基于二維視覺(jué)的管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

湯彬坤，馮 陽(yáng)，賴(lài)文沁，許賢良，李思鈺，鐘劍鋒

(1.廈門(mén)華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?，福?廈門(mén) 361000；2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道在人們的生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用，如燃?xì)夤艿?、輸油管道、輸水管道、泵送管道等。因此，保證管道的安全運(yùn)行對(duì)于保障公共安全、人民生命財(cái)產(chǎn)安全和生產(chǎn)生活秩序穩(wěn)定具有重要意義。管道的振動(dòng)與管內(nèi)壓力流體的工作狀態(tài)變化有密切關(guān)系[1]，如管道在輸送壓力物質(zhì)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，而長(zhǎng)期的振動(dòng)可能造成管道及其附屬設(shè)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(huì)導(dǎo)致管道結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化從而改變其振動(dòng)特性[3]。因此，實(shí)現(xiàn)管道的長(zhǎng)期振動(dòng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道異常振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)保證管道的正常運(yùn)行及其振動(dòng)控制具有重要意義。

當(dāng)前管道的振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要基于各類(lèi)振動(dòng)傳感器及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，如采用加速度傳感器[4]、電渦流傳感器[5]、光學(xué)傳感器[6]等。在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量對(duì)象與場(chǎng)合選擇合適的測(cè)量方法，上述測(cè)量方法在測(cè)量精度和靈敏度上都具有較好的性能。在一些場(chǎng)合，被測(cè)管道可能具有輕質(zhì)、大振幅、非金屬等特性。對(duì)于輕質(zhì)管道應(yīng)該盡量減小測(cè)量方法本身對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響，如附加質(zhì)量、外力等，所以接觸式測(cè)量可能不太合適；對(duì)于大振幅的管道，如厘米級(jí)振動(dòng)，則應(yīng)選擇大量程的傳感器；而電渦流傳感器這類(lèi)對(duì)被測(cè)對(duì)象的材質(zhì)有特殊要求的方法也限制了其在一些非金屬管道中的應(yīng)用。因此，能夠?qū)p質(zhì)、大振幅、非金屬等管道振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的方法也有一定的應(yīng)用場(chǎng)景。

機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作為一種新的測(cè)量技術(shù)，其以非接觸、高效率、高精度、無(wú)負(fù)載效應(yīng)等特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。各種基于機(jī)器視覺(jué)的形貌[7]、位移[8]、振動(dòng)等[9－10]測(cè)量技術(shù)不斷出現(xiàn)。季云峰[11]將無(wú)目標(biāo)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于橋梁斜拉索振動(dòng)測(cè)試中。KHUC等[12]提出一種視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)用于大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。FUKUDA 等[13]、CHIO等[14]和FENG等[15]分別將黑白圓形規(guī)則分布圖案和二維黑白編碼圖案附于結(jié)構(gòu)表面，再采用圖像匹配、邊緣檢測(cè)、數(shù)字圖像相關(guān)和模板匹配等算法實(shí)現(xiàn)平行于成像平面二維振動(dòng)分量的測(cè)量。上述方法圖像處理算法的運(yùn)算量較大，也未能完全實(shí)現(xiàn)成像光軸方向振動(dòng)的測(cè)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(jué)相機(jī)對(duì)條紋圖案進(jìn)行采集成像以實(shí)現(xiàn)管道徑向二維振動(dòng)測(cè)量的方法。該方法在進(jìn)行圖像處理時(shí)只需計(jì)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(dòng)信息，算法比較簡(jiǎn)單高效，可為管道的在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供一種新的測(cè)量方法。

1 測(cè)量系統(tǒng)組成及振動(dòng)測(cè)量原理

1.1 系統(tǒng)組成

基于二維視覺(jué)的管道振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)原理圖如圖1所示，主要包括被測(cè)管道和二維視覺(jué)測(cè)量分析系統(tǒng)。定義成像光軸方向?yàn)閄方向，垂直于成像光軸與管道軸心方向?yàn)閅方向。測(cè)量前需要在被測(cè)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(qiáng)度變化方向應(yīng)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(jué)管道振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)原理圖

