基于圖像處理技術(shù)的錐形混凝土電桿開裂檢驗稍端偏轉(zhuǎn)量測量儀

鄭東平 趙博瀚 董朋舉 宋景輝

摘 要：野外施工過程中，錐形混凝土電桿開裂檢驗的抽檢需求是目前市場上亟待解決的問題。針對錐形混凝土電桿開裂檢驗過程中稍端偏轉(zhuǎn)量的采集和提取方式進行了深入分析，研究并設計了基于圖像處理技術(shù)的稍端偏轉(zhuǎn)量測量儀，該系統(tǒng)主要由線光源、測試箱、圖像采集相機、采集板卡、Lora模塊、Matlab程序等6部分構(gòu)成，測試箱中有定位板、幕布、圖像采集相機、采集板卡、Lora模塊。線光源發(fā)出的光在定位板和幕布的作用下，在箱體內(nèi)形成光斑，通過在對應的檢測拉力點采集光斑位置變化量，從而實現(xiàn)快速、準確的錐形混凝土電桿稍端偏轉(zhuǎn)量采集。

關(guān)鍵詞：錐形混凝土電桿;稍端偏轉(zhuǎn)量;Matlab線光源

中圖分類號：TP391.41;TU757.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）28-00-05

Abstract： In the process of field construction， the sampling inspection demand for cracking inspection of conical concrete pole is an urgent problem to be solved in the market. In this paper， the acquisition and extraction methods of tip deflection in the cracking inspection of conical concrete pole are deeply analyzed， and a tip deflection measuring instrument based on image processing technology is studied and designed. The system is mainly composed of six parts： linear light source， test box， image acquisition camera， acquisition board， Lora module and matlab program. There are positioning board， curtain， image acquisition camera， acquisition board card and Lora module in the test box. The light emitted by the linear light source forms a light spot in the box under the action of the positioning plate and curtain. The change of the spot position is collected at the corresponding detection tension point， so as to quickly and accurately collect the deflection of the slightly end of the conical concrete pole.

Keywords： conical concrete pole;tip deflection;Matlab linear light source

在錐形混凝土電桿開裂性能檢驗過程中，通過激光掃描形成光斑，利用高分辨率工業(yè)相機采集光斑位置圖像，并利用軟件計算不同位置之間的距離差值來代換錐形混凝土電桿開裂性能稍端撓度變化量的技術(shù)已經(jīng)順利實現(xiàn)，并且測量精度也達到《環(huán)形混凝土電桿》（GB 4623—2014）中的要求。該技術(shù)的應用是在原有測量手段基礎上的新突破。

1 原有規(guī)定測量方式

錐形混凝土電桿開裂檢驗按照《環(huán)形混凝土電桿》（GB 4623—2014）進行，針對不同型號的錐形混凝土電桿，在固定電桿根部的同時，在稍端遞增施加不同額定值的水平拉力，并在相應的拉力值下記錄桿體撓度變化值及桿體開裂程度。檢驗方式采取懸臂式，如圖1所示。

按規(guī)定內(nèi)容，檢測過程中需要在圖1中（b）的a、b兩點分別放置一個高精度直線位移測量裝置，如自恢復型直線位移傳感器，用以采集在稍端受到水平方向拉力時，錐形混凝土電桿根部支點b和緊固點a因為杠桿力的作用造成墊木發(fā)生形變而產(chǎn)生的位移量。因為根部固定長度L2與L的比值約為1∶5，所以根部a、b兩點的微小位移量會引發(fā)稍端近似5倍的位移量。而在稍端總體位移量中減掉這個位移量，才能得到真正的桿體自身撓度變化量。計算公式如下：

式中：αs0為標準檢驗荷載作用下的桿體自身撓度值，mm;αc為由測量儀器測得稍端任一級荷載的稍端撓度值，mm;αa為由測量儀器測得a點處的變形值，mm;αb為由測量儀器測得b點處的變形值，mm;L為電桿總長度，mm;L2為電桿支點高度，mm[7]。

本文中所討論的稍端偏轉(zhuǎn)量是指在懸臂式檢測錐形混凝土桿體撓度過程中，圖1（b）中a、b兩點的變形量引起的稍端位置偏轉(zhuǎn)變化量。對應式（1），稍端偏轉(zhuǎn)量的值等于（αa+αb）L/L2-αa。設稍端偏轉(zhuǎn)量等于αd，則式（1）可化為：

