摘要:管道是氣體和液體傳輸的重要手段,管道內表面的檢測對于工業和國防中管道泄漏事故的預防,減少環境污染和經濟損失非常重要。隨著電子和半導體技術的發展,光電器件逐步趨于小型化。介紹了基于激光陣列、PSD光電檢測、光環截面以及結構光檢測等光電檢測方法的測量原理和系統構成,并在此基礎上對不同光電檢測方法的優缺點進行了分析和比較。分析結果表明:光電檢測技術適用于管道內表面檢測;并朝著快速識別缺陷、管道內表面瑕疵的精確三維測量以及三維圖像直觀顯示管壁缺陷的方向發展。
關鍵詞:管道內表面檢測;光學三角法;光電檢測;激光光源
0 引言
管道作為常用氣體和液體的傳輸手段,已被廣泛應用于石油、化工、國防及排污等領域。由于工業管道長期使用后容易發生腐蝕,而且管道內部的潛在缺陷也會發展成破損而引起泄漏事故,因此必須定期對管道內部進行檢測。
用于排污和輸油的管道直徑通常較大,其內表面檢測空間較大,對傳感器的體積要求不很苛刻,且傳感器的驅動相對簡單。而管徑范圍在20mm～100mm的細管道在石油化工、能源和航空航天等領域有著廣泛的應用,石油化工行業中占工藝設備總量50%以上的換熱器和裂解反應器中管道直徑通常小于50mm,由于細管道檢測空間狹窄,目前仍然是管道內表面檢測的難點。石油化工工藝設備中的細管道中流過的氣體和液體長期處于高溫、高壓狀態,且具有毒性和腐蝕性強等理化特性,長期使用后管道因腐蝕等作用可能出現裂紋等缺陷,易發生泄漏事故而引起重大的經濟損失。此外國防工業中槍炮管的內徑都小于幾十毫米,對槍炮管進行定期檢測也是保證武器裝備安全運行的重要前提。因此細管道內表面的定期檢測,可以預防管道事故并為合理維護提供科學依據,同時可以減少管道維修費用和環境污染,避免不必要的經濟損失,因此管道檢測在工業生產和國防工業中具有重要的意義。
針對排污、輸油等大管徑管道的內表面,其檢測方法主要有超聲波檢測、漏磁檢測以及射線法等。超聲波及漏磁等檢測技術通過向管道內表面發射并接收相應的反射信號,利用檢測到的信號變化實現管道壁厚與瑕疵的檢測[2],這些檢測技術需要在管道某個截面附近多次發射和接收信號才能完成管道截面的檢測,檢測效率低,且對內表面的檢測是間接的,不具有可見性,同時由于對噪聲較敏感容易發生誤檢。由于管道具有封閉性,細管道內表面的檢測空間狹窄,對于傳感器的體積要求較為嚴格,因此管道內表面檢測傳感器的小型化一直是細管道內表面檢測技術研究的一個重點。隨著計算機技術和光電子技術發展而逐漸成熟的光電檢測技術由于具有非接觸、信息量大、自動化程度高等特點已經被國內外學者應用到管道內表面檢測領域。同時伴隨電子和半導體技術的發展,光電器件也逐步向小型化發展,使得光電檢測技術越來越多地被用于細管道內表面檢測。目前,用于管道檢測的光電檢測方法主要有攝像法、激光掃描法、視覺檢測法和基于光電敏感器件的檢測方法等。光電檢測方法不僅可以直接檢測到管道內表面的裂紋和瑕疵,而且可以對裂紋和瑕疵進行精確三維測量和定位。其中視覺檢測技術由于具有可見性和信息量大等優點越來越受到國內外學者的重視,被廣泛應用到管道內表面檢測中。
1? ? ?管道內表面光電檢測方法
1.1基于內窺鏡的視頻法
視頻法管道內表面檢測系統主要由1臺或多臺CCTV攝像機、管道爬行器以及用于增大視場的內窺鏡等組成。檢測時,爬行器帶動攝像機在管道內行進,安裝在攝像機上的內窺鏡可以增大拍攝角度,拍攝到管道整個截面的內部場景。檢測人員根據攝像機拍攝的管道內表面錄像來判斷管道內壁是否有缺陷。由于管道內部比較黑暗,視頻法需要照明光源。隨著半導體和電子技術的發展,視頻法原來的CCTV攝像機已經被CCD(chargecoupleddevice)數字化攝像機替代,而且隨著數字圖像處理技術和人工智能技術的發展,開始采用計算機進行圖像處理和識別來檢測管道內壁的缺陷,克服了CCTV攝像機人工檢測費時、人為因素干擾大的缺點。視頻檢測法只能判斷管道內表面是否有瑕疵和裂紋等,不具有測量的功能,不能對管道內表面缺陷進行精確三維測量和定位。
