基于圖像處理的波紋補償器故障監測系統

李寶志，倪洪啟，何崇玉，方敬惟，孟憲春

（1.沈陽化工大學 機械與動力工程學院，沈陽 110142；2.秦皇島北方管業有限公司 河北省波紋膨脹節與金屬軟管技術創新中心，河北秦皇島 066004）

0 引言

波紋補償器作為管道的重要補償元件，其主要通過波紋管的有效伸縮變形，用以吸收管道因溫度變化、機械沖擊等原因而產生的尺寸變化。但是，其工作的主體波紋管相對來說較為脆弱，極容易發生損壞，進而導致波紋補償器失效，引發事故[1]。

因此，十分需要對波紋補償器進行實時安全監測，但傳統的波紋補償器故障監測，往往是需要派具有豐富經驗的維護人員到現場定期檢查，依靠自己的經驗來判斷波紋補償器的故障情況，從而提出解決辦法。為此，不僅投入了大量的人力物力成本，還存在著極大的安全隱患[2]。針對上述問題，設計了一種基于圖像處理的波紋補償器故障監測系統來對波紋補償器進行實時的故障監測。

1 監測系統總體方案設計

監測系統主要由圖像處理模塊以及單片機控制的溫度、壓力采集模塊構成。系統設計流程如圖1所示。

圖1 系統設計流程圖

本系統通過工業CCD相機采集波紋補償器圖像信息，并處理計算出波紋補償器軸向整體尺寸以及波距，利用單片機控制系統采集溫度信號和壓力信號，以上述所計算出的參數進行波紋補償器的故障監測，圖2為工業CCD相機所采集到的波紋補償器圖像信息。

圖2 波紋補償器圖像信息

2 圖像處理模塊

2.1 改進Canny算子邊緣檢測

針對Canny算子在提取波紋補償器輪廓邊緣上的缺陷分析，對Canny算子進行了3方面的改進優化[3-5]，圖3為改進Canny算子流程圖。

圖3 改進Canny算子流程圖

2.1.1 混合濾波平滑

本文混合濾波設計中，將中值濾波的輸出作為雙邊濾波的輸入，可以更好地消除噪聲，保留邊緣信息[6]，圖4為降噪流程圖。

圖4 降噪流程圖

1）中值濾波。中值濾波是一種非線性濾波，其用像素點的鄰域灰度值的中值來代替該像素點的灰度值，對消除椒鹽噪聲、保護邊緣信息效果尤其顯著。公式如下：

而加權系數w（i，j，k，l）取決于空域核和值域核的乘積；（i，j）、（k，l）分別指2個像素點的坐標，g（i，j）為輸出的像素值，f（k，l）為在點（k，l）處的像素值，f（i，j）為在點（i，j）處的像素值。

2.1.2 改進梯度幅值和方向計算方法

使用Scharr算子取代Sobel算子，并且添加45°方向和135°方向的梯度幅值計算[7-10]，采用3×3鄰域有限差分，以減少噪聲的干擾，提高輪廓邊緣提取精度，4個方向上的模板如下：

將圖像中的像素按灰度值用閾值T分為兩類C0和C1，C0由灰度值在[0,T]的像素組成，C1由灰度值在[T+1,L-1]的像素組成，整幅圖像的均值：

2.2 軸向尺寸檢測

利用波紋補償器形狀的特殊性，對經改進Canny算子檢測出的二值化圖像進行取點操作：取最左側圖像灰度值為1的點；取最右側圖像灰度值為1的點；取最上側圖像灰度值為1的點；取最下側圖像灰度值為1的點，取點情況如圖5所示。

圖5 標注特征點圖像

得出邊緣特征點坐標之后，需要先計算圖5中a點與m點、f點與g點的橫坐標差值的絕對值，分別設為lam與lfg；再計算b點與c點、c點與d點、d點與e點、h點與j點、j點與k點、k點與l點、b點與e點、h點與l點縱坐標差值的絕對值，分別設為lbc、lcd、lde、ljh、lkj、llk、lbe、llh。