2 測量稍端偏轉(zhuǎn)量

2.1 直接獲得稍端偏轉(zhuǎn)量

在稍端加載荷載的情況下，計算桿體自身撓度值時，沒有將a、b兩點之間這一段桿體的撓度變化計算在內(nèi)。而錐形混凝土電桿最粗的部分就是a、b兩點之間這一段，絕大部分撓度變化發(fā)生在稍端，而根部這一段的撓度變化可以忽略不計，即可以將a、b兩點之間這一段視為剛體。

2.2 激光技術(shù)在各種位置測量設備中的廣泛使用

激光技術(shù)的優(yōu)點是散射角度小、光強度大、可以切換某一單色光。將激光線光源以垂直于水平面的方向照射至桿體稍端外10 cm（經(jīng)計算，此處距稍端10 cm的距離不會影響采集精度）處垂直于桿體軸向并水平放置的測試箱上，線光源照射的光斑方向、光斑寬度均能達到實際需求結(jié)果，線光源距離桿體稍端外的偏轉(zhuǎn)量測量儀的距離最遠可達14 m。而由于普通線光源基本都是高斯光束，在偏轉(zhuǎn)量測量儀幕布上形成的光斑寬度大于20 mm，這會影響測量精度。采用點光源旋轉(zhuǎn)掃描的方式可以獲得線光源的光斑效果，經(jīng)對比實測，幕布上形成的光斑寬度可以降低至8 mm以內(nèi)，經(jīng)過圖像采集和后期軟件修正，可以獲得滿意的測量效果。

3 稍端偏轉(zhuǎn)量測量儀的應用價值

3.1 稍端偏轉(zhuǎn)量測量儀的應用優(yōu)勢

依照原有規(guī)定，需要在緊固點a和支點b處分別設置一個位移變化測量裝置。如果采用現(xiàn)有的裝置，將直接減少一個采集點，現(xiàn)場布置的難度會降低。稍端偏轉(zhuǎn)量直接通過下位機計算出來，可以減少上位機的運算量，很大程度上降低了上位機軟件的開發(fā)難度。稍端偏轉(zhuǎn)量測量儀經(jīng)過驗證，測量精度滿足相關(guān)標準的要求，其在使用時與桿體無接觸，相比原有方案減少了根部支點與緊固點兩個直線位移傳感器對桿體施加的干擾外力，從而更加真實地反映了錐形混凝土電桿稍端撓度。

3.2 稍端偏轉(zhuǎn)量測量儀的適用范圍

錐形混凝土電桿的長度有6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m、13 m、15 m、18 m、21 m等11種類型[2]。根據(jù)市場調(diào)研，目前市場上主要應用的錐形桿長度為10 m、12 m、15 m，市場上90%以上的錐形混凝土電桿都屬于這3種長度。而根據(jù)不同稍徑，3種桿型詳細區(qū)分共計23種型號。因為小于10 m的錐形桿目前極少生產(chǎn)，而大于15 m的錐形桿往往需要專門定制，所以本次設計的錐形混凝土電桿開裂檢驗稍端偏轉(zhuǎn)量測量儀主要針對市場流行的10～15 m區(qū)間的錐形桿。

4 系統(tǒng)軟硬件部分及使用方式

本系統(tǒng)主要由線光源、測試箱與圖像處理程序幾個部分構(gòu)成。

4.1 線光源部分

激光線光源發(fā)射裝置如圖2所示。先將電桿固定，并將激光發(fā)射裝置固定在水泥電桿根部緊固點a和支點b的中心點。打開激光發(fā)射裝置，并使用豎直光線模式，在豎直光線模式下，光線通過折線孔遮光板的縫隙，在幕布上形成一個光斑。將此光斑效果輸入到程序中，即可以得到所需的位置數(shù)據(jù)。調(diào)解激光發(fā)射裝置3個腳座的高低位置，使得水平指示氣泡位于正中心位置，此時光線掃描處于垂直狀態(tài);調(diào)整激光發(fā)射裝置的水平旋轉(zhuǎn)旋鈕，使線狀光斑盡量落在幕布的左側(cè)位置，才不會在稍端施加水平拉力后，造成光斑移出幕布區(qū)，導致無法測量。

4.2 測試箱部分

測試箱由幕布、遮光板、工業(yè)相機、采集板、無線上傳設備組成。光線能夠在幕布上形成明顯的光斑，便于攝像頭拍照采集。選擇幕布時，不要選擇色調(diào)過于明亮的幕布，否則容易在二值化過程時誤將幕布某些位置識別為光斑，導致位置信息采集錯誤。圖3、圖4是對黑白色背景幕布下采集光斑的對比圖。