將成像相機(jī)對(duì)準(zhǔn)管道表面的條紋圖案并調(diào)整相機(jī)成像參數(shù)使條紋清晰成像。預(yù)制于管道表面的條紋圖案主要用于管道振動(dòng)信息的編碼，在管道振動(dòng)過(guò)程中，成像條紋的密度信息將隨著管道的振動(dòng)發(fā)生變化，相機(jī)連續(xù)采集條紋圖像并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。通過(guò)特定的圖像分析模塊即可實(shí)現(xiàn)條紋信號(hào)的處理與分析，進(jìn)而提取管道的徑向二維振動(dòng)位移。

1.2 X方向位移測(cè)量原理

預(yù)制于管道表面正弦條紋的實(shí)際寬度是固定的。根據(jù)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(jìn)而導(dǎo)致成像條紋的密度發(fā)生變化，其測(cè)量原理如圖2所示。假設(shè)圖2中“位置1”為管道參考位置，此時(shí)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(dāng)管道沿X方向有位移Δx時(shí)，管道表面條紋實(shí)際大小不發(fā)生變化，但在成像平面中成像條紋的長(zhǎng)度和寬度將發(fā)生變化，如圖2中“條紋圖2”所示。

圖2 X方向位移測(cè)量原理

可以發(fā)現(xiàn)條紋2中心位置的條紋寬度發(fā)生了變化，即條紋的密度發(fā)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(dòng)信息。假設(shè)t時(shí)刻管道在X方向的位移為Δx(t)，根據(jù)文獻(xiàn)[16]可得沿X方向的振動(dòng)位移可表達(dá)為：

式中：D為成像系統(tǒng)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(shí)管道中心線位置成像條紋的密度值。

1.3 Y方向位移測(cè)量原理

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

圖3 Y方向位移測(cè)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(diǎn)的實(shí)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(diǎn)數(shù)的乘積獲得。

通過(guò)式(1)和式(2)可以對(duì)管道X和Y方向振動(dòng)進(jìn)行分別測(cè)量。當(dāng)管道沿X和Y方向同時(shí)有位移-Δx和-Δy時(shí)，管道X方向的位移同樣會(huì)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(duì)Y方向位移的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，考慮X方向位移的影響后，修正后Y方向振動(dòng)位移可表達(dá)為：

式中：L為實(shí)際有效條紋的長(zhǎng)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(diǎn)數(shù)，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(diǎn)數(shù)。

根據(jù)式(1)和式(3)可知，計(jì)算管道X和Y方向位移的關(guān)鍵在于準(zhǔn)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(fā)生變化，所以可以通過(guò)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?yàn)楣艿乐行奈恢玫臈l紋密度值最小，所以可以通過(guò)求取各密度變化曲線斜率值為零的坐標(biāo)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(yàn)證提出的視覺(jué)測(cè)量管道振動(dòng)方法的準(zhǔn)確性，采用SOLIDWORKS 軟件建立管道徑向二維振動(dòng)模型，并在管道模型的表面預(yù)制了單密度正弦條紋圖案。模擬時(shí)設(shè)置了4 種管道振動(dòng)模式，如表1所示。

表1 所模擬的4種管道振動(dòng)模式

在各振動(dòng)模式下，采用SOLIDWORKS 軟件的視覺(jué)成像模塊對(duì)管道振動(dòng)模型表面的正弦條紋圖像進(jìn)行連續(xù)采集。采集過(guò)程中將成像條紋圖片成像分辨率設(shè)置為1 280×220 pixels，圖像采集幀率為50 fps。通過(guò)采集分別得到4種不同振動(dòng)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(duì)各條紋序列進(jìn)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(dòng)結(jié)果如圖4至圖6所示。

圖4 振動(dòng)模式1的振動(dòng)位移

圖6 振動(dòng)模式4的振動(dòng)位移

由圖4和圖5可知，當(dāng)管道處于振動(dòng)模式1和振動(dòng)模式2 時(shí)，即管道只沿X和Y方向振動(dòng)時(shí)，采用所提出的條紋圖像處理算法和位移計(jì)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(yù)先設(shè)置的振動(dòng)幅值和頻率值相等。振動(dòng)模式3 設(shè)置管道在X和Y方向同時(shí)有振幅分別為200 μm 和300 μm、振動(dòng)頻率分別為1 Hz和2 Hz的振動(dòng)，結(jié)果表明同樣可以同時(shí)獲得管道準(zhǔn)確的二維振動(dòng)信息。

