0 引言
隔爆型是应用最广泛的煤矿电气设备防爆型式之一，隔爆型电气设备占井下防爆设备数量的80%以上。隔爆外壳通过隔爆结合面实现对壳内爆炸生成物(火焰)的降温与熄灭作用，其中平面隔爆结合面(以下简称平面结合面)是井下最常见的防爆结构，间隙是其重要技术指标之一，直接影响设备防爆性能[1-4]。平面结合面间隙测量是煤矿防爆检查的重要内容[5]。
现有的间隙测量方法分为接触式和非接触式。探针法是目前最常用的接触式间隙测量方法，采用叶尖放电方式，但探针易受异物及油渍污染造成阻塞，且需要设备断电停机，不适用于井下平面结合面间隙测量。非接触式间隙测量方法主要包括光学测量法、成像测量法等[6-7]，可实现探头不磨损、无损、不断电检测，在国外航空航天、汽车制造等领域应用较成熟，相应的非接触式间隙测量仪器，如gapgun激光间隙枪[8]、gapcontrol系列轮廓扫描传感器[9]等，主要基于激光三角反射式原理设计，间隙分辨率可达20 μm，但测量过程中需要固定夹具的辅助，对工作环境、条件要求苛刻，成本高，不适用于煤矿井下平面结合面间隙日常检查。中国航空工业沈阳发动机设计研究所、哈尔滨工业大学等针对发动机叶片间隙测量展开研究，主要采用光纤法[10]、电容法[11]等进行非接触式测量，缺点是测量系统复杂、成本高、维护困难，不适用于煤矿井下。
目前煤矿井下主要采用塞尺对平面结合面间隙进行例行检查，且需要设备断电停机，测量效率低。本文设计了一种本质安全型矿用防爆电气设备平面结合面间隙测量仪。该仪器通过互成角度的红外激光光源和显微镜模块实时采集设备间隙图像，构建间隙图像特征矩形区域，实现了对平面结合面间隙宽度的非接触式测量，为煤矿隔爆型电气设备安全检查提供了技术方案。
1 测量仪组成及原理
矿用防爆电气设备平面结合面间隙测量仪主要由显微镜模块、嵌入式主板、红外激光光源、电源控制板、电池、显示屏、外壳组件等组成，如图1所示。显微镜模块两侧平行放置2个“一”字型红外激光光源，光源发出激光照射防爆电气设备平面结合面表面。显微镜模块包含集成化的摄像头模组，采集平面结合面间隙实时图像并上传至嵌入式主板。高性能嵌入式主板对图像进行处理及分析，获得镜头与被测设备表面间的距离，从而计算出间隙宽度，并将计算结果传输至显示屏显示。
图1 矿用防爆电气设备平面结合面间隙测量仪组成
Fig.1 Composition of gap measuring instrument of plane
joint-surface for mine explosion-proof electrical devices
红外激光光源光路如图2所示。2个红外激光光源和平面结合面间隙设置在同一个平面上，2个光源与水平轴呈相同角度，光源发出的激光垂直投射到平面结合面间隙上。设光源水平线与平面结合面间隙水平面之间的垂直距离为L，2个光源之间的距离为a，图像分析得2束激光之间的距离为b，光源与水平轴的夹角为θ，则有
(1)
图2 光源光路
Fig.2 Light source path
根据式(1)可得
(2)
由式(2)可知，根据光源与水平轴的夹角及图像中2束激光之间的距离，即可得出光源与平面结合面间隙间的垂直距离。
采用测量仪进行实际测量前先进行参数校正。选取2个光源发出的激光在被测设备表面上的间距b为标定对象，得到b在成像CCD上的长度B。通过实际长度距离b在不同光源水平线与间隙水平面之间垂直距离L下的成像距离B，可推导出成像距离B下每个像素代表的实际距离。根据凸透镜成像原理，凸透镜成像焦距为L，凸透镜与成像间距为F，则光源组成像的放大倍数为
(3)
可根据不同的放大倍数求得L和b的关系，由式(2)、式(3)得出夹角θ和距离L。
设实际测量时CCD上成像距离为B′，则平面结合面间隙宽度为
(4)
2 测量仪设计
2.1 硬件结构