由于圖5中am和fg部分是與碳素鋼管道相連接，且管道壁厚較大，故其變形可相對忽略不計。由此可知，默認圖5中接管位置(am和fg部分)的尺寸是不會發生變化的，故可通過參照物相機標定法，進行尺寸求解。設波紋補償器接管處對應a點與m點、f點與g點實際尺寸為L實際am、L實際fg，并且實際中L實際am=L實際fg。由lam與Lam的關系得出比例尺，計算lbc、lcd、lde、llk、lkj、ljh、lbe、llh的實際尺寸，分別設為L1、L2、L3、L4、L5、L6、L左總長、L右總長。L實際am所代表的尺寸并非為波紋補償器接管外徑，它是由波紋補償器接管外徑跟相機標定距離所決定的，a點、m點所在位置俯視圖如圖6所示。

圖6 a、m所在位置俯視圖

式中：L實際am為am實際尺寸；lam為圖像中m點與a點橫坐標之差的絕對值；k為比例尺。

式中：LK為計算的實際尺寸；l為指定坐標間差值的絕對值。

3 單片機控制的溫度、壓力采集模塊

本模塊選取AT89C52 單片機、ADC0808 轉換器、DS18B20數字溫度傳感器、電阻式應變壓力傳感器等硬件[12-14]，使用Keil uVision3平臺作為單片機開發工具應用軟件，并以普中程序燒錄軟件將調試成功的.HEX的十六進制可執行文件進行導入工作。圖7為單片機系統主程序流程圖。

圖7 單片機系統主程序流程圖

圖7表示單片機系統初始化后，調用數據采集程序，進行溫度、壓力信號采集，將采集的信號進行A/D轉換[15]，然后調用上傳程序，所需數據發送至PC端存儲，數據采集子程序以及A/D轉換子程序流程如圖8所示。

圖8 數據采集及A/D轉換子程序流程圖

4 仿真實驗及結果分析

為了驗證基于圖像處理的波紋補償器故障監測系統的可靠性，選用接管位置直徑尺寸為160 mm、4波紋的波紋補償器進行仿真實驗。實驗開始前將工業CCD相機水平放置，相機標定距離M設為500 mm；將帶有磁性觸頭的DS18B20數字溫度傳感器安裝于波紋補償器接管表面，并在接管上打孔嵌入電阻式應變壓力傳感器。下述實驗中，都用了對應儀器對本系統所檢測的尺寸、溫度、壓力等數據進行了驗證。圖9為加熱模擬仿真實驗，圖10為打壓模擬仿真實驗，表1為溫度、壓力測試數據對照表。

圖9 加熱模擬仿真實驗

圖10 打壓模擬仿真實驗

表1 溫度、壓力測試數據對照表

從表1可看出，隨著工業加熱電風筒的持續加熱和打壓臺的打壓，監測系統所測得的溫度、壓力等數據也在持續變大，證明本監測系統能夠對波紋補償器的狀態變化做出敏銳響應，并迅速給出所測參量數據，并且檢測出的數據經驗證具有可靠性。表2為軸向尺寸測試數據對照表。

通過對波紋補償器尺寸精度進行分析，當尺寸精度精確到0.1 mm時，已經能夠滿足波紋補償器的尺寸檢測要求。并且通過表2中數據，可以直觀地看出，波距的尺寸隨著打壓臺的不斷加壓是均勻變化的，也就是說波紋補償器自身在被壓縮時，相鄰波紋之間在軸向上是等距變化的；若波紋補償器軸向尺寸的變化是不均勻的，在一定范圍之內波紋補償器自身是可以承受的，當超過一定限度，就會造成波紋補償器的損壞，以此實現更加安全且全面的監測，經游標卡尺驗證數據具有可靠性。

表2 軸向尺寸測試數據對照表

5 結論

1）使用改進Canny算子的邊緣檢測技術能夠很好地檢測出波紋補償器的輪廓邊緣，設計的軸向尺寸檢測方案能夠很好地檢測出軸向尺寸；

2）應用單片機控制的溫度、壓力采集模塊能夠迅速準確地對波紋補償器溫度、壓力信號進行采集、轉換，然后穩定地上傳到PC端進行存儲。

綜上所述，基于圖像處理的波紋補償器故障監測系統能夠平穩且全面地實現對波紋補償器的故障監測，從而保證生產得以安全有效地進行。