唐明洲，楊麗紅，王景良

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

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石油管材內(nèi)涂層膜厚檢測系統(tǒng)的參數(shù)辨識

唐明洲，楊麗紅，王景良

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

針對如何提高石油管材內(nèi)涂層膜厚檢測系統(tǒng)精度，基于直射式激光三角法原理建立了光學(xué)系統(tǒng)模型，并運(yùn)用Matlab對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計加工了一種新型小口徑管材的檢測系統(tǒng)。通過對傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，應(yīng)用二值化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確定了參數(shù)b對光學(xué)系統(tǒng)靈敏度影響最大，基于參數(shù)辨識進(jìn)行校正確定了參數(shù)b的實(shí)際值為33.88 mm。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，辨識出的參數(shù)b可以使測試系統(tǒng)的精度滿足±0.02 mm的要求，相對于傳統(tǒng)標(biāo)定方法測量精度可提高1個數(shù)量級。

激光三角法；精度；標(biāo)定；參數(shù)辨識

TANG Mingzhou, YANG Lihong, WANG Jingliang

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

石油在世界能源消耗中約占40%，石油含有的腐蝕性介質(zhì)對開采和運(yùn)輸過程中使用的管材產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。為了提高管材防腐性能、延長管材壽命，通常在管材內(nèi)壁均勻噴涂改性環(huán)氧酚醛樹脂進(jìn)行內(nèi)涂層處理。涂層厚度是防腐檢測的重要指標(biāo)[1]。

涂層厚度常用檢測方法有：超聲法、射線法、渦流法、激光法。鄭金華等[2]利用小波變換模極大值法和Lipscchitz指數(shù)法實(shí)現(xiàn)了超聲信號在不同界面處檢測，但涂層厚度為80～150 μm。任家富等[3]應(yīng)用研發(fā)的同位素 X 射線熒光分析儀，對 3 種樣品(鐵基鍍鋅、鐵基鍍鎘和汽車涂層)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果表明該方法測量精度達(dá) 2%～4%，但X射線有輻射對人體有傷害。岳秀芳等[4]采用不同擬合信號函數(shù)對渦流信號與提離距離進(jìn)行標(biāo)定，較大提高渦流測厚的精度，但是0～5 mm量程范圍的誤差只控制在0.09 mm以內(nèi)。周晨波等[5]利用激光非接觸點(diǎn)掃描測量涂層厚度的方法，達(dá)到涂層厚度重復(fù)性誤差在±5 μm以內(nèi)。激光三角法是光電檢測中一種非接觸式測量方法，具有體積小、精度高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、對被測面要求低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)在線檢測[6-8]。

試驗(yàn)所用被測石油管材的內(nèi)徑在Φ50.8～Φ69.75 mm之間，傳統(tǒng)激光傳感器的尺寸較大，無法進(jìn)入管材內(nèi)部，需設(shè)計體積較小的激光傳感器。通常石油管材內(nèi)涂層濕膜厚度0.16～0.25 mm，檢測誤差控制在 0.02 mm以內(nèi)，傳統(tǒng)激光檢測系統(tǒng)不能滿足測量精度要求。

本文提出了一種新型激光檢測系統(tǒng)，目的在于提高管材涂層膜厚檢測的精度?；趨?shù)辨識建立了關(guān)鍵參數(shù)b的辨識模型，并通過標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 檢測系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)以上測量要求，搭建涂層膜厚自動測量系統(tǒng)包括被測管材、檢測系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)及控制系統(tǒng)4部分。檢測系統(tǒng)由傳感器和數(shù)據(jù)采集與處理電路構(gòu)成，是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1.1 傳感器設(shè)計

激光傳感器工作原理如圖1所示。激光器發(fā)出的光束經(jīng)會聚透鏡聚焦后垂直入射到被測物體表面上，接收透鏡接收被測物體的漫反射光，將其成像在探測器CCD上。當(dāng)被測物體在一定范圍內(nèi)接近或遠(yuǎn)離激光發(fā)射器時，探測器敏感面上的像點(diǎn)位置隨之發(fā)生變化，通過檢測像點(diǎn)的位移變化量，經(jīng)計算可得到被測物體表面位置的變化量。

