基于二維視覺的管道振動監測方法

湯彬坤，馮 陽，賴文沁，許賢良，李思鈺，鐘劍鋒

(1.廈門華潤燃氣有限公司，福建 廈門 361000；2.福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350116)

隨著經濟的發展，管道在人們的生產生活中得到廣泛應用，如燃氣管道、輸油管道、輸水管道、泵送管道等。因此，保證管道的安全運行對于保障公共安全、人民生命財產安全和生產生活秩序穩定具有重要意義。管道的振動與管內壓力流體的工作狀態變化有密切關系[1]，如管道在輸送壓力物質時可能會產生沖擊和振動，而長期的振動可能造成管道及其附屬設備的疲勞破壞或功能失效[2]。另外，管道的腐蝕、蠕變破壞等也會導致管道結構參數發生變化從而改變其振動特性[3]。因此，實現管道的長期振動監測，及時發現管道異常振動現象，對保證管道的正常運行及其振動控制具有重要意義。

當前管道的振動監測主要基于各類振動傳感器及動態信號采集分析系統，如采用加速度傳感器[4]、電渦流傳感器[5]、光學傳感器[6]等。在實際的測量過程中應根據實際測量對象與場合選擇合適的測量方法，上述測量方法在測量精度和靈敏度上都具有較好的性能。在一些場合，被測管道可能具有輕質、大振幅、非金屬等特性。對于輕質管道應該盡量減小測量方法本身對被測對象的影響，如附加質量、外力等，所以接觸式測量可能不太合適；對于大振幅的管道，如厘米級振動，則應選擇大量程的傳感器；而電渦流傳感器這類對被測對象的材質有特殊要求的方法也限制了其在一些非金屬管道中的應用。因此，能夠對輕質、大振幅、非金屬等管道振動進行測量的方法也有一定的應用場景。

機器視覺測量技術作為一種新的測量技術，其以非接觸、高效率、高精度、無負載效應等特點受到越來越多的關注。各種基于機器視覺的形貌[7]、位移[8]、振動等[9－10]測量技術不斷出現。季云峰[11]將無目標視覺測量技術應用于橋梁斜拉索振動測試中。KHUC等[12]提出一種視覺測量系統用于大型結構的健康監測。FUKUDA 等[13]、CHIO等[14]和FENG等[15]分別將黑白圓形規則分布圖案和二維黑白編碼圖案附于結構表面，再采用圖像匹配、邊緣檢測、數字圖像相關和模板匹配等算法實現平行于成像平面二維振動分量的測量。上述方法圖像處理算法的運算量較大，也未能完全實現成像光軸方向振動的測量。本文提出一種將正弦條紋圖案附于管道表面，再采用二維視覺相機對條紋圖案進行采集成像以實現管道徑向二維振動測量的方法。該方法在進行圖像處理時只需計算條紋的密度信息即可定位管道中心位置空間的二維振動信息，算法比較簡單高效，可為管道的在線振動監測提供一種新的測量方法。

1 測量系統組成及振動測量原理

1.1 系統組成

基于二維視覺的管道振動測量系統原理圖如圖1所示，主要包括被測管道和二維視覺測量分析系統。定義成像光軸方向為X方向，垂直于成像光軸與管道軸心方向為Y方向。測量前需要在被測管道表面粘貼或噴涂圖1中所示的條紋圖案，該條紋圖案中間為密度恒定的正弦條紋，兩端為黑色邊界，粘貼或噴涂后的條紋強度變化方向應與管道軸線同向，如圖1中管道表面條紋所示。

圖1 二維視覺管道振動測量系統原理圖

將成像相機對準管道表面的條紋圖案并調整相機成像參數使條紋清晰成像。預制于管道表面的條紋圖案主要用于管道振動信息的編碼，在管道振動過程中，成像條紋的密度信息將隨著管道的振動發生變化，相機連續采集條紋圖像并通過數據傳輸線傳輸到電腦進行存儲和處理。通過特定的圖像分析模塊即可實現條紋信號的處理與分析，進而提取管道的徑向二維振動位移。