矿用防爆电气设备平面结合面间隙测量仪硬件结构如图3所示。嵌入式主板MPU采用i.mx6ull，基于Linux系统，同时搭载DDR3L和NAND Flash存储器。显微镜模块采用AM4515ZT4电子数码显微镜，放大倍率为400～470，像素为1.3 MP；摄像头采用Color CMOS传感器，像素为1.3 MP，最大帧率为30帧/s，放大倍率为400。
图3 测量仪硬件结构
Fig.3 Hardware structure of measuring instrument
2.2 图像处理算法
受井下光照不均及隔爆外壳表面坑洼、灰尘颗粒多、间隙边缘腐蚀等因素影响，采集的平面结合面间隙原始图像中存在不同程度的噪声和边缘毛刺等问题，增大了平面结合面间隙测量误差，因此，采用OpenCV编程设计了测量仪图像处理算法，通过对原始图像进行二值化、取反、去噪、孔洞填充等预处理，提高图像质量，实现对间隙宽度的精确测量。图像处理流程如图4所示。
图像二值化的关键是选取合适的阈值，像素灰度超过阈值为待提取目标，反之为背景。设采集的原始图像为f(x,y),(x,y)为图像中任意像素点坐标,阈值为T，则二值化后的图像为
图4 图像处理流程
Fig.4 Image processing flow
(5)
本文采用OTSU阈值法进行二值化处理，结果如图5所示。
图5 二值化间隙图像
Fig.5 Binarized gap image
对二值化图像进行取反、去噪、孔洞填充、小面积干扰项去除等处理，得到带有毛刺的二值化图像，如图6所示。
图6 带有毛刺的二值化间隙图像
Fig.6 Binarized gap image with burr
采用先腐蚀缩减间隙区域、后膨胀扩张间隙区域的方法消除间隙图像边缘毛刺。创建以10个像素为半径的圆形卷积模板与图像进行卷积运算，对图像进行腐蚀，缩减线状间隙。之后创建以8个像素为半径的圆形卷积模板，通过卷积运算对图像进行膨胀，扩张间隙并填充间隙中的孔洞。消除毛刺后的二值化间隙图像如图7所示。
图7 消除毛刺后的二值化间隙图像
Fig.7 Binarized gap image after eliminating burr
针对边缘清晰的二值化间隙图像，求取其最小外接矩形，即为间隙区域。根据最小外接矩形面积、周长，求出矩形宽度，即为平面结合面间隙宽度平均值。
3 间隙测量及结果分析
采用测量仪测量矿用防爆电气设备平面结合面间隙时，应与间隙保持垂直，以获取清晰的间隙图像。对原始图像进行处理后得到轮廓清晰的线状间隙，进一步采用手动或自动测量模式获取间隙宽度数据。自动测量模式通过最小外接矩形图像处理算法计算间隙宽度数据，方便快捷。手动测量模式通过人工定位线状间隙的2条长边，计算得到间隙宽度数据，测量精度高。可根据实际情况，通过测量仪按键选择间隙测量模式。
3.1 自动测量
采用自动测量模式时，测量仪通过摄像头采集矿用防爆电气设备平面结合面间隙图像并上传至嵌入式主板，经图像预处理及最小外接矩形图像处理算法处理，获得目标间隙宽度，并实时显示在显示屏中。
测量仪中显微镜模块含有专用测微校正尺，其包含已知线宽的标准线，用于测量仪日常标定和误差分析。0.01 mm标准线的标定结果如图8所示，经计算间隙宽度标定值为0.012 mm，像素为92。0.03标准线的标定结果如图9所示,标定值为0.035 mm，像素为32.6。进一步采用其他标准线对测量仪进行标定，结果见表1。可见自动测量模式下间隙测量误差绝对值不超过0.02 mm，满足间隙快速粗略测量要求。
(a) 原始图像
(b) 标定图像
图8 0.01 mm标准线标定结果
Fig.8 Calibration result of 0.01 mm standard line
(a) 原始图像
(b) 标定图像
图9 0.03 mm标准线标定结果
Fig.9 Calibration results of 0.03 mm standard lines
表1 自动测量模式下标准线宽度理论值与标定值比较
Table 1 Comparison between theoretical values and the
