基于改进梯度差分法的非金属材料断裂伸长率检测技术

王淑秀 司志泽 高静 戚威

摘 要：本文对现有的非金属材料断裂伸长率的测试现状进行了分析，针对其存在的测量精度低，大多采用人工测量等缺点，根据相关的研究现状，提出了基于改进梯度帧间差分法的非金属材料断裂伸长率检验检测方法，本方法通过比较前后两帧的梯度帧差与动态阈值阈值来确定样品是否发生了断裂，然后进行计算。通过系统设计、实现及测试结果表明，该方法能够提高非金属材料断裂伸长率检测的精确度，并且实现自动测量。

关键词：帧间差分法，断裂伸长率，动态阈值，拉力试验，机械性能，图像识别

DOI编码：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

斷裂伸长率包括老化前断裂伸长率、老化后的断裂伸长率及老化前后断裂伸长率变化率，是检验非金属材料机械性能的一项重要项目，主要考核材料在一定环境条件下受力或能量作用时所表现出的特性。如果断裂伸长率项目不达标，材料在使用过程中，受到力的作用时，会出现损伤或破裂的情况，这就容易造成危险的发生。例如电缆的绝缘及护套，如果断裂伸长率项目不合格，容易出现带电导体裸露或线芯间短路，导致触电危险。本文所指的非金属材料是具有非金属性质（导电性导热性差）的有机材料，如塑料、橡胶等。

目前，非金属材料的断裂伸长率的测定大致有两种方法[1]：一是采用大变形引伸计，二是人工测量，如伸率尺，游标卡尺等。采用大变形引伸计，通常对拉力试验机要求较高，一般为门式拉力机，占地面积较大，操作复杂，对XLPE（交联聚乙烯）、橡胶等形变量较大的材料，测量误差大；人工测量方式对人力要求较高，需要时刻关注拉伸情况，测量误差因人而异，人为误差占总误差权重大。随着图像识别与图像处理的迅速发展，采用图像采集及处理成为最符合现阶段非金属材料断裂伸长率检验检测需求的方式。

在2000年初就有人开始研究将视觉、图像处理等方法应用到非金属材料拉伸领域，如方钦志等[2]在2006年利用图像相关分析法对聚碳酸酯（PC）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）的合金（PC/ ABS）高分子材料不同环境温度下的拉伸性能进行了试验研究。孙伟等[3]利用数字图像相关方法（DICM），测定了双轴拉伸试验条件下Précontraint 1202 Fluotop T2膜材的力学性能，并分析了该膜材的徐变特性，为膜材力学性能的检测研究提供了新的途径。熊磊[4]提出了基于数字图像相关方法对材料拉伸变形进行测量，并通过试验进行了验证。高振斌等[5]、李盼生[6]利用相关方法在电缆护套拉伸试验进行了研究，陈俊松等[7]、张格悠等[8]提出了改进光流法的电缆护套断裂伸长的测量。

根据已提出的研究方法与实际非金属材料检验检测相关标准的对比可知存在以下问题：一是研究单一性，如非金属材料颜色多样、形状多样，在图像识别时未提及不同种类的识别问题；二是与检测标准要求不一致等问题[9-11]，如电缆护套断裂伸长率的检测[11]，标准要求尽可能采用75 mm哑铃试样，如果不能可采用50 mm试样或管状试样，标距为20 mm，标记一般为线状。因此，本文在图像处理与非金属材料检验检测标准的基础上提出了一种基于改进梯度帧间差分法的非金属材料断裂伸长率检验检测技术。

1 改进梯度帧间差分法

帧间差分法（Temporal Difference）[12]是利用图像采集的连续的运动目标，帧和帧之间会有明显地变化，对时间上连续的两帧或三帧图像进行差分运算，不同帧对应的像素点相减，判断灰度差的绝对值，当绝对值超过一定阈值时，即可判断为运动目标，从而实现运动目标的检测功能。由于受检的非金属材料其颜色多种多样，其形状也多有不同。这就会导致每次检测时，标记点与背景对比度不同，对测量造成一定困难。因此在进行帧间差分计算前，先进行HSV空间分量检测对比，确定受检样品颜色，HSV色卡表如表1所示。

并根据不同颜色标记点与背景的对比度，同时由于样品被拉伸时灰导致标记点的颜色变浅，对应图像的的灰度值的会发生变化，这就需要通过动态阈值来确定标记点。通过试验发现，拉伸长度与阈值满足一定的线性关系，如图1所示。