1.2激光陣列法
該檢測方法采用點陣形式的激光光源向管道內壁投射點陣光源,利用光學三角法進行管道內表面的三維測量[3]。激光器發射的激光經過光纖陣列后調制成矩形陣列的平面光源,如圖1所示。該光源投射到管道內表面,利用CCD攝像機拍攝陣列圖像,用光學三角法來進行三維重構。這種檢測方法不是在一個垂直于管道軸線的截面上投射圓形光帶,可是以檢測管子的三維形貌,用做判斷管子的形狀是直線形、L形還是T形。這種檢測手段傳感器結構復雜,且測量精度和陣列分布與系統結構有關。
圖1 激光陣列檢測原理
1.3光環截面成像法
光環截面法通過向管道內表面投射激光光環,利用激光光環反射的管道內表面信息來檢測裂縫和瑕疵。系統結構如圖2所示,檢測系統由半導體激光器、光學系統和CCD攝像機組成。激光器發出的激光被光學系統調制成寬光帶的圓環,投射到管道內表面,在管內壁形成具有一定寬度的環形光帶,CCD攝像機拍攝帶有管道內表面信息的圓環光帶,具有圓環光帶的管道內表面圖像被傳輸到計算機中,利用人工智能算法通過分析圓環圖像的灰度來判斷環形帶內是否有裂紋等疵病。為了提高管道內壁的亮度,使得圖像更清晰,檢測系統設計要求環形光帶越寬越好。根據瑕疵在圖像中的位置,利用透視投影原理計算瑕疵在截面上的二維坐標。瑕疵在管道內的軸向位置通過三角法計算可得,圖2中,L為激光器及其所投射的光環之間的距離;A為光環寬度;R為管道內半徑;α1為激光器和光環左側邊緣的錐面夾角;α2為光環寬度相對于激光投射器的夾角。
當激光器中心和管道截面中心不在同一軸線上時,需根據激光器偏離軸線的距離校正瑕疵的軸向位置。光環截面法檢測要求光環越寬越好,但隨著光環寬度增加,瑕疵的軸向定位精度隨之降低。
圖2 光環截面法檢測管道內表面
1.4圓結構光視覺檢測法
圓結構光檢測方法是一種主動視覺檢測方法,和光環截面法不同,圓環結構光視覺檢測利用調制的光條信息通過光學三角法來恢復三維信息,因此光條越窄測量精度越高。結構光視覺檢測原理如圖3所示,結構光源發射出的光平面投射到三維物體上,交線為含有三維物體形狀信息的明亮的光條,對應在攝像機拍攝的圖像上有相應的光條。假設C為投射在三維物體上光條的任一點,結構光源坐標系原點為A,攝像機坐標系原點為B,結構光與攝像機之間的距離為b,測量時被測物、結構光源和攝像機三者的相互位置關系固定,即W,h,b為已知參量,則在ΔABC中,利用三角關系可以唯一確定C點的三維位置。
圖3 結構光視覺測量原理
圓結構光測量系統結構如圖4所示,和通常采用橫向排列方式的結構光視覺測量系統不同,CCD攝像機和圓結構光投射器采用徑向排列方式,徑向結構可以有效減小傳感器的體積,適于小管徑管道內表面的測量。圓結構光投射器由半導體激光器和一個錐面反射鏡組成,激光器發射的光到達錐面反射鏡上,經錐面鏡反射形成均勻的圓光條反射到管道內壁。測量時半導體激光器和CCD攝像機固定不動,被測物體被固定在一維移動設備上沿管道軸線方向移動。攝像機拍攝帶有管道內表面三維信息的圓光條圖像,在對圓錐光平面、攝像機及其激光器之間位置關系標定后即可測量管道內表面精確的三維信息。
圖4 圓結構光檢測系統
1.5基于位置敏感器(PSD)的檢測方法
