唐明洲，杨丽红，王景良

(上海理工大学 机械工程学院，上海200093)



石油管材内涂层膜厚检测系统的参数辨识

唐明洲，杨丽红，王景良

(上海理工大学 机械工程学院，上海200093)

针对如何提高石油管材内涂层膜厚检测系统精度，基于直射式激光三角法原理建立了光学系统模型，并运用Matlab对其参数进行优化，设计加工了一种新型小口径管材的检测系统。通过对传感器进行标定试验，应用二值化进行数据处理，确定了参数b对光学系统灵敏度影响最大，基于参数辨识进行校正确定了参数b的实际值为33.88 mm。经过试验验证，辨识出的参数b可以使测试系统的精度满足±0.02 mm的要求，相对于传统标定方法测量精度可提高1个数量级。

激光三角法；精度；标定；参数辨识

TANG Mingzhou, YANG Lihong, WANG Jingliang

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

石油在世界能源消耗中约占40%，石油含有的腐蚀性介质对开采和运输过程中使用的管材产生严重腐蚀。为了提高管材防腐性能、延长管材寿命，通常在管材内壁均匀喷涂改性环氧酚醛树脂进行内涂层处理。涂层厚度是防腐检测的重要指标[1]。

涂层厚度常用检测方法有：超声法、射线法、涡流法、激光法。郑金华等[2]利用小波变换模极大值法和Lipscchitz指数法实现了超声信号在不同界面处检测，但涂层厚度为80～150 μm。任家富等[3]应用研发的同位素 X 射线荧光分析仪，对 3 种样品(铁基镀锌、铁基镀镉和汽车涂层)进行试验结果表明该方法测量精度达 2%～4%，但X射线有辐射对人体有伤害。岳秀芳等[4]采用不同拟合信号函数对涡流信号与提离距离进行标定，较大提高涡流测厚的精度，但是0～5 mm量程范围的误差只控制在0.09 mm以内。周晨波等[5]利用激光非接触点扫描测量涂层厚度的方法，达到涂层厚度重复性误差在±5 μm以内。激光三角法是光电检测中一种非接触式测量方法，具有体积小、精度高、速度快、抗干扰能力强、对被测面要求低等特点，被广泛应用于工业在线检测[6-8]。

试验所用被测石油管材的内径在Φ50.8～Φ69.75 mm之间，传统激光传感器的尺寸较大，无法进入管材内部，需设计体积较小的激光传感器。通常石油管材内涂层湿膜厚度0.16～0.25 mm，检测误差控制在 0.02 mm以内，传统激光检测系统不能满足测量精度要求。

本文提出了一种新型激光检测系统，目的在于提高管材涂层膜厚检测的精度。基于参数辨识建立了关键参数b的辨识模型，并通过标定试验进行了验证。

1 检测系统

为实现以上测量要求，搭建涂层膜厚自动测量系统包括被测管材、检测系统、执行系统及控制系统4部分。检测系统由传感器和数据采集与处理电路构成，是测量系统的关键。

1.1 传感器设计

激光传感器工作原理如图1所示。激光器发出的光束经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，接收透镜接收被测物体的漫反射光，将其成像在探测器CCD上。当被测物体在一定范围内接近或远离激光发射器时，探测器敏感面上的像点位置随之发生变化，通过检测像点的位移变化量，经计算可得到被测物体表面位置的变化量。

图1 直射式三角法原理图

假设被测物体移动的距离为x，像点在探测器敏感面上移动的距离为y，根据相似三角形各边之间的比例关系，可求得x与y的关系式

(1)

式中，α为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；α1为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角；α2为探测器与接收透镜光轴之间的夹角；β=b/a为横向放大率。CCD作为光电信号接收器，通过检测CCD上光斑中心位置的变化量y，运用式(1)计算可以得到被测物表面位置的变化量x，即湿膜的厚度。

当被测物表面相对基准位置靠近激光器时，位移为负；远离激光器时，位移为正。测量系统要在管材内部实现定位、定点测量4个值，因此需在管内旋转。喷涂前后各测量一次，得到4个位置的膜厚值，再计算平均膜厚，误差不超过0.02 mm。