與對(duì)照組比較，實(shí)驗(yàn)組整體健康及生活質(zhì)量量表評(píng)分和功能量表評(píng)分相對(duì)升高，而癥狀量表評(píng)分和單項(xiàng)測(cè)量項(xiàng)目評(píng)分相對(duì)降低，且差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)表4。實(shí)驗(yàn)組2年生存率為62.26%，略高于對(duì)照組(40.85%)，兩組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)圖1。

圖5 振動(dòng)模式2的振動(dòng)位移

為驗(yàn)證該方法對(duì)大位移的測(cè)量效果，在振動(dòng)模式4 中將X和Y方向的振幅分別設(shè)置成1.2 cm 和1 cm，模擬測(cè)量結(jié)果如圖6所示，表明該系統(tǒng)可對(duì)較大的振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量。圖4至圖6的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了所提出的方法實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)到厘米量級(jí)振幅范圍內(nèi)管道二維振動(dòng)位移同步測(cè)量的可行性和準(zhǔn)確性。在得到管道二維振動(dòng)信息后即可對(duì)管道的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，也可以觀察管道的管心運(yùn)動(dòng)軌跡。管道處于振動(dòng)模式3 和振動(dòng)模式4 時(shí)的管心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示，可很好地觀察管道的空間振動(dòng)模式。

圖7 振動(dòng)模式3和4的管心運(yùn)動(dòng)軌跡

本文提出的管道振動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)主要由正弦條紋圖案和二維視覺(jué)相機(jī)組成。因?yàn)楣艿赖恼駝?dòng)信息是從成像條紋圖像的密度信息中提取，所以測(cè)量的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確提取條紋的密度變化信息。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，條紋密度計(jì)算精度主要受到成像條紋質(zhì)量的影響，而條紋成像質(zhì)量受到多方面因素的影響，主要包括條紋本身質(zhì)量、光照條件、成像傳感器分辨率等因素。管道表面條紋質(zhì)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(duì)測(cè)量性能的影響，模擬了振動(dòng)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(shí)測(cè)量位移和無(wú)噪聲圖片所得位移的標(biāo)準(zhǔn)差，如圖8所示?？梢?jiàn)，當(dāng)成像條紋的信噪比為0 時(shí)，測(cè)量X和Y方向位移與無(wú)噪聲圖片所得位移之間的標(biāo)準(zhǔn)差約為0.06 mm，測(cè)量精度受到較大影響。但隨著成像條紋信噪比的提高，測(cè)量精度逐漸提高，當(dāng)成像條紋信噪比大于30 dB以上時(shí)可達(dá)到較好的測(cè)量精度。因此，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中應(yīng)該保證條紋圖像本身的質(zhì)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(dāng)外界光照不足時(shí)可增加外部穩(wěn)定光源來(lái)保證測(cè)量所需的光照條件，以保證系統(tǒng)測(cè)量性能。

圖8 不同信噪比下位移標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

為了研究成像條紋分辨率對(duì)測(cè)量的影響，在振動(dòng)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(duì)條紋進(jìn)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(cè)量位移標(biāo)準(zhǔn)差如圖9所示。