基于位置敏感器的內表面檢測方法利用激光三角法和光學掃描原理實現三維測量。位置敏感器(positionsensitivedevice)是一種側向效應硅光電器件,當入射光照射到二維PSD光敏面上時,PSD會產生4路電流,利用4路電流和光敏面中心的關系可以確定入射光點在光敏面上的位置,進一步通過光學三角法確定空間點的三維坐標。PSD具有響應速度快、可連續采樣、信號處理相對簡單等特點。基于PSD的內表面檢測系統如圖5所示,主要由激光光源、反射鏡、透明窗、旋轉平面鏡、透鏡和PSD組成。激光光源發出的光束經反射鏡反射后,在管道內壁上形成微小光點D,該光點由透鏡接收后在PSD光敏面上得到像點N,點D和點N到檢測器中軸線的距離分別為R和r,掃描反射鏡的偏轉角為U,透鏡主面間距為d,B為激光束和掃描反射鏡面的交點,B′是B關于帶孔發射鏡面的對稱點,L表示點B′到PSD光敏面的距離,f為透鏡組左主面到PSD光敏面的距離。根據光學三角關系,可以求得管道內壁點D到檢測器中軸線的距離R。掃描反射鏡繞管道中軸線旋轉360°,即可實現管道內壁截面的三維檢測。由于透明窗引起的光線折射會產生偏差,在計算時需要修正由于折射引起的偏差。如果管道內表面沒有缺陷,則該截面對應的R值相等;如果有缺陷,則R值會發生變化。
圖5 基于PSD的檢測系統及原理
2? ? ?管道內表面光電檢測方法的比較和分析
視頻法、光環截面法、基于PSD的檢測方法以及圓結構光視覺檢測法都能實現細管道內表面的檢測,和其他管道檢測方法相比,具有可見性且檢測效率高的特點。視頻法檢測獲取的信息量大,但是早期視頻法采用人工方法判斷瑕疵,非常耗時且容易受到人為因素的干擾。隨著數字圖像處理技術和計算機技術的發展,視頻法檢測技術向如何獲取清晰的管道內表面二維圖像以及如何根據二維圖像信息提高對瑕疵、裂紋等缺陷判斷的速度和準確率的方向發展。但視頻檢測法沒有量化測量的能力,不能實現管道內壁三維形貌的精確測量,對于需要進行預測估計的管道瑕疵,它無法提供高精度的三維數據。
光環截面法利用拍攝圖像中圓光環灰度的異常來判斷瑕疵,光環可以為封閉管道提供較好的照明,增加了圖像的清晰度。光環截面法利用人工智能技術分析,根據獲取的圖像灰度信息來判斷管道內表面是否有裂紋等疵病。管道內表面的測量精度和投射的圓環寬度有關,且相鄰位置的圓環光帶容易發生信息重疊。和視頻法相比光環截面法可以對瑕疵進行較為準確的定位,但該方法要求視覺傳感器的軸線和管道軸線同軸,對測量系統的裝配和測量環境要求高,其對瑕疵和缺陷的定位精度與激光投射器和管道軸線同軸度有關。
激光陣列法和基于位置敏感器的檢測方法利用光學三角法和掃描原理實現管內壁任意點的精確三維測量,但對于管道某個內壁截面的測量需要機械或者光學掃描裝置進行多次采集數據才能實現。因此這兩種方法系統結構較為復雜,一次數據采集量小且基于位置敏感器的檢測方法由于傳感器自身遮擋對于管道內表面存在測量盲區。
基于圓結構光的檢測方法是隨著計算機技術和電子技術的發展而發展起來的新型光電檢測方法,該方法由攝像機拍攝管道內表面結構信息的圓結構光條,利用精確標定的三維數學模型實現管道內表面高精度的三維測量。和其他光電檢測方法相比,圓結構光檢測方法可以實現精確的三維測量,系統結構簡單,且對系統安裝要求不高,適用性較強。
3? ? ?結論和展望
由于光電檢測技術具有非接觸和測量速度快的特點,目前已被廣泛用于管道內表面檢測。基于攝像機的視頻法只能實現管道內表面的二維檢測,而光環截面法不僅能判斷內表面的瑕疵和缺陷,并能對瑕疵進行定位。基于位置敏感器的檢測方法只能實現管道內任意一點精確的三維測量,需要多次掃描才能實現一個截面的測量。圓環結構光視覺檢測方法可以利用三維重構數學模型對管道內表面進行精確的三維測量,測量效率和精度都比較高。目前管道檢測技術正朝著快速診斷、分析、識別缺陷,對管道內表面瑕疵進行精確三維測量以及三維圖像直觀顯示管壁缺陷的方向發展。因此,針對管道內表面的光電檢測技術也必然向著精確三維測量和快速恢復三維形貌的方向發展。結構光視覺檢測技術作為高精度三維測量的新興檢測技術適應管道內表面檢測的發展方向。
論文題目：細管道內表面光電檢測方法研究
作者：王穎,王建林(北京化工大學，信息科學與技術學院)