在标准板下方分别垫0.5 mm、1.0 mm的标准膜片依次读取示值，计算三次示值的最大差值作为图像成像一致性的数据。

5 结语

电缆绝缘层结构尺寸测试仪的示值误差需要通过计量技术机构的量值溯源来评定，在实际使用中会由切片质量和透射光源产生测量误差。做好电缆绝缘层结构尺寸参数的量值溯源才能确保产品检测数据的准确，保证产品的质量。