林添进， 吴志成， 叶开明, 曾小平， 杨昌加， 姚青煌

(1.国网泉州供电公司，福建 泉州 362000; 2.福建电力职业技术学院，福建 泉州 362000； 3.福州大学，福建 福州 350108)

手持式便携电缆弯曲度测量仪的研制

林添进1,3， 吴志成1， 叶开明1, 曾小平2， 杨昌加1， 姚青煌1

(1.国网泉州供电公司，福建 泉州 362000; 2.福建电力职业技术学院，福建 泉州 362000； 3.福州大学，福建 福州 350108)

当前，输电电缆工程普遍采用交联聚乙烯绝缘电缆，电缆安装敷设时，在弯曲段各曲线处会产生不同方向拉伸力，产生可能导致电缆损坏的压力。为了方便电缆曲率的测量，提出了一种手持式便携测量仪，结合了激光测距和摄像头两种传感技术，对三点法和图像处理法的误差进行补偿，得到电缆的弯曲度。试验结果表明测量仪具有使用简单、精度高、速度快的优点，能实时完成对电缆弯曲度的测量，有效地把控电缆安装工艺质量。

弯曲度；三点法；电缆；激光测距；图像处理

0 引 言

电缆的弯曲半径越小，对电缆芯产生的压缩拉伸越厉害，对电缆芯的绝缘损害越大。特别是高压电缆，可能会造成不可逆的损害。它的损害主要有三方面。由于电缆导体由多根单芯导线以一定节距绞合而成，所以在导体制作过程中导体的单线根数和节距大小直接决定了导体在弯曲的稳定性，过小的弯曲将导致导体的松散和突起，直接影响绝缘性能；当电缆以一定弯曲半径弯曲时，在弯曲处的绝缘将会发生拉伸变形；通常中压电缆采用铜带屏蔽，铜带厚度0.1 mm或0.12 mm，宽度20 mm～40 mm，重叠15%绕包。弯曲时金属带起皱或卷边有可能损伤到绝缘。

对于曲率的测量，根据传感器的选择和测量对象的不同，提出了不同的测量方法，如基于激光干涉法进行曲率测量，这种方法是通过相移激光干涉仪与标准的球面波，经被测光学元件表面反射，与参考波面产生干涉现象，得到干涉条纹进而计算得到元件面形误差，通过调节被测元件到等光程位置，即干涉零条纹的特殊位置，这一类是利用光学器件来测量曲率的[1-7]。还有的测量方法是利用摄像头作传感器，运用增强、复原、编码、压缩等图像处理方法来进行曲率的测量[8-10]。测量对象曲率特征提取后，需要对其曲率半径进行计算，通常计算法有三种：K余弦曲率提取法、待曲线平滑的差分曲率法、切线法和L曲率法，但是这些方法相对较为复杂，而三点法处理起来比较容易，单片机计算时，所带来的计算量也比较小[11-16]。

本文采用的方法是结合激光测距传感器和摄像头，将三点法和图像处理的方法测算出来的曲率相互补偿，从而得到精度较高的电缆曲率半径，实现对电缆曲率快且准地测量。

1 测量系统的设计

1.1 系统组成

图1 测量系统框图

如图1所示，根据数据采集和数据处理思路，电缆曲率测量系统的框图如图所示。将激光测距法测量出来的距离，通过三点法测算出电缆曲率；摄像头采用回来的图像通过图像处理方法计算电缆的曲率，然后将两种方法测量出来的曲率相互补偿，得到电缆曲率的最有计算值。

1.2 三点测距法

由于单纯运用图像处理，不仅代码复杂，不利于集成在小型便携式的装置中，所以提出了激光三点测距+简易图像处理，通过阅读大量的文献，参考了以往测距的方案，提出了扇形小角度的测量距离方法。由于传感器有仪器误差，随机误差，测头度数也有误差。提出了只有选择合适的测头的夹角，才能使读数误差对圆度各次谐波测量结果的影响达到最小。许多文献中考虑到测头数据误差对于测量精度影响和测头角位置对于测量精度的影响，终止得到结论为如果谐波级次一定，而三个测头之间的夹角是影响结果的最大因素。更有研究表明只有测头角位置的转动角度误差小于1度时，测头位置误差所引入的测量误差可以忽略。而三点法测量系统参数优化上，有许多文献采用的是蒙特卡罗方式，在谐波次数一定下，经过程序的迭代的方式找到最佳角度，观测不同角度下谐波误差传播规律。为了得到简易的方式，经常采用多圈测量方式来提高精度，单圈测量往往会有较大误差，并且为了得到良好的曲率，采用小角度方式，而与真实值之间的误差运用图像处理的方式解决，如图2所示。

图2 三点测距法

1.3 图像处理模块

为了提高三点测量法的精度，需要加上图像处理来加以补偿，一方面测量在不同方向上会造成一定的曲率误差，装置必须智能的识别所测量的地点，加以补偿，另一方面单单的三点测量法会带来一定误差，而图像处理的算法上很好的契合这种误差，通过对图像处理算法了解上发现，图像处理在对于三点测距所带来的测距误差能够很好识别并且能在一定范围来校正三点测距法在测头数据上的误差，使得最终结果更加可信。图像处理算法有许多种，然而得到图像不能马上使用，必须对图像进行去噪处理，有时为了得到图像上某一方面的特征，往往需要对图像进行分割，甚至对某些地方特征进行增强或尖锐化，以便提取出管道的有效信息。此次的图像处理是运用在DSP上，很多图像处理都是运行在PC机上，此次进行代码简易改写，使得更好的运用在DSP上。