1.2 X方向位移測量原理

預制于管道表面正弦條紋的實際寬度是固定的。根據三角成像原理，圖像傳感器中成像條紋的寬度將隨著X方向位移變化，進而導致成像條紋的密度發生變化，其測量原理如圖2所示。假設圖2中“位置1”為管道參考位置，此時成像條紋如圖2中“條紋圖1”所示，該條紋圖1中心位置的條紋密度為dr。當管道沿X方向有位移Δx時，管道表面條紋實際大小不發生變化，但在成像平面中成像條紋的長度和寬度將發生變化，如圖2中“條紋圖2”所示。

圖2 X方向位移測量原理

可以發現條紋2中心位置的條紋寬度發生了變化，即條紋的密度發生變化。所以提取管道中心位置條紋圖像密度變化信息即可得到管道沿X方向的振動信息。假設t時刻管道在X方向的位移為Δx(t)，根據文獻[16]可得沿X方向的振動位移可表達為：

式中：D為成像系統的成像物距，dr和d(t)分別為成像條紋中心線位置成像條紋的密度值和管道在成像光軸X方向有位移Δx(t)時管道中心線位置成像條紋的密度值。

1.3 Y方向位移測量原理

管道Y方向的位移測量原理如圖3所示，以管道位于成像光軸時的位置（位置1）作為參考位置，此時成像條紋位于成像傳感器中心位置。當管道只沿Y方向有位移Δy至“位置2”時，條紋在成像傳感器中的成像位置將發生變化。因管道為圓柱形，所以可以通過定位管道中心線位置的變化Δh來求解管道的實際位移。由三角成像關系可得，管道中心在t時刻沿二維成像傳感器Y方向有位移Δh(t)時，管道位移可由式(2)計算得到。

圖3 Y方向位移測量原理

式中：F為圖像傳感器和透鏡之間的成像距離，h(t)可由像素點的實際寬度和成像條紋中心線在成像傳感器Y方向偏移像素點數的乘積獲得。

通過式(1)和式(2)可以對管道X和Y方向振動進行分別測量。當管道沿X和Y方向同時有位移-Δx和-Δy時，管道X方向的位移同樣會改變成像條紋在成像平面的位置，因此需要考慮X方向位移對Y方向位移的影響。根據文獻[16]，考慮X方向位移的影響后，修正后Y方向振動位移可表達為：

式中：L為實際有效條紋的長度，NL為參考幀成像條紋中心位置有效條紋在圖像傳感器中覆蓋的像素點數，Δm(t) 為成像條紋中心線在成像傳感器Y方向偏移的像素點數。

根據式(1)和式(3)可知，計算管道X和Y方向位移的關鍵在于準確求取成像條紋中心線位置及該位置條紋的密度值。由圖3的成像條紋可知，成像條紋中各行條紋的密度因管道弧形面而發生變化，所以可以通過求取成像條紋中各行條紋的密度值得到密度變化曲線，如圖3中p1～p3 所示。因為管道中心位置的條紋密度值最小，所以可以通過求取各密度變化曲線斜率值為零的坐標位置確定成像條紋的中心及該中心位置的密度值，代入式(1)和式(3)后即可求得管道X和Y方向位移。

2 SOLIDWORKS模擬仿真

為了驗證提出的視覺測量管道振動方法的準確性，采用SOLIDWORKS 軟件建立管道徑向二維振動模型，并在管道模型的表面預制了單密度正弦條紋圖案。模擬時設置了4 種管道振動模式，如表1所示。

表1 所模擬的4種管道振動模式

在各振動模式下，采用SOLIDWORKS 軟件的視覺成像模塊對管道振動模型表面的正弦條紋圖像進行連續采集。采集過程中將成像條紋圖片成像分辨率設置為1 280×220 pixels，圖像采集幀率為50 fps。通過采集分別得到4種不同振動模式下的條紋圖像序列，采用所提出的條紋圖像處理算法對各條紋序列進行處理，求取密度曲線，再用所提出的位移提取算法得到管道振動結果如圖4至圖6所示。