calibration ones of standard lines under automatic
measurement mode mm
理论值标定值绝对误差理论值标定值绝对误差0.010.0120.0020.100.10000.020.0230.0030.200.196-0.0040.030.0350.0050.300.3120.0120.050.0540.0040.500.480-0.0200.070.0720.002
根据标准线宽度标定结果，对矿用防爆电气设备平面结合面间隙宽度进行分析。自动测量模式下图像处理结果如图10所示。可看出原始图像受灰尘或表面坑洼等因素影响存在较多噪声，需进一步清除；二值化图像边缘模糊，且存在很多小面积干扰项，可通过设置适当阈值去除；填充孔洞后的图像中模糊边缘被有效去除；去除小面积干扰后，得到清晰的线状间隙图像，经图像处理得出的最小外接矩形以蓝线框出。结合标准线标定结果，计算得该间隙最大宽度为0.05 mm。
(a) 原始图像
(b) 二值化图像
(c) 填充孔洞后图像
(d) 去除干扰后图像
图10 测量仪自动测量模式下图像处理结果
Fig.10 Image processing results of measuring instrument
under automatic measurement mode
3.2 手动测量
手动测量模式结合人工操作和图像处理对矿用防爆电气设备平面结合面间隙宽度进行测量。人工操作时通过目视确定线状间隙边缘，减少图像处理过程中因噪声等因素造成的测量误差。
测量仪设计了4个按键用于调节参数和人工定位间隙边缘。采用手动测量模式时，测量仪通过摄像头采集图像并实时显示在显示屏中，通过操作显示屏中按钮，手动确定目标间隙的边缘，结合图像处理算法得出间隙2条长边的距离，最终获得间隙有效宽度。
采用手动测量模式时显示屏界面如图11所示。通过显示屏中按键手动调整图像中的测量线，先粗调将测量线靠近目标间隙边缘，再经旋转、移动等微调使测量线与间隙边缘重合，从而确定间隙的起点、终点测量线。经图像处理，计算2条测量线的间距，获得间隙宽度精确测量值。
图11 手动测量界面
Fig.11 Manual measurement interface
通过手动测量模式测量显微镜模块中校正尺的标准线，结果见表2，相对误差如图12所示。可看出采用手动测量模式时，间隙宽度测量绝对误差不超过0.01 mm，相对误差不超过7%，能较好地满足矿用防爆电气设备平面结合面间隙测量精度要求。
表2 手动测量模式下标准线宽度测量结果
Table 2 Measurement result of standard lines under
manual measurement mode mm
理论值测量值绝对误差理论值测量值绝对误差0.010.010 10.000 10.100.102 00.002 00.020.021 30.001 30.200.189 0-0.011 00.030.030 000.300.304 00.004 00.050.051 90.001 90.500.498 0-0.002 00.070.068 0-0.002 0
图12 手动测量相对误差
Fig.12 Relative errors of manual measurement values
4 结语
矿用防爆电气设备平面结合面测量仪通过图像处理实时获得间隙宽度数据，可实现平面结合面间隙的无接触式快速测量。该测量仪在自动测量模式下测量过程不超过3 s，手动测量模式下精度小于0.01 mm。在进行井下隔爆型电气设备防爆检查中，可通过自动测量模式快速确定较危险的平面结合面间隙，再结合手动测量模式进一步精确测量，实现快速、准确的间隙宽度测量。
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