線光源發(fā)出的激光打到測試箱的幕布上，當錐形混凝土電桿進行開裂檢驗時，稍端受到遞增、分段靜停的水平方向拉力，受力過程中稍端發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，激光在幕布上的位置也會發(fā)生偏移。通過對比觀察，黑色幕布采集的光斑圖像更小，更有利于提高計算精度。

光源照射幕布，其背面的光斑要穿過幕布后面的折線孔遮光板，如圖5所示。

光板上開有折線形開孔，開孔的寬度為1 mm。受激光尺的設計原理啟發(fā)，幕布上形成的垂直方向的線狀光斑在透過后面遮光板時，會與折線孔形成交點。由于折線中的每一條斜線的設計高度是100 mm，寬度是10 mm，且在交點處透射到箱體內(nèi)的光斑高度不同，就可以利用折線的正切值，精準計算出其在水平方向上的分量，從而提高水平方向移動的測量精度。

箱體內(nèi)采集光斑使用的是高分辨率黑白工業(yè)相機，只用于計算光斑幾何中心的位置信息，不僅可以保障采集精度，而且降低了采集信息量，有利于提高軟件部分運算速度，降低成本。相機采集圖像經(jīng)過現(xiàn)有的集成開發(fā)板，計算出現(xiàn)有的光斑幾何中心位置與初態(tài)光斑幾何中心位置之間的水平位置差值，通過無線上傳設備將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行運算處理。

5 軟件部分

5.1 測量流程

根據(jù)有關(guān)規(guī)定，在開裂檢驗開始后，加荷40%然后卸荷至0%作為第一次采集點，這個過程叫作預加荷。結(jié)束預加荷即可以進行初態(tài)采集，采集數(shù)據(jù)通過軟件處理和計算，存入相應的數(shù)據(jù)庫中。之后分別按照出廠檢驗（出廠檢驗指最高加荷至國標規(guī)定值的100%，經(jīng)過測試后合格的錐形混凝土電桿，依然可以正常使用）加荷至20%、40%、60%、80%、100%（如進行型式檢，還需按國標規(guī)定逐級加至滿負荷值的200%，這種檢驗屬于破壞性檢驗，檢驗過后，可以獲得混凝土電桿的更多數(shù)據(jù)，但混凝土電桿性能已經(jīng)發(fā)生變化，不能正常使用）分別進行拍照和光斑位置計算，與第一次采集的位置數(shù)據(jù)求差，獲得稍端偏轉(zhuǎn)量αd，并上傳至上位機進行相應處理。根據(jù)上述流程要求，搭建了如圖6所示的流程。

5.2 圖像二值化處理

進行圖片處理的關(guān)鍵是先將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后將圖片二值化，圖片上的每一個像素點的灰度變?yōu)?或者255，就可以將整個圖像變成黑白圖像。但注意要選取適當?shù)拈撝?，?56個亮度等級的灰度圖像轉(zhuǎn)換為能夠反映圖像整體效果的二值化圖像。

5.3 二值化程序

將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像后，可以用graythresh等函數(shù)來求閾值的分割點，最后再用im2bw函數(shù)對圖像進行二值化處理[3]。圖片二值化的程序如下：

[fn，pn，fi]=uigetfile（‘*.jpg’，’選擇圖片’）;

I=imread（[pn fn]）;%選擇圖片（注意，圖片格式必須為jpg）

I=im2bw（I）;%二值化

figure;

imshow（I）;%顯示二值化后的圖片

去掉轉(zhuǎn)換灰度圖像過程，直接將圖片進行二值化，程序如下：

%I=imread（‘1.jpg’）;%讀圖像

%P=rgb2gray（I）;%轉(zhuǎn)換為灰度圖像

%level=graythresh（P）;%求分割閾值

%I=im2bw（P，level）;%二值化

%imshow（I）;%顯示二值化圖像

%此段為使用了求分割點的函數(shù)

與第一種方法對比發(fā)現(xiàn)，此方法占用運行時間，而且對運算結(jié)果并無影響。因此選用第一種方法，灰度處理與二值化前后圖像對比如圖7所示。

5.4 去除噪聲

去除噪聲是為了將光斑周圍的隨機誤差盡可能地消除。先利用bwlabel函數(shù)標注連通區(qū)域，再通過regionprops函數(shù)找出其中的噪聲區(qū)域并置零，以此達到去除噪聲的目的[4]。