圖9 不同采樣點(diǎn)下位移標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

可見(jiàn)成像條紋信噪比相同的情況下，在一定范圍內(nèi)隨著成像條紋分辨率的提高測(cè)量精度可顯著提高。但是當(dāng)成像條紋分辨率達(dá)到一定值后其對(duì)測(cè)量精度的提升并不明顯。因此，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量條件選擇合適的條紋成像范圍，在滿足測(cè)量需求的條件下盡量減小圖像的大小，節(jié)約存儲(chǔ)和計(jì)算資源。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證根據(jù)二維視覺(jué)條紋測(cè)量管道徑向二維振動(dòng)位移的可行性與準(zhǔn)確性，搭建了一套管道測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中所用金屬管道直徑為20 mm，長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中采用提出的二維視覺(jué)相機(jī)對(duì)管道表面的條紋圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，然后采用提出的圖像處理算法對(duì)采集的圖像序列進(jìn)行處理以提取管道的二維振動(dòng)信息。作為對(duì)比，采用兩路電渦流傳感器對(duì)管道粘貼條紋位置的徑向二維振動(dòng)進(jìn)行同步測(cè)量，傳感器布局如圖10中插圖a2 所示。實(shí)驗(yàn)中將工業(yè)相機(jī)的有效成像像素設(shè)置為1 000×300 pixels，曝光時(shí)間設(shè)置為0.4 ms，采樣幀率設(shè)置為200 fps。電渦流采集系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為200 Hz。由仿真模擬結(jié)果可知，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，條紋圖像的對(duì)比度和成像質(zhì)量與外界光照條件有關(guān)，在成像光照不足時(shí)可使用外部光源照射管道表面條紋，以提高條紋成像質(zhì)量。因此，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了外部照明光源以提升條紋成像質(zhì)量。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)管道進(jìn)行脈沖激勵(lì)，使其自由振動(dòng)。然后采用兩種測(cè)量方法對(duì)其進(jìn)行同步測(cè)量。分別得到管道X和Y方向的振動(dòng)位移曲線，如圖11所示?？芍瑑煞N測(cè)量方法都可實(shí)現(xiàn)管道徑向二維振動(dòng)位移的測(cè)量。但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)所用電渦流傳感器（型號(hào)：5E102，東華測(cè)試）量程為2 mm，如果管道的振動(dòng)幅值超過(guò)該量程則振動(dòng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生截?cái)喽鵁o(wú)法測(cè)量。所以在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中選用傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)一定要根據(jù)測(cè)量量程和頻率響應(yīng)范圍需求進(jìn)行選擇。而本文提出的視覺(jué)測(cè)量方法在測(cè)量量程和低頻振動(dòng)測(cè)量方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，測(cè)量時(shí)安裝也更加方便。

圖11 時(shí)域測(cè)量結(jié)果對(duì)比

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

圖12 頻域測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖13 5.5秒至6.5秒間實(shí)驗(yàn)管道軸心軌跡變化圖

本文提出的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量量程上相比傳統(tǒng)的電渦流傳感器有一定的優(yōu)勢(shì)，但是在測(cè)量靈敏性方面和傳統(tǒng)的加速度傳感器比還有不足。本測(cè)量方法更加適用于一些輕質(zhì)、大振幅管道的振動(dòng)測(cè)量場(chǎng)合。在一些平行管道測(cè)量場(chǎng)合，也可以采用一個(gè)視覺(jué)相機(jī)對(duì)視場(chǎng)范圍內(nèi)多個(gè)管道的徑向二維振動(dòng)進(jìn)行同步測(cè)量，可使測(cè)量更加簡(jiǎn)單高效。

隨著視覺(jué)傳感器及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，視覺(jué)相機(jī)成本已大大降低。因此，提出的管道視覺(jué)測(cè)量方法也可應(yīng)用于一些低成本需求的測(cè)量場(chǎng)合。對(duì)于一些振動(dòng)頻率較低的大型管道，如頻率范圍在15 Hz以內(nèi)，可以采用普通的監(jiān)控相機(jī)即可實(shí)現(xiàn)管道的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。如果被測(cè)管道振動(dòng)頻率范圍較高，則可選擇幀率更高的工業(yè)相機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)管道的振動(dòng)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提出一種基于二維視覺(jué)的管道徑向二維振動(dòng)同步測(cè)量方法。首先將設(shè)計(jì)的條紋圖案粘貼或噴涂于被測(cè)管道表面作為振動(dòng)位移編碼器，再采用視覺(jué)相機(jī)進(jìn)行采集成像，最后通過(guò)特定的條紋圖像處理算法進(jìn)行處理。采用SOLIDWORKS 軟件建立了基于視覺(jué)的管道振動(dòng)測(cè)量模型，并搭建了對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電渦流傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)模擬仿真和試驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論：通過(guò)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(jué)條紋的管道振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可精確地實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)振動(dòng)幅值內(nèi)管道二維位移的非接觸式同步測(cè)量；與傳統(tǒng)的基于多個(gè)電渦流傳感器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)相比其測(cè)量系統(tǒng)成本更加低廉，測(cè)量效率更高，且對(duì)被測(cè)對(duì)象材質(zhì)無(wú)要求。