为减小传感器的体积，在测量条件确定后，以光学系统最大灵敏度[9]为目标函数，对系统结构参数进行优化，得到光学测量系统结构参数的最优解。光学系统中各参数决定了激光发射器、双胶合透镜、探测器CCD间的相对位置，在制造安装过程中，这些参数与设计参数间存在误差，必须考虑这些参数综合作用的影响，确定其公差范围，确保因各参数误差导致的光斑中心位置变化值小于CCD的最小像元尺寸。对光学系统的灵敏度和分辨力进行分析，综合各因素的影响，应用Matlab，最终确定的光学系统参数及公差为

当光学系统各参数在此公差范围内变化时，在CCD上成像的光斑中心位置变化均小于最小像元7 μm，认为光斑中心位置近似不变。而且，被测物表面位置变化值Δx=0.02 mm，根据式(1)得光斑在CCD上的位移变化值Δy=0.015 mm>0.007 mm，即当被测物表面位置变化0.02 mm时，CCD能够分辨出被测物的位移。

1.2 传感器壳体设计及加工

根据确定的光学系统参数及公差，设计加工了传感器壳体。传感器装配图如图2所示。

图2 传感器装配图

激光器发出的光线经被测物体漫反射后若能良好的成像在CCD上，则须激光器的光线、接收透镜的主光轴、CCD感光面三者位于同一平面内。

2 传感器标定

标定是设计、制造和使用传感器的重要环节[10-11]。标定的基本方法是将已知的标准被测量输入到待定的仪器中，得到输出量，对获得的输入量及输出量之间进行处理和比较，得到两者对应关系曲线。

2.1 标定实验

标定实验中，检测距离的改变通过精密位移工作台控制传感器的移动来实现，工作台位移最小分辨率为0.016 μm；激光器波长635 nm，光斑直径大小1～2 mm，功率5 mW；接收透镜为双胶合透镜，焦距f=20 mm,d=8 mm；光电接收器件线阵CCD为TCD1501D，有效像元长度为37.38 mm，像元数5 340个。为防止CCD过饱和，连接了可调电阻，用于调节激光的强弱；为消除杂光的影响，在接收透镜前装有滤光片。标定实验装置包括被测物、传感器、位移工作台、数据采集电路和上位机。

图3 标定实验装置

标定过程：(1)调整工作台，安装传感器，搭建电路,如图3所示；(2)确定基准位置。调节精密位移工作台，设定初始位置，该初始位置为激光传感器与被测物之间的实际距离；(3)调节激光强度，防止CCD过饱和输出；(4)数据采集。从基准位置分别向近端和远端方向移动精密工作台，每隔0.16 mm、0.2 mm、0.25 mm测量一次，记录CCD输出数据；(5)数据处理。

2.2 数据处理与分析

测量系统精度主要依赖于数据处理的精度[12-13]。本文首先对测量原始数据进行平滑滤波和二值化[14]处理，然后确定光斑中心位置，根据测量的光斑中心位置差值y，代入式(1)计算，得到试验的计算距离x，应用Matlab将试验计算值进行多项式拟合[15]，将拟合曲线与标准值相比较，可以判断标定曲线的准确性，印证此数据处理方法的可行性。

图4 标定曲线与标准值对比图

图5 标定误差曲线Δx1

此时得到的标定曲线与标准值的对比图如图4所示。为了判别标定精度，将参与标定像素坐标y代入标定模型，求出其在坐标系中的坐标值x01，用标定原始数据x0作为基准，验证该模型的标定精度。记Δx1=x0-x01为该组数据原始的标定误差，如图5所示，max|Δx1|=0.371。误差较大，需要对光学系统参数进行校正。

通过分析，角度α1、a2， 由限制传感器壳体的公差来保证，这两个角度几乎不变，对测量结果影响较小，暂不考虑；参数α可由传感器壳体上的两个定位孔与定位塞来保证，α值也可认为近似不变；由于CCD的感光面在CCD内部，感光面至CCD表面的距离无法确定，因此实际的b值也无法确定。对灵敏度的分析[17]得知：参数b对灵敏度的影响较参数a大，要得到准确的标定结果，可通过参数辨识的方法得到实际的b值，再进行计算。

3 基于参数辨识的传感器校正

3.1 参数辨识模型

图6为传感器参数辨识建立的基本模型，并依据图1，以激光器轴线与光轴的交点为原点，过该点的水平线即基准面为横轴m，激光光轴为纵轴n，确定CCD的位置方程；透镜位置以及光轴方程；被测物上下移动时，成像光斑的轨迹方程。