去除噪聲程序如下：

L=bwlabel（I）;%功能：標注二進制圖像已連接的部分。

stats=regionprops（L，{‘Area’，’ConvexHull’，’MajorAxisLength’，’MinorAxisLength’，’Eccentricity’，’Centroid’}）;%用來度量圖像區(qū)域?qū)傩缘暮瘮?shù)。測量標注矩陣L中每一個標注區(qū)域的一系列屬性。L中不同的正整數(shù)元素對應不同的區(qū)域。

A=[];%定義A為空集

for i=1;length（stats）

A=[A stats（i）.Area];%Area是標量，計算出在圖像各個區(qū)域中像素總個數(shù)。

end

[mA，ind]=max（A）;

I1=I;

I1（find（L～=ind））=0;

figure;

imshow（I1）;

5.5 圓擬合代碼過程

temp=stats（ind）.ConvexHull;

t=linspace（0，2*pi，500）;

c1=stats（ind）.Centroid;

% ‘Centroid’是1行ndims（L）列的向量，給出每個區(qū)域的重心。注意：Centroid的第一個元素是重心水平坐標（x坐標）、第二個元素是重心垂直坐標（y坐標）。Centroid 所有其他元素則按照維順序排列[5]。

a1=stats（ind）.MajorAxisLength;

% ‘MajorAxisLength’是標量，與區(qū)域具有相同標準二階中心矩的橢圓的長軸長度（像素意義下）。標準二階中心矩就是標準方差

b1=stats（ind）.MinorAxisLength;

% ‘MinorAxisLength’是標量，與區(qū)域具有相同標準二階中心矩的橢圓的短軸長度（像素意義下）[6]。

d1=stats（ind）.Eccentricity;

% ‘Eccentricity’ 是標量，與區(qū)域具有相同標準二階中心矩的橢圓的離心率（可作為特征）。

5.6 尋找圓心并計算圓心距離

在擬合圓上任取三個點，通過這三個點確定圓的圓心。圓心一旦確立完成，圖像處理就完成了90%，之后再對第二張圖片尋找圓心，得到圖片中光斑的圓心位置后，計算兩個圓心的距離，x與y方向上距離的都要求出并保留。需要注意的是，此時的數(shù)值是像素點個數(shù)，仍然需要進行換算得到以mm為單位的數(shù)值，即所求距離。

5.7 計算圓心之間相距像素數(shù)

首先需要說明的是，保留同時計算x與y的坐標，是考慮到可能攝像頭拍攝得到的圖片是豎直的或者水平的（豎直手機進行拍攝，或者手機水平拍攝兩種情況），所以輸出的結(jié)果可能也會有distance與distance_y兩種[1]，但是程序并不會對圖片的拍攝情況進行分析，所以將兩種結(jié)果都進行輸出，供使用者自行判斷。

5.8 像素數(shù)轉(zhuǎn)化為距離

攝像頭可以在距離幕布20 cm處進行拍攝，或者在定位板與幕布之間緊貼定位板拍攝，只要兩張照片拍攝位置固定，而且兩張圖片上都有光斑即可。像素與距離之間的換算與分辨率有關(guān)。

5.9 設計結(jié)果分析

輸出結(jié)果中distance_300數(shù)值代表在300 dpi下兩張圖片上光斑在x方向上位移了多少距離，也就是稍端偏移量，也是通用狀態(tài)下的輸出結(jié)果;distance_300_y數(shù)值代表在300 dpi下兩張圖片上光斑在y方向上位移了多少距離。結(jié)果顯示時的正負號對結(jié)果并沒有影響，只代表了向左還是向右（x方向上的）。在工作區(qū)部分值會被覆蓋，不具備太多的參考價值，只需要觀察兩個圓心的坐標（x0、y0、x_next、y_next）、distance_300、distance_300_y、distance_72、distance_72_y。

6 結(jié)語

將激光技術(shù)與Matlab軟件聯(lián)合起來，應用到水泥電桿稍端扭轉(zhuǎn)量測量中，得到了測量錐形混凝土電桿開裂檢驗時稍端偏轉(zhuǎn)量的一個技術(shù)新方案。該方案方便現(xiàn)場安裝、精度符合國家標準要求，且操作流程對比《環(huán)形混凝土電桿》（GB 4623—2014）所規(guī)定的流程更加簡化。

本系統(tǒng)采用軟件與硬件相結(jié)合的方式，工作時也可以分開運行，即單獨使用硬件組得到圖像之后，可以上傳并存儲起來，軟件組可以立即處理，或者之后再次進行多組同時處理，以達到實時性要求。應用Matlab可對圖像進行處理并得到準確結(jié)果，而且對圖像清晰度并沒有太高的要求。稍端偏轉(zhuǎn)量測量儀具有實際應用推廣價值。

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