激光三角-細(xì)管道內(nèi)表面光電檢測(cè)方法研究

日期： 2022-01-14

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摘要:管道是氣體和液體傳輸?shù)闹匾侄?/span>,管道內(nèi)表面的檢測(cè)對(duì)于工業(yè)和國(guó)防中管道泄漏事故的預(yù)防,減少環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失非常重要。隨著電子和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)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(cè)、光環(huán)截面以及結(jié)構(gòu)光檢測(cè)等光電檢測(cè)方法的測(cè)量原理和系統(tǒng)構(gòu)成,并在此基礎(chǔ)上對(duì)不同光電檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和比較。分析結(jié)果表明:光電檢測(cè)技術(shù)適用于管道內(nèi)表面檢測(cè);并朝著快速識(shí)別缺陷、管道內(nèi)表面瑕疵的精確三維測(cè)量以及三維圖像直觀顯示管壁缺陷的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞:管道內(nèi)表面檢測(cè);光學(xué)三角法;光電檢測(cè);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(yīng)用于石油、化工、國(guó)防及排污等領(lǐng)域。由于工業(yè)管道長(zhǎng)期使用后容易發(fā)生腐蝕,而且管道內(nèi)部的潛在缺陷也會(huì)發(fā)展成破損而引起泄漏事故,因此必須定期對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。

用于排污和輸油的管道直徑通常較大,其內(nèi)表面檢測(cè)空間較大,對(duì)傳感器的體積要求不很苛刻,且傳感器的驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單。而管徑范圍在20mm～100mm的細(xì)管道在石油化工、能源和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,石油化工行業(yè)中占工藝設(shè)備總量50%以上的換熱器和裂解反應(yīng)器中管道直徑通常小于50mm,由于細(xì)管道檢測(cè)空間狹窄,目前仍然是管道內(nèi)表面檢測(cè)的難點(diǎn)。石油化工工藝設(shè)備中的細(xì)管道中流過(guò)的氣體和液體長(zhǎng)期處于高溫、高壓狀態(tài),且具有毒性和腐蝕性強(qiáng)等理化特性,長(zhǎng)期使用后管道因腐蝕等作用可能出現(xiàn)裂紋等缺陷,易發(fā)生泄漏事故而引起重大的經(jīng)濟(jì)損失。此外國(guó)防工業(yè)中槍炮管的內(nèi)徑都小于幾十毫米,對(duì)槍炮管進(jìn)行定期檢測(cè)也是保證武器裝備安全運(yùn)行的重要前提。因此細(xì)管道內(nèi)表面的定期檢測(cè),可以預(yù)防管道事故并為合理維護(hù)提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)可以減少管道維修費(fèi)用和環(huán)境污染,避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失,因此管道檢測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防工業(yè)中具有重要的意義。

針對(duì)排污、輸油等大管徑管道的內(nèi)表面,其檢測(cè)方法主要有超聲波檢測(cè)、漏磁檢測(cè)以及射線法等。超聲波及漏磁等檢測(cè)技術(shù)通過(guò)向管道內(nèi)表面發(fā)射并接收相應(yīng)的反射信號(hào),利用檢測(cè)到的信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)管道壁厚與瑕疵的檢測(cè)[2],這些檢測(cè)技術(shù)需要在管道某個(gè)截面附近多次發(fā)射和接收信號(hào)才能完成管道截面的檢測(cè),檢測(cè)效率低,且對(duì)內(nèi)表面的檢測(cè)是間接的,不具有可見(jiàn)性,同時(shí)由于對(duì)噪聲較敏感容易發(fā)生誤檢。由于管道具有封閉性,細(xì)管道內(nèi)表面的檢測(cè)空間狹窄,對(duì)于傳感器的體積要求較為嚴(yán)格,因此管道內(nèi)表面檢測(cè)傳感器的小型化一直是細(xì)管道內(nèi)表面檢測(cè)技術(shù)研究的一個(gè)重點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電子技術(shù)發(fā)展而逐漸成熟的光電檢測(cè)技術(shù)由于具有非接觸、信息量大、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用到管道內(nèi)表面檢測(cè)領(lǐng)域。同時(shí)伴隨電子和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,光電器件也逐步向小型化發(fā)展,使得光電檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越多地被用于細(xì)管道內(nèi)表面檢測(cè)。目前,用于管道檢測(cè)的光電檢測(cè)方法主要有攝像法、激光掃描法、視覺(jué)檢測(cè)法和基于光電敏感器件的檢測(cè)方法等。光電檢測(cè)方法不僅可以直接檢測(cè)到管道內(nèi)表面的裂紋和瑕疵,而且可以對(duì)裂紋和瑕疵進(jìn)行精確三維測(cè)量和定位。其中視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)由于具有可見(jiàn)性和信息量大等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視,被廣泛應(yīng)用到管道內(nèi)表面檢測(cè)中。

1? ? ?管道內(nèi)表面光電檢測(cè)方法

1.1基于內(nèi)窺鏡的視頻法

視頻法管道內(nèi)表面檢測(cè)系統(tǒng)主要由1臺(tái)或多臺(tái)CCTV攝像機(jī)、管道爬行器以及用于增大視場(chǎng)的內(nèi)窺鏡等組成。檢測(cè)時(shí),爬行器帶動(dòng)攝像機(jī)在管道內(nèi)行進(jìn),安裝在攝像機(jī)上的內(nèi)窺鏡可以增大拍攝角度,拍攝到管道整個(gè)截面的內(nèi)部場(chǎng)景。檢測(cè)人員根據(jù)攝像機(jī)拍攝的管道內(nèi)表面錄像來(lái)判斷管道內(nèi)壁是否有缺陷。由于管道內(nèi)部比較黑暗,視頻法需要照明光源。隨著半導(dǎo)體和電子技術(shù)的發(fā)展,視頻法原來(lái)的CCTV攝像機(jī)已經(jīng)被CCD(chargecoupleddevice)數(shù)字化攝像機(jī)替代,而且隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理和識(shí)別來(lái)檢測(cè)管道內(nèi)壁的缺陷,克服了CCTV攝像機(jī)人工檢測(cè)費(fèi)時(shí)、人為因素干擾大的缺點(diǎn)。視頻檢測(cè)法只能判斷管道內(nèi)表面是否有瑕疵和裂紋等,不具有測(cè)量的功能,不能對(duì)管道內(nèi)表面缺陷進(jìn)行精確三維測(cè)量和定位。

1.2激光陣列法

該檢測(cè)方法采用點(diǎn)陣形式的激光光源向管道內(nèi)壁投射點(diǎn)陣光源,利用光學(xué)三角法進(jìn)行管道內(nèi)表面的三維測(cè)量[3]。激光器發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)光纖陣列后調(diào)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(nèi)表面,利用CCD攝像機(jī)拍攝陣列圖像,用光學(xué)三角法來(lái)進(jìn)行三維重構(gòu)。這種檢測(cè)方法不是在一個(gè)垂直于管道軸線的截面上投射圓形光帶,可是以檢測(cè)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(cè)手段傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且測(cè)量精度和陣列分布與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。