图6 传感器参数辨识基本模型

CCD所在面位置方程

n=-0.700 2m+87.64

(2)

透镜光轴位置方程

(3)

近端光路位置方程

(4)

远端光路位置方程

(5)

联立方程(2)、式(4)和式(2)、式(5),计算可得到整个量程范围内成像光斑在CCD上移动的范围，即CCD的有效使用长度。理论上，整个量程内所占CCD像元长度为15.34 mm，所占像元数2 191.4个。由于传感器标定过程中，各光学器件间的相对位置是不变的，标定时根据测量的远端和近端位置，分别找到成像光斑在CCD上的两个极限位置，结合参数辨识模型，计算得到CCD的实际位置方程，结合几何学知识，进而求出实际的b值。

3.2 参数辨识后的标定结果

运用参数辨识的方法，分别求出两极限位置对应的CCD上成像光斑的中心位置，计算出实际上整个量程在CCD上的成像长度。

图7 校正后标定曲线与标准值对比图

由图7可知，若实际成像长度大于理论成像长度则实际b值偏大，若实际成像长度小于理论成像长度则实际b值偏小。由于光学系统中除了CCD的感光面所在位置，其余位置均已确定，结合几何学知识，对b值进行处理，最终求得实际b值为33.88 mm，小于标准b值。

修正b值后得到的标定曲线与标准值的对比图如图8所示。记Δx2=x0-x02为该组数据应用参数辨识方法校正后得到的标定误差，max|Δx2|=0.018，系统的标定误差大幅减小。

图8 校正后标定误差曲线Δx2

4 试验验证

为验证参数辨识校正后标定方法对未参与标定数据同样有效，另取两组数据进行精度验证。这两组数据在标定前的标准距离已知，根据CCD上光斑中心位置的像素值变化量代入标定模型，分别求得其在坐标系中坐标值x03和x04，用标准值x0分别减去x03和x04，得到这两组数据在参数辨识校正后的误差Δx3、Δx4，其误差曲线如图9所示，max|Δx3|=0.018，max|Δx4|=0.017。实验结果表明，经参数辨识后，测量误差均<±0.02 mm，满足测试精度要求。

图9 未参与标定模型计算数据的误差曲线

因此，该方法具有通用性，参数辨识后进行标定的方法比传统标定方法精度提高了一个数量级，满足5寸系列小口径管材测量要求。

5 结束语

(1)依据直射式三角法原理，建立光学系统优化模型。通过Matlab确定最优光学参数，设计加工了一种新型激光传感器用于小口径管材内径涂层膜厚的检测；

(2)进行传感器标定试验，运用二值化数据处理方法，分析测试结果，确定了参数 对CCD灵敏度影响较大。基于参数辨识，重新建立模型，获得CCD实际位置方程，求得辨识参数 值为33.88 mm；

(3)试验结果表明，基于参数辨识，光学系统测量精度能够满足±0.02 mm的要求，该方法对光学系统具有通用性。根据光学三角测距标定的基本模型及参数辨识方法对传感器进行标定，相对于传统标定方法测量精度可提高 1 个数量级。

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Parameter Identification of the Measurement System for Detecting Internal Coating Thickness of Oil Pipes

A new type of small diameter pipe detection system is designed to improve precision of detection system for oil-pipe internal coating thickness. The optical model is established based on the direct laser triangulation principle with its parameters optimized through MATLAB. The calibration experiment of the sensor is carried out and the data are processed by binarization. The parameter b, the most important effect on sensitivity of optical system, is corrected based on parameter identification. The actual value of the parameter b is 33.88 mm. A second calibration experiment is carried out, and its results indicate that using the identified b improves the measuring precision at the range of ±0.02mm, which meets the measuring requirement. The measuring precision by this calibration method based on parameter identification improves one order of magnitude over those by the traditional calibration method.

laser triangulation; precision; calibration; parameter identification

2016- 01- 04

上海市宝山区科学技术委员会产学研合作基金资助项目(CXY-2012-06)

唐明洲(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：石油管道内壁膜厚的厚度测量。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.035

TN247；TP273

A

1007-7820(2016)10-122-05