圖1 直射式三角法原理圖

假設(shè)被測物體移動的距離為x，像點(diǎn)在探測器敏感面上移動的距離為y，根據(jù)相似三角形各邊之間的比例關(guān)系，可求得x與y的關(guān)系式

(1)

式中，α為激光束光軸和接收光軸的交點(diǎn)到接收透鏡前主面的距離；b為接收透鏡后主面到成像面中心點(diǎn)的距離；α1為激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角；α2為探測器與接收透鏡光軸之間的夾角；β=b/a為橫向放大率。CCD作為光電信號接收器，通過檢測CCD上光斑中心位置的變化量y，運(yùn)用式(1)計算可以得到被測物表面位置的變化量x，即濕膜的厚度。

當(dāng)被測物表面相對基準(zhǔn)位置靠近激光器時，位移為負(fù)；遠(yuǎn)離激光器時，位移為正。測量系統(tǒng)要在管材內(nèi)部實(shí)現(xiàn)定位、定點(diǎn)測量4個值，因此需在管內(nèi)旋轉(zhuǎn)。噴涂前后各測量一次，得到4個位置的膜厚值，再計算平均膜厚，誤差不超過0.02 mm。

為減小傳感器的體積，在測量條件確定后，以光學(xué)系統(tǒng)最大靈敏度[9]為目標(biāo)函數(shù)，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到光學(xué)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。光學(xué)系統(tǒng)中各參數(shù)決定了激光發(fā)射器、雙膠合透鏡、探測器CCD間的相對位置，在制造安裝過程中，這些參數(shù)與設(shè)計參數(shù)間存在誤差，必須考慮這些參數(shù)綜合作用的影響，確定其公差范圍，確保因各參數(shù)誤差導(dǎo)致的光斑中心位置變化值小于CCD的最小像元尺寸。對光學(xué)系統(tǒng)的靈敏度和分辨力進(jìn)行分析，綜合各因素的影響，應(yīng)用Matlab，最終確定的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)及公差為

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)各參數(shù)在此公差范圍內(nèi)變化時，在CCD上成像的光斑中心位置變化均小于最小像元7 μm，認(rèn)為光斑中心位置近似不變。而且，被測物表面位置變化值Δx=0.02 mm，根據(jù)式(1)得光斑在CCD上的位移變化值Δy=0.015 mm>0.007 mm，即當(dāng)被測物表面位置變化0.02 mm時，CCD能夠分辨出被測物的位移。

1.2 傳感器殼體設(shè)計及加工

根據(jù)確定的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)及公差，設(shè)計加工了傳感器殼體。傳感器裝配圖如圖2所示。

圖2 傳感器裝配圖

激光器發(fā)出的光線經(jīng)被測物體漫反射后若能良好的成像在CCD上，則須激光器的光線、接收透鏡的主光軸、CCD感光面三者位于同一平面內(nèi)。

2 傳感器標(biāo)定

標(biāo)定是設(shè)計、制造和使用傳感器的重要環(huán)節(jié)[10-11]。標(biāo)定的基本方法是將已知的標(biāo)準(zhǔn)被測量輸入到待定的儀器中，得到輸出量，對獲得的輸入量及輸出量之間進(jìn)行處理和比較，得到兩者對應(yīng)關(guān)系曲線。

2.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，檢測距離的改變通過精密位移工作臺控制傳感器的移動來實(shí)現(xiàn)，工作臺位移最小分辨率為0.016 μm；激光器波長635 nm，光斑直徑大小1～2 mm，功率5 mW；接收透鏡為雙膠合透鏡，焦距f=20 mm,d=8 mm；光電接收器件線陣CCD為TCD1501D，有效像元長度為37.38 mm，像元數(shù)5 340個。為防止CCD過飽和，連接了可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)激光的強(qiáng)弱；為消除雜光的影響，在接收透鏡前裝有濾光片。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置包括被測物、傳感器、位移工作臺、數(shù)據(jù)采集電路和上位機(jī)。