圖4 振動模式1的振動位移

圖6 振動模式4的振動位移

由圖4和圖5可知，當管道處于振動模式1和振動模式2 時，即管道只沿X和Y方向振動時，采用所提出的條紋圖像處理算法和位移計算公式可從模擬采集的條紋圖像序列中獲得管道的各向位移，并且其幅值和頻率與軟件預先設置的振動幅值和頻率值相等。振動模式3 設置管道在X和Y方向同時有振幅分別為200 μm 和300 μm、振動頻率分別為1 Hz和2 Hz的振動，結果表明同樣可以同時獲得管道準確的二維振動信息。

與對照組比較，實驗組整體健康及生活質量量表評分和功能量表評分相對升高，而癥狀量表評分和單項測量項目評分相對降低，且差異均具有統計學意義(P<0.05)，見表4。實驗組2年生存率為62.26%，略高于對照組(40.85%)，兩組差異無統計學意義(P>0.05)，見圖1。

圖5 振動模式2的振動位移

為驗證該方法對大位移的測量效果，在振動模式4 中將X和Y方向的振幅分別設置成1.2 cm 和1 cm，模擬測量結果如圖6所示，表明該系統可對較大的振動位移進行測量。圖4至圖6的測量結果驗證了所提出的方法實現微米量級到厘米量級振幅范圍內管道二維振動位移同步測量的可行性和準確性。在得到管道二維振動信息后即可對管道的振動特性進行分析，也可以觀察管道的管心運動軌跡。管道處于振動模式3 和振動模式4 時的管心運動軌跡如圖7所示，可很好地觀察管道的空間振動模式。

圖7 振動模式3和4的管心運動軌跡

本文提出的管道振動視覺測量系統主要由正弦條紋圖案和二維視覺相機組成。因為管道的振動信息是從成像條紋圖像的密度信息中提取，所以測量的關鍵在于準確提取條紋的密度變化信息。實際測量過程中，條紋密度計算精度主要受到成像條紋質量的影響，而條紋成像質量受到多方面因素的影響，主要包括條紋本身質量、光照條件、成像傳感器分辨率等因素。管道表面條紋質量和光照條件最終將決定成像條紋的信噪比。為研究成像條紋信噪比對測量性能的影響，模擬了振動模式3 下成像條紋信噪比分別為0 dB、10 dB、20 dB、30 dB、40 dB、50 dB、60 dB時測量位移和無噪聲圖片所得位移的標準差，如圖8所示。可見，當成像條紋的信噪比為0 時，測量X和Y方向位移與無噪聲圖片所得位移之間的標準差約為0.06 mm，測量精度受到較大影響。但隨著成像條紋信噪比的提高，測量精度逐漸提高，當成像條紋信噪比大于30 dB以上時可達到較好的測量精度。因此，在實際測量過程中應該保證條紋圖像本身的質量和保持良好的光照條件，以保證成像條紋具有良好的信噪比。當外界光照不足時可增加外部穩定光源來保證測量所需的光照條件，以保證系統測量性能。

圖8 不同信噪比下位移標準差對比

為了研究成像條紋分辨率對測量的影響，在振動模式3 下采用成像分辨率分別為1 800×310 pixels、1 600×276 pixels、1 400×241 pixels、1 200×207 pixels、1 000×172 pixels、800×138 pixels、600×103 pixels、400×69 pixels、200×34 pixels對條紋進行采集成像。并在采集的條紋中加入相同噪聲，保證每組成像條紋的信噪比為30 dB。得到9 組不同分辨率下X和Y方向測量位移標準差如圖9所示。

圖9 不同采樣點下位移標準差對比

可見成像條紋信噪比相同的情況下，在一定范圍內隨著成像條紋分辨率的提高測量精度可顯著提高。但是當成像條紋分辨率達到一定值后其對測量精度的提升并不明顯。因此，在實際測量過程中應根據實際測量條件選擇合適的條紋成像范圍，在滿足測量需求的條件下盡量減小圖像的大小，節約存儲和計算資源。