改进的梯度帧间差分法就是通过前后两帧的梯度帧差与动态阈值阈值相比较来确定样品是否发生了断裂，并进行计算。

2 系统设计

非金属材料断裂伸长率的检测如图2所示，首先将样品用平行直线进行标记，将样品用夹具固定，通过相机两侧的LED灯确保光源的稳定，CMOS相机对拉伸过程进行图像采集，在计算机上通过人机交互界面可以实时看见电缆的拉伸状况，并通过动态阈值法和梯度帧差法对此时是否断裂进行判断，当发生断裂后相机停止采集图像并输出断裂前的拉伸长度。然后对其进行后续处理就会得到具体的断裂伸长率。

硬件选用海康威视MV-CA050-11UC-160--227U3C USB 3.0图像处理器，8 MM定焦镜头。

在软件设计方面，程序开发方面运用pycharm搭载python-opencv3.6.12，界面开发选用QT5，python为编程语言，利用OpenCV视觉库来实现相应的功能。其算法流程如图3所示

测试界面见图4。

样品测试时，先开启相机，然后夹好样品后，开始测量，系统会自动检测连接的相机，“显示图像”框中对采集的视频进行实时显示，自动识别工件的颜色，并在界面中显示所识别的颜色，随着工件的不断被拉伸，“测量结果图片”记录断裂的那一帧图像，最大断裂伸长结果为断裂的前一帧图像。通过计算界面在“实际距离”中显示测量的拉伸长度。

3 样品测试

非金属材料范围较广，比较常见的如塑料、橡胶等，结合笔者工作便利，样品测试选用成品电线电缆的绝缘及护套，型号为：60227 IEC 53（RVV） 300/500 V 3×2.5，绝缘线芯颜色为：棕色、灰色、黑色，护套颜色为黄色。依据GB/T 2951.11-2008标准规定[11]，绝缘为管状，长度为100 mm，护套为75 mm哑铃状试样，各自制备5个样品。在每个试样中央标上两条标记线，间距为20 mm。

具体检测结果见图5。

测试时，当按下开始检测按键，系统会自动检测连接的相机，“显示图像”框中对采集的视频进行实时显示，自动识别工件的颜色，并在界面中显示所识别的颜色，随着工件的不断被拉伸，“测量结果图片”中断裂的那一帧图像，“最大拉力结果图片”显示所检测到的断裂的前一帧图像。通过计算界面在“实际距离”中显示测量的拉伸长度。计算公式为：

通过表2测试数据显示，测量结果相对人工测量值小，说明在拉伸断裂瞬间，机器比人工对结果的判断更为精确，结果也就更为精确。

4 结 论

本文提出基于改进梯度帧间差分法的非金属材料断裂伸长率的检验检测测量方法，并通过系统设计，从软硬件上进行了实现，通过实验表明，该方法较人工测量所得到的方法更为精确，值得推广。当然，由于非金属材料的多种多样，如本色交联聚乙烯（XLPE），在测量时，难以实现，如何全色谱进行测量，还需要测量方法或是软件的进一步研究。

參考文献

[1]万同利，于校伟，蒲静.引伸计在电线电缆绝缘材料机械性能测试中应用的探讨[J].中国标准化，2021（17）：237-239.

[2]方钦志，李慧敏，欧阳小东，等.图像相关法在高分子材料拉伸性能研究中的应用[J].实验力学，2006（4）：459-466.

[3]孙伟，何小元，胥明，罗斌.数字图像相关方法在膜材拉伸试验中的应用[J].工程力学，2007（2）：34-38.

[4]熊磊.基于数字图像相关方法的材料拉伸变形测量技术[D].长春：吉林大学，2012.

[5]高振斌，冯宁楠.基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量[J].计算机测量与控制，2013，21（5）：1120-1122.

[6]李盼生.基于I.MX6Q和OpenCV的电缆护套拉力试验研究[D].天津：河北工业大学，2016.

[7]陈俊松，龚俊，张格悠，等.基于改进L-K光流法的电缆断裂伸长率测量技术[J].仪器仪表学报，2021（4）：256-264.

[8]张格悠，龚俊，陈俊松等.基于双目视觉的电缆护套断裂伸长率自动测量[J].计算机辅助设计与图形学学报，2021（11）：1668-1676.

[9]硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定：GB/ T 528-2009[S].

[10]塑料 拉伸性能的测定 第3部分：薄膜和薄片的试验条件：GB/T 1040.3-2006[S].

[11]电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法 第11部分：通用试验方法——厚度和外形尺寸测量——机械性能试验：GB/T 2951.11-2008[S].

[12]李建，蓝金辉，李杰.一种新型快速运动目标检测算法[J].中南大学学报（自然科学版），2013，44（3）：978-984.

作者简介

王淑秀，硕士，工程师，研究方向为检验检测技术与标准。

司志泽，通信作者，硕士，高级工程师，研究方向为检测技术与自动化装置。

（责任编辑：袁文静）