圖3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置

標(biāo)定過程：(1)調(diào)整工作臺，安裝傳感器，搭建電路,如圖3所示；(2)確定基準(zhǔn)位置。調(diào)節(jié)精密位移工作臺，設(shè)定初始位置，該初始位置為激光傳感器與被測物之間的實(shí)際距離；(3)調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度，防止CCD過飽和輸出；(4)數(shù)據(jù)采集。從基準(zhǔn)位置分別向近端和遠(yuǎn)端方向移動精密工作臺，每隔0.16 mm、0.2 mm、0.25 mm測量一次，記錄CCD輸出數(shù)據(jù)；(5)數(shù)據(jù)處理。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

測量系統(tǒng)精度主要依賴于數(shù)據(jù)處理的精度[12-13]。本文首先對測量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波和二值化[14]處理，然后確定光斑中心位置，根據(jù)測量的光斑中心位置差值y，代入式(1)計算，得到試驗(yàn)的計算距離x，應(yīng)用Matlab將試驗(yàn)計算值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合[15]，將擬合曲線與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，可以判斷標(biāo)定曲線的準(zhǔn)確性，印證此數(shù)據(jù)處理方法的可行性。

圖4 標(biāo)定曲線與標(biāo)準(zhǔn)值對比圖

圖5 標(biāo)定誤差曲線Δx1

此時得到的標(biāo)定曲線與標(biāo)準(zhǔn)值的對比圖如圖4所示。為了判別標(biāo)定精度，將參與標(biāo)定像素坐標(biāo)y代入標(biāo)定模型，求出其在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值x01，用標(biāo)定原始數(shù)據(jù)x0作為基準(zhǔn)，驗(yàn)證該模型的標(biāo)定精度。記Δx1=x0-x01為該組數(shù)據(jù)原始的標(biāo)定誤差，如圖5所示，max|Δx1|=0.371。誤差較大，需要對光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行校正。

通過分析，角度α1、a2， 由限制傳感器殼體的公差來保證，這兩個角度幾乎不變，對測量結(jié)果影響較小，暫不考慮；參數(shù)α可由傳感器殼體上的兩個定位孔與定位塞來保證，α值也可認(rèn)為近似不變；由于CCD的感光面在CCD內(nèi)部，感光面至CCD表面的距離無法確定，因此實(shí)際的b值也無法確定。對靈敏度的分析[17]得知：參數(shù)b對靈敏度的影響較參數(shù)a大，要得到準(zhǔn)確的標(biāo)定結(jié)果，可通過參數(shù)辨識的方法得到實(shí)際的b值，再進(jìn)行計算。

3 基于參數(shù)辨識的傳感器校正

3.1 參數(shù)辨識模型

圖6為傳感器參數(shù)辨識建立的基本模型，并依據(jù)圖1，以激光器軸線與光軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)，過該點(diǎn)的水平線即基準(zhǔn)面為橫軸m，激光光軸為縱軸n，確定CCD的位置方程；透鏡位置以及光軸方程；被測物上下移動時，成像光斑的軌跡方程。

圖6 傳感器參數(shù)辨識基本模型

CCD所在面位置方程

n=-0.700 2m+87.64

(2)

透鏡光軸位置方程

(3)

近端光路位置方程

(4)

遠(yuǎn)端光路位置方程

(5)

聯(lián)立方程(2)、式(4)和式(2)、式(5),計算可得到整個量程范圍內(nèi)成像光斑在CCD上移動的范圍，即CCD的有效使用長度。理論上，整個量程內(nèi)所占CCD像元長度為15.34 mm，所占像元數(shù)2 191.4個。由于傳感器標(biāo)定過程中，各光學(xué)器件間的相對位置是不變的，標(biāo)定時根據(jù)測量的遠(yuǎn)端和近端位置，分別找到成像光斑在CCD上的兩個極限位置，結(jié)合參數(shù)辨識模型，計算得到CCD的實(shí)際位置方程，結(jié)合幾何學(xué)知識，進(jìn)而求出實(shí)際的b值。