3 實驗與分析

為驗證根據二維視覺條紋測量管道徑向二維振動位移的可行性與準確性，搭建了一套管道測量對比實驗系統。實驗中所用金屬管道直徑為20 mm，長度為1 000 mm，一端固定。在距離管道固定端620 mm的表面粘貼有正弦條紋圖案，沿管道軸線方向的條紋寬度為50 mm，如圖10中插圖a1所示。

實驗中采用提出的二維視覺相機對管道表面的條紋圖像進行實時成像，然后采用提出的圖像處理算法對采集的圖像序列進行處理以提取管道的二維振動信息。作為對比，采用兩路電渦流傳感器對管道粘貼條紋位置的徑向二維振動進行同步測量，傳感器布局如圖10中插圖a2 所示。實驗中將工業相機的有效成像像素設置為1 000×300 pixels，曝光時間設置為0.4 ms，采樣幀率設置為200 fps。電渦流采集系統的采樣頻率設置為200 Hz。由仿真模擬結果可知，在實際測量過程中，條紋圖像的對比度和成像質量與外界光照條件有關，在成像光照不足時可使用外部光源照射管道表面條紋，以提高條紋成像質量。因此，在實驗中設置了外部照明光源以提升條紋成像質量。

圖10 實驗裝置圖

實驗中，對管道進行脈沖激勵，使其自由振動。然后采用兩種測量方法對其進行同步測量。分別得到管道X和Y方向的振動位移曲線，如圖11所示。可知，兩種測量方法都可實現管道徑向二維振動位移的測量。但在實際測量過程中，由于實驗所用電渦流傳感器（型號：5E102，東華測試）量程為2 mm，如果管道的振動幅值超過該量程則振動信號會產生截斷而無法測量。所以在實際的測量過程中選用傳感器進行測量時一定要根據測量量程和頻率響應范圍需求進行選擇。而本文提出的視覺測量方法在測量量程和低頻振動測量方面具有一定的優勢，測量時安裝也更加方便。

圖11 時域測量結果對比

圖12為采用2種測量方法得到X和Y方向振動位移曲線的頻域結果對比。為了對比清晰，將圖中電渦流傳感器的測量結果偏置了150 dB。

圖12 頻域測量結果對比

圖13 5.5秒至6.5秒間實驗管道軸心軌跡變化圖

本文提出的視覺測量系統在測量量程上相比傳統的電渦流傳感器有一定的優勢，但是在測量靈敏性方面和傳統的加速度傳感器比還有不足。本測量方法更加適用于一些輕質、大振幅管道的振動測量場合。在一些平行管道測量場合，也可以采用一個視覺相機對視場范圍內多個管道的徑向二維振動進行同步測量，可使測量更加簡單高效。

隨著視覺傳感器及其相關技術的發展，視覺相機成本已大大降低。因此，提出的管道視覺測量方法也可應用于一些低成本需求的測量場合。對于一些振動頻率較低的大型管道，如頻率范圍在15 Hz以內，可以采用普通的監控相機即可實現管道的振動監測。如果被測管道振動頻率范圍較高，則可選擇幀率更高的工業相機。

4 結語

針對管道的振動監測問題，提出一種基于二維視覺的管道徑向二維振動同步測量方法。首先將設計的條紋圖案粘貼或噴涂于被測管道表面作為振動位移編碼器，再采用視覺相機進行采集成像，最后通過特定的條紋圖像處理算法進行處理。采用SOLIDWORKS 軟件建立了基于視覺的管道振動測量模型，并搭建了對比實驗測量系統，與傳統電渦流傳感器測量結果進行對比。根據模擬仿真和試驗結果得到如下結論：通過管道表面成像條紋管心位置在成像傳感器Y方向的位置變化信息及該位置處條紋密度變化信息即可提取管道Y和X方向的位移信息；提出的基于視覺條紋的管道振動測量系統可精確地實現厘米級振動幅值內管道二維位移的非接觸式同步測量；與傳統的基于多個電渦流傳感器的振動測量系統相比其測量系統成本更加低廉，測量效率更高，且對被測對象材質無要求。