基于激光传感器和光栅尺的波纹管尺寸高精度测量系统的应用

常伟 金东义 闫鸣旭 韩策

(国机传感器科技有限公司 辽宁沈阳 110034)

近年来，随着国民经济的快速发展，管道越来越广泛地应用于供暖、供热、石油、电力、天然气输送等领域，在这些领域中，常常需要对管道的热胀冷缩和移动变形进行补偿，提高管道的可靠性与安全性，以避免因管道形状变化所引发的严重事故。金属波纹管能有效地补偿管道轴向变形，它能沿管道轴线方向伸缩，也允许少量弯曲[1-2]。

随着金属波纹管大批量生产，其合格性能检验变得尤为关键，其中波纹管几何尺寸测量最为重要，几何尺寸测量包括波纹管总长度、波纹波高、波纹波距等重要参数。目前，国内生产商在测量这些参数时，还处于手工测量阶段，测量效率低、精度有待提高、劳动强度大，自动化程度不高，一定程度上限制了金属波纹管的生产、检验、标定、实验等。

本文设计了一种基于激光传感器和光栅尺的波纹管尺寸高精度测量系统，采用被测对象相对静态状态，运动机构移动测量的方式，既可以测量波纹管总长度，又可以测量波纹管波纹的波高与波距，测量精度可达0.02 mm，适用于管径最大1 800 mm，波高、波距最大60 mm的波纹管几何尺寸高精度测量[3-4]。

1 总体结构

系统总体结构包括上位机、可编程逻辑控制器（PLC）、运动机构、光栅尺、高精度激光传感器、待测波纹管，如图1 所示。各部位结构用途说明与连接方式如下。

图1 总体结构示意图

（1）上位机的用途包括在测量过程中发送指令、数据存储、数据计算、人机互动等功能，分别与可编程逻辑控制器、高精度激光传感器通过网线通信端口相连接。

（2）可编程逻辑控制器负责控制运动机构、接收光栅尺数据并打包发送数据到上位机；其输入端与光栅尺输出端相连接，输出端与运动机构输入端相连接。

（3）运动机构负责带动激光传感器在测量范围内移动，可在垂直和水平方向发生物理位移，并与光栅尺和激光传感器物理结构相连接，且发生物理位移时，带动光栅尺测量位移的探头和高精度激光传感器发生同方向等量的物理位移。

（4）光栅尺负责采集运动机构垂直方向的位移量，并把实时数据传送给可编程逻辑控制器；其测量位移方向与运动机构位移方向相同，都为垂直方向。

（5）高精度激光传感器负责采集待测波纹管水平方向曲线变化，并将数据实时传送给上位主机；其在测量时，发射激光方向与运动机构位移方向垂直，约为水平方向。

（6）波纹管在测量时，径向方向为垂直方向，与高精度激光传感器距离应在其测量范围内。

2 机械结构

机械机构由主体框架、运动机构、转台这3个部分组成，详见图2。

图2 机械结构示意图

（1）主体框架采用铝型材搭建，并与地面有效固定，为整个测量系统提供坚实的支撑；在系统测量扫描过程中，由于运动机构需要高精度地运动，故对系统振动较为敏感；高稳定性的主体框架可有效减小系统振动，从而提高系统测量精度和稳定性。

（2）运动机构主要是提供垂直和水平方向的位移，由直线模组、支架、伺服电机组成，详见图3。直线模组有两台，分别在安装在垂直和水平方向中心点位置，可带动支架运动；支架安装在垂直方向的直线模组上，一端固定激光传感器，一端连接光栅尺，负责带动激光传感器和光栅尺做垂直方向的位移；伺服电机驱动有两台，分别为直线模组提供动力，由上位机控制，完成长度、波高和波距的数据采集。

图3 运动机构示意图

（3）转台采用碳钢制成，发电机可提供旋转方向的动力，带动波纹管转动，实现测量位置的变化；系统预设4个互成90°的测量角度，由控制系统带动转台自动变换。

3 软件结构

系统上位机软件使用C#进行程序编译。界面设计了数据显示、曲线显示、运动控制、测试控制、结果显示、数据存储等功能，详见图4。

图4 系统上位机软件示意图

（1）数据显示：展示测试时激光传感器和光栅尺实时测量数据，可精确到微米级别。

（2）曲线显示：曲线显示一共有3 条曲线，分别为测试探头横坐标位移曲线、纵坐标位移曲线和拟合坐标后被测波纹管外形坐标曲线。

（3）运动控制：设计了可供移动测试探头用的运动控制按钮，可在上、下、左、右4 个方向移动测试探头，进而调节初始测试状态。

（4）测试控制：包括参数输入、开始通信、开始测试等基本功能按钮。

（5）结果显示：将波纹管外形尺寸长度、波高、波距等测量数据输出并显示。

（6）数据存储：将波纹管外形尺寸长度、波高、波距等测量数据进行存储。

4 扫描测量方法

通过上位机的运动机构电动按钮，将激光传感器调整到波纹管最高点上方位置，并使激光传感器与波纹管最高点外延的水平距离保持在激光传感器测量范围内，如图5所示；在上位机输入参数行程h（h值应高于波纹管长度），点击开始测试按钮，激光传感器将向下位移开始测试；激光传感器行程结束后，上位机将扫描的测试数据进行解析，计算波纹管长度并输出和保存[5-6]。

图5 扫描测量方法示意图

5 数据处理

上位机软件将激光传感器和光栅尺返回的数据进行时间戳对齐，并拟合为二维数组，形成波纹管外形尺寸的曲线坐标集，并将这个曲线坐标集通过TCP 方式传输给算法服务器，算法服务器使用Python独立编写，需要在C#程序启动前进行启动。算法服务器计算后返回运算结果至上位机，整个过程分为数据传输和数据处理两部分。

算法服务器数据处理过程如下：首先，读入数据，并根据首尾两段相对平整的非波纹数据，计算出图像倾斜角度；其次，旋转图像至水平方向，根据图像旋转后的图形，找到曲线波峰波谷的拐点；最后，根据拐点计算波纹管的波高、波宽和长度。

6 结语

本文设计的基于激光传感器和光栅尺的波纹管尺寸高精度测量系统，在确保了波纹管几何尺寸高精度测量的同时，还避免了人工手动测量带来的不确定性和测量误差，不仅可以全程自动测量，还能自动出具波纹管的测量和诊断报告，很大程度地提升了生产效率，解放了人力、物力，具备非常好的市场应用前景。