1.4 显示模块

由于在处理测距算法和图像处理算法上复杂性强，液晶显示的刷新程度需要实时的刷新，传统的液晶显示都是出于中断的程序中进行，而本次显示的数据采用另一种的方式进行显示，先把固定显示的数据放到RAM中，而实时变化的数据再采用通信由主控芯片给液晶实时显示，这样的好处是减低刷新频率。对于装置来说是一种保护，减少了液晶显示乱码的概率。能够有效的，实时的得到弯曲度的信息。

2 曲率测量系统主要部件的选择

2.1 主控芯片

图3 主控芯片

如图3所示，主控芯片采用的 是ST公司的STM32F103VET6，STM32F103VET6增强型芯片使用高性能的ARM®CortexTM-M3 32位的RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器(高达512 K字节的闪存和64 K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。器件包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。

2.2 传感器

图4 激光测距模块

如图4所示，激光传感器选择参数有以下几点：(1)测量范围：0.03～30 m；(2)测量精度(标准差)：±1 mm；(3)距离单位：m；(4)激光类型：635 nm；(5)激光等级：Ⅱ级，<1 mW；(6)在距离m处光斑直径：6 mm@10 m，30 mm@50 m；(7)防护等级：IP40；(8)工作温度：-10～+60℃；(9)贮存温度：-20～+80℃；(10) 重量：约60 g；(11) 尺寸(长×宽×高)：4.5 mm×3.8 mm×1.5 mm。

图5 摄像头模块

如图5所示，选择带FIFO模块的OV7725作为测量系统图像采集传感器，这是源信丰电子推出的CMOS摄像模块,是先进、节能的高精度相机的内置式组件，它将实现优质VGA影像的CMOS影像传感器与高度集成的影像处理器、嵌入式电源和高质量的透镜组结合在一起，输出JPEG图像或视频图像，提供了完整的影像解决方案。该产品支持8/10位数字传输JPEG图像和YCbCr接口。其小巧的体积，使设计人员即使在最小的应用中仍可以增加摄像模块。由于具有高度集成的特点，新型的摄像模块不再需要配备任何外部器件，可以被简便地应用在移动电话和无线PDA的设计中，从而大大缩短了手机和PDA设计人员的产品面市周期。

2.3 人机交互设计

人机交互系统主要由按键和液晶屏实现，液晶屏可以对测量的数据和摄像头采集的图像实时显示，也方便工作人员对准被测对象，对实现电缆曲率快且准的测量有很好的辅助作用。按键功能则可根据需要实现参数的选择和界面的切换等辅助功能。

3 装置测试结果

图6 所研制的手持式 便携电缆弯曲度自动测量仪

图6所示为所研制的手持式便携电缆弯曲度自动测量仪，该测试仪可在液晶上直接显示曲率，并能长时间稳定工作。同时电缆的处理算法在DSP上成功实现，准确、可靠的将采集回来的图像中的电缆信息提取出来。该装置在不同位置测得同一段电缆管(测量的标准圆的曲率值为1 m-1)的曲率值如表1所示。

表1 不同位置测得的同一处电缆曲率

4 结束语

在实际的输电电缆上进行了试验的测量，所测得数据误差能够在一定接受范围。并且试验在不同方位上进行测量，发现在曲

率的补偿上能够很好契合实验数据，证明所运用的算法或者公式是有效的。所显示的数据是平稳且精准的，能够很好的显示出来，并且待机时间能够长久。而此次最终的产品是简易便携式的，工作人员能够很好的掌握并且使用，具有很好的显示意义。

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The Development of a Handheld Cable Curvature Measuring Instrument

Lin Tianjin1,3, Wu Zhicheng1, Ye Kaiming1, Zeng Xiaoping2, Yang Changjia1, Yao Qinghuang1

(1.State Grid Quanzhou Power Supply Company, Quanzhou Fujian 362000, China;2. Fujian Vocational Institute of Electric Power, Quanzhou Fujian 362000, China;3. Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350108, China)

Cross-linked polyethylene insulated cables are now widely used in transmission cable engineering. Drawing forces appear in different directions at the curves in the bent section when cables are laid, and this would give rise to pressure which damage the cable. To facilitate the measurement of cable curvature, this paper presents a handheld measuring instrument, which combines the two sensor techniques of laser ranging and camera to compensate for the errors of the three-point method and the image processing method and to obtain cable curvature. Test results show that this measuring instrument has such advantages as high precision and high speed, and can perform real-time measurement of cable curvature and keep cable installation quality under effective control.

bending;three-point method;cable; laser ranging; image processing

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.035

TH74

A

1000-3886(2016)05-0112-03

林添进(1987-)，男，福建泉州人，学士，助理工程师，国网泉州供电公司，主要从事输电电缆运检工作。 吴志成(1976-)，男，福建泉州人，学士，高级工程师，国网泉州供电公司，主要从事输电运检管理工作。 叶开明(1988-)，男，福建泉州人，硕士，助理工程师，国网泉州供电公司，主要从事变电检修工作。

定稿日期: 2016-06-25