基于激光傳感器和光柵尺的波紋管尺寸高精度測量系統的應用

常偉 金東義 閆鳴旭 韓策

(國機傳感器科技有限公司 遼寧沈陽 110034)

近年來，隨著國民經濟的快速發展，管道越來越廣泛地應用于供暖、供熱、石油、電力、天然氣輸送等領域，在這些領域中，常常需要對管道的熱脹冷縮和移動變形進行補償，提高管道的可靠性與安全性，以避免因管道形狀變化所引發的嚴重事故。金屬波紋管能有效地補償管道軸向變形，它能沿管道軸線方向伸縮，也允許少量彎曲[1-2]。

隨著金屬波紋管大批量生產，其合格性能檢驗變得尤為關鍵，其中波紋管幾何尺寸測量最為重要，幾何尺寸測量包括波紋管總長度、波紋波高、波紋波距等重要參數。目前，國內生產商在測量這些參數時，還處于手工測量階段，測量效率低、精度有待提高、勞動強度大，自動化程度不高，一定程度上限制了金屬波紋管的生產、檢驗、標定、實驗等。

本文設計了一種基于激光傳感器和光柵尺的波紋管尺寸高精度測量系統，采用被測對象相對靜態狀態，運動機構移動測量的方式，既可以測量波紋管總長度，又可以測量波紋管波紋的波高與波距，測量精度可達0.02 mm，適用于管徑最大1 800 mm，波高、波距最大60 mm的波紋管幾何尺寸高精度測量[3-4]。

1 總體結構

系統總體結構包括上位機、可編程邏輯控制器（PLC）、運動機構、光柵尺、高精度激光傳感器、待測波紋管，如圖1 所示。各部位結構用途說明與連接方式如下。

圖1 總體結構示意圖

（1）上位機的用途包括在測量過程中發送指令、數據存儲、數據計算、人機互動等功能，分別與可編程邏輯控制器、高精度激光傳感器通過網線通信端口相連接。

（2）可編程邏輯控制器負責控制運動機構、接收光柵尺數據并打包發送數據到上位機；其輸入端與光柵尺輸出端相連接，輸出端與運動機構輸入端相連接。

（3）運動機構負責帶動激光傳感器在測量范圍內移動，可在垂直和水平方向發生物理位移，并與光柵尺和激光傳感器物理結構相連接，且發生物理位移時，帶動光柵尺測量位移的探頭和高精度激光傳感器發生同方向等量的物理位移。

（4）光柵尺負責采集運動機構垂直方向的位移量，并把實時數據傳送給可編程邏輯控制器；其測量位移方向與運動機構位移方向相同，都為垂直方向。

（5）高精度激光傳感器負責采集待測波紋管水平方向曲線變化，并將數據實時傳送給上位主機；其在測量時，發射激光方向與運動機構位移方向垂直，約為水平方向。

（6）波紋管在測量時，徑向方向為垂直方向，與高精度激光傳感器距離應在其測量范圍內。

2 機械結構

機械機構由主體框架、運動機構、轉臺這3個部分組成，詳見圖2。

圖2 機械結構示意圖

（1）主體框架采用鋁型材搭建，并與地面有效固定，為整個測量系統提供堅實的支撐；在系統測量掃描過程中，由于運動機構需要高精度地運動，故對系統振動較為敏感；高穩定性的主體框架可有效減小系統振動，從而提高系統測量精度和穩定性。

（2）運動機構主要是提供垂直和水平方向的位移，由直線模組、支架、伺服電機組成，詳見圖3。直線模組有兩臺，分別在安裝在垂直和水平方向中心點位置，可帶動支架運動；支架安裝在垂直方向的直線模組上，一端固定激光傳感器，一端連接光柵尺，負責帶動激光傳感器和光柵尺做垂直方向的位移；伺服電機驅動有兩臺，分別為直線模組提供動力，由上位機控制，完成長度、波高和波距的數據采集。

圖3 運動機構示意圖

（3）轉臺采用碳鋼制成，發電機可提供旋轉方向的動力，帶動波紋管轉動，實現測量位置的變化；系統預設4個互成90°的測量角度，由控制系統帶動轉臺自動變換。

3 軟件結構

系統上位機軟件使用C#進行程序編譯。界面設計了數據顯示、曲線顯示、運動控制、測試控制、結果顯示、數據存儲等功能，詳見圖4。

圖4 系統上位機軟件示意圖

（1）數據顯示：展示測試時激光傳感器和光柵尺實時測量數據，可精確到微米級別。

（2）曲線顯示：曲線顯示一共有3 條曲線，分別為測試探頭橫坐標位移曲線、縱坐標位移曲線和擬合坐標后被測波紋管外形坐標曲線。

（3）運動控制：設計了可供移動測試探頭用的運動控制按鈕，可在上、下、左、右4 個方向移動測試探頭，進而調節初始測試狀態。

（4）測試控制：包括參數輸入、開始通信、開始測試等基本功能按鈕。

（5）結果顯示：將波紋管外形尺寸長度、波高、波距等測量數據輸出并顯示。

（6）數據存儲：將波紋管外形尺寸長度、波高、波距等測量數據進行存儲。

4 掃描測量方法

通過上位機的運動機構電動按鈕，將激光傳感器調整到波紋管最高點上方位置，并使激光傳感器與波紋管最高點外延的水平距離保持在激光傳感器測量范圍內，如圖5所示；在上位機輸入參數行程h（h值應高于波紋管長度），點擊開始測試按鈕，激光傳感器將向下位移開始測試；激光傳感器行程結束后，上位機將掃描的測試數據進行解析，計算波紋管長度并輸出和保存[5-6]。

圖5 掃描測量方法示意圖

5 數據處理

上位機軟件將激光傳感器和光柵尺返回的數據進行時間戳對齊，并擬合為二維數組，形成波紋管外形尺寸的曲線坐標集，并將這個曲線坐標集通過TCP 方式傳輸給算法服務器，算法服務器使用Python獨立編寫，需要在C#程序啟動前進行啟動。算法服務器計算后返回運算結果至上位機，整個過程分為數據傳輸和數據處理兩部分。

算法服務器數據處理過程如下：首先，讀入數據，并根據首尾兩段相對平整的非波紋數據，計算出圖像傾斜角度；其次，旋轉圖像至水平方向，根據圖像旋轉后的圖形，找到曲線波峰波谷的拐點；最后，根據拐點計算波紋管的波高、波寬和長度。

6 結語

本文設計的基于激光傳感器和光柵尺的波紋管尺寸高精度測量系統，在確保了波紋管幾何尺寸高精度測量的同時，還避免了人工手動測量帶來的不確定性和測量誤差，不僅可以全程自動測量，還能自動出具波紋管的測量和診斷報告，很大程度地提升了生產效率，解放了人力、物力，具備非常好的市場應用前景。