3.2 參數(shù)辨識后的標(biāo)定結(jié)果

運(yùn)用參數(shù)辨識的方法，分別求出兩極限位置對應(yīng)的CCD上成像光斑的中心位置，計算出實(shí)際上整個量程在CCD上的成像長度。

圖7 校正后標(biāo)定曲線與標(biāo)準(zhǔn)值對比圖

由圖7可知，若實(shí)際成像長度大于理論成像長度則實(shí)際b值偏大，若實(shí)際成像長度小于理論成像長度則實(shí)際b值偏小。由于光學(xué)系統(tǒng)中除了CCD的感光面所在位置，其余位置均已確定，結(jié)合幾何學(xué)知識，對b值進(jìn)行處理，最終求得實(shí)際b值為33.88 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)b值。

修正b值后得到的標(biāo)定曲線與標(biāo)準(zhǔn)值的對比圖如圖8所示。記Δx2=x0-x02為該組數(shù)據(jù)應(yīng)用參數(shù)辨識方法校正后得到的標(biāo)定誤差，max|Δx2|=0.018，系統(tǒng)的標(biāo)定誤差大幅減小。

圖8 校正后標(biāo)定誤差曲線Δx2

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證參數(shù)辨識校正后標(biāo)定方法對未參與標(biāo)定數(shù)據(jù)同樣有效，另取兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。這兩組數(shù)據(jù)在標(biāo)定前的標(biāo)準(zhǔn)距離已知，根據(jù)CCD上光斑中心位置的像素值變化量代入標(biāo)定模型，分別求得其在坐標(biāo)系中坐標(biāo)值x03和x04，用標(biāo)準(zhǔn)值x0分別減去x03和x04，得到這兩組數(shù)據(jù)在參數(shù)辨識校正后的誤差Δx3、Δx4，其誤差曲線如圖9所示，max|Δx3|=0.018，max|Δx4|=0.017。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)參數(shù)辨識后，測量誤差均<±0.02 mm，滿足測試精度要求。

圖9 未參與標(biāo)定模型計算數(shù)據(jù)的誤差曲線

因此，該方法具有通用性，參數(shù)辨識后進(jìn)行標(biāo)定的方法比傳統(tǒng)標(biāo)定方法精度提高了一個數(shù)量級，滿足5寸系列小口徑管材測量要求。

5 結(jié)束語

(1)依據(jù)直射式三角法原理，建立光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化模型。通過Matlab確定最優(yōu)光學(xué)參數(shù)，設(shè)計加工了一種新型激光傳感器用于小口徑管材內(nèi)徑涂層膜厚的檢測；

(2)進(jìn)行傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，運(yùn)用二值化數(shù)據(jù)處理方法，分析測試結(jié)果，確定了參數(shù) 對CCD靈敏度影響較大。基于參數(shù)辨識，重新建立模型，獲得CCD實(shí)際位置方程，求得辨識參數(shù) 值為33.88 mm；

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，基于參數(shù)辨識，光學(xué)系統(tǒng)測量精度能夠滿足±0.02 mm的要求，該方法對光學(xué)系統(tǒng)具有通用性。根據(jù)光學(xué)三角測距標(biāo)定的基本模型及參數(shù)辨識方法對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，相對于傳統(tǒng)標(biāo)定方法測量精度可提高 1 個數(shù)量級。

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Parameter Identification of the Measurement System for Detecting Internal Coating Thickness of Oil Pipes

A new type of small diameter pipe detection system is designed to improve precision of detection system for oil-pipe internal coating thickness. The optical model is established based on the direct laser triangulation principle with its parameters optimized through MATLAB. The calibration experiment of the sensor is carried out and the data are processed by binarization. The parameter b, the most important effect on sensitivity of optical system, is corrected based on parameter identification. The actual value of the parameter b is 33.88 mm. A second calibration experiment is carried out, and its results indicate that using the identified b improves the measuring precision at the range of ±0.02mm, which meets the measuring requirement. The measuring precision by this calibration method based on parameter identification improves one order of magnitude over those by the traditional calibration method.

laser triangulation; precision; calibration; parameter identification

2016- 01- 04

上海市寶山區(qū)科學(xué)技術(shù)委員會產(chǎn)學(xué)研合作基金資助項(xiàng)目(CXY-2012-06)

唐明洲(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：石油管道內(nèi)壁膜厚的厚度測量。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.035

TN247；TP273

A

1007-7820(2016)10-122-05