基于激光测距钢管椭圆度测量仪的研制

基于激光测距钢管椭圆度测量仪的研制
作者：黄雄飞





       椭圆度是判断钢管集合尺寸是否合格的重要指标。油气输送钢管在现场组队环焊式，如遇管口椭圆度超差，将不能进行对接，需要对管口椭圆度进行测量和矫正，钢管生产厂对出厂的成品管也须进行椭圆度检测。目前常见的钢管椭圆度测量方法有拉钢圈尺法、深度尺加延伸杆法和计算机视觉成像法。前两种方法是在管口内径做米字型4轴直径或双米字型8轴直径测量，比较出椭圆度的长轴和短轴之差，测量过程需人眼观测毫米以下刻度，人工计算差值记忆长轴短轴的位置，两种方法都有测量误差达和出错概率高的缺点。而基于计算机视觉成像法的椭圆度测量装置须在专门的固定工位上依靠静谧的机械机构才能进行测量，该装置体积庞大，测量效率低，造价昂贵，不能满足实际的测量需求。针对这一情况，本研究采用模块化柔性设计理念，以激光测距传感器和单片机智能芯片为核心，开发设计了一款功能齐备，精度高，操作方便，便于携带的钢管椭圆度测量仪。

1、钢管椭圆度测量仪的设计

1.1椭圆度测量原理

       在圆形钢管的横截面上存在着外径不等的现象，即存在着不一定互相垂直的大外径和小外径，大外径与小外径之差即为椭圆度△L=b-a，式中：b---钢管的长轴；a---钢管的短轴。当△L大于规定值即为钢管的椭圆度超差。激光椭圆度检测仪利用相对测量方法获得△L，激光测距传感器输出的距离为激光面距被测点的距离，当测距仪杆长一定时，长短轴之差即等于激光测距在长短轴处的差值。测量时，将测量仪置于管口，伸缩杆支点尖支撑与管壁内侧，上下靠轮靠于管端，激光测距仪开始测量，滑过一段弧长即可完成一处测量，在管口选取不同位置，比如米字型，或者选取更多的点，滑动测量，即可得到一组测量数据，仪器将自动判断椭圆度差值和椭圆度的长轴短轴方位，并显示在屏幕上。为保证滑动的这一段弧长经过圆心，特别设计了相应的控制程序，保证测量的正确性。

1.2激光椭圆度测量仪的结构

      激光椭圆度测量仪由底端靠轮、粗伸缩管、伸缩杆锁紧夹、细伸缩管、控制部分和顶部靠轮组成。用激光椭圆度测量仪测量钢管椭圆度时，开始测量，松开伸缩杆锁紧夹即可调节伸缩杆的长度，以测量不同直径的钢管。伸缩管选用的是市面上常用的不锈钢装置管，粗管规格为φ19mm*1.0mm，细管规格为φ16mm*0.8mm。细管套入粗管内可自由伸缩，两管之间设计了尼龙材料制作的锁紧夹，松开锁紧夹即可自由调节长度。粗细伸缩管的另外一段分别于仪表盒及支点尖连接，设计了可拆卸内涨式固定螺栓。

2、钢管椭圆度测量仪的控制部分

2.1激光测距与AD采集电路

      激光测距传感器是椭圆度测量仪控制系统的重要组成器件，其性能决定了测量精度。本测量仪所选用的激光测距传感器分辨率为0.1-0.2mm，量程20-200mm，更新周期≤7ms，输出4-20mA的模拟量信号，精度高、更新速度快，非常适合快速移动测量。为了保证检测的终精度，模数转换芯片采用AD7715，该芯片配有1路差分输入，16bit分辨率，高采样频率500Hz，AD1580B作为AD参考电源，保证了AD转换的稳定性和精度。

2.2陀螺仪电路及其特点

       为了能准确检测到钢管长轴和短轴出现的位置，该测量仪配备了三轴陀螺仪和三轴加速计。MPU6050是整合6轴的运动处理组件，内部融合了三轴陀螺仪和三轴加速计，利用软件算法可以比较准确测量摆动中的测量仪位置。

2.3激光椭圆度测量仪系统软件

       激光椭圆度测量仪系统软件采用模块化设计，分为按键子程序，显示子程序，AD采集子程序、位置判断子程等。

3、现场使用

      激光椭圆度测量仪具有操作简单、工作效率高、测量精度高、人机界面良好、一次测量可同时得到周长、直径等数据，快捷的调节伸缩杆长度即可测量不同管径的钢管。

4、结语

       针对目前常见钢管椭圆度测量方法测量误差较大和出错概率偏高的缺点，开发设计了一款以激光测距传感器和单片机智能芯片为核心的钢管椭圆度测量仪。工程实际测试和应用表明，该测量仪便于携带，具有操作简单、工作效率高、测量精度高、人机界面良好、一次测量可同时得到周长、直径等数据，快捷的调节伸缩杆长度还可测量不同直径的钢管。





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