基于颜色传感器定位的线激光罐道结构检测精度提高方法

牛伟锋，宗亮亮，张小康，涂世宇，柳 苗

(1.山西焦煤霍州煤电集团 辛置煤矿，山西 霍州 031400；2.霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400；3.武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉 430070)

煤矿立井罐道是矿井的重要组成部分和生产活动的咽喉要道，它的变形和破坏不仅会给矿井安全生产带来威胁，而且还会造成严重的经济损失。井筒发生破坏直接会导致罐道产生形变，而罐道纵向弯曲变形会影响提升，甚至造成卡罐事故。

刚性罐道结构形变检测方法主要分为两大类：静态检测和动态检测。静态检测(几何测量法、专用仪器法)是指在提升机停止运行后，利用直尺、激光等技术对罐道的偏斜、弯曲度、外形进行检测；动态检测(振动加速度)是指通过提升机的加速度输出响应来判定罐道的运行状态[1-2].以上方法属于点式测量技术，且测量的都是相对变化量，难以及时、全面跟踪与评价罐道空间几何形变。因此，对罐道结构变形的高效、高精度测量成为煤炭生产中亟待解决的问题。

线激光测量技术因其具有非接触、速度快、精度高、动态范围宽等优势，已成为大型机械结构轮廓测量的重要手段之一，将其用于罐道结构形变检测具有一定的优势。然而，现场罐道之间的接缝有时会塞满填充物，导致线激光扫描仪容易发生漏判。因此，采用颜色传感器辅助线激光罐道结构检测系统进行罐道接缝精确定位，以提高系统识别罐道缝隙位置及测量精度。

1 基本原理

1.1 线激光扫描原理

由激光二极管发出的高斯光束经柱面透镜放大成一条激光线，激光线投射到被测物表面发生漫反射并形成一条激光投射线。线激光测量坐标系X轴、Z轴见图1，被测物表面点A、A1、C处的漫反射光透过高质量光学镜片组，在敏感感光阵列点B、B1、D处形成漫反射像点光斑[3].

图1 线激光三角法测量原理图

当被测面沿线激光测量坐标系Z轴方向发生位移Δ时，入射光在被测面的投射点A变化到A1.同时，其漫反射光在感光阵列上的像点从B变化到B1，变化量记为δ，则有：

(1)

(2)

由式(1)和(2)联立可得：

(3)

式中，a表示接收透镜组的物距；b表示接收透镜组的像距；α表示激光束在被测面的投射点A和接收透镜组中心O的连线与激光束平面的夹角；β表示漫反射光像点B和接收透镜组中心O的连线与感光阵列感应平面的夹角；θ表示位移变化前后两个反射面的夹角[4].

同理，被测面上沿线激光测量坐标系X轴方向上任意两点A、C间距为ε，其漫反射光在感光阵列上的像点分别为B、D，且两点间距为ζ，则有：

(4)

式中，γ表示激光束在被测面的投射点A和接收透镜组中心O的连线与激光束在被测面上投影线的夹角；ω表示漫反射光像点B和接收透镜组中心O的连线与感光阵列上投影线在感光阵列上像线的夹角[5].于是，线激光测量坐标系Z轴、X轴方向的位移量Δ和ε可根据像点光斑位移量δ和ζ求得。

1.2 颜色传感器工作原理

颜色传感器的主要功能是用来识别颜色，也就是用来判断测量到的颜色与所期望的颜色是否一致。颜色传感器的结构主要包括光电二极管与专用半反射镜。其工作原理见图2，将入射光源通过专用反射镜所测得的颜色分解成RGB值，然后通过光电二极管分别检测各色的强度[6-7].当判别到待测物体的RGB值与所设定的RGB值接近时，颜色传感器会输出一个脉冲信号。

图2 颜色传感器工作原理图

2 系统总体设计

2.1 系统架构

线激光罐道结构形变检测系统主要由高频线激光传感器、感光阵列CCD、多线程编码器、颜色传感器、中央控制处理器和PC机组成。其系统架构见图3.

图3 系统架构图

其中，高频线激光传感器用来对待测物体表面进行线扫描；感光阵列CCD以超快的速度对待测物体表面进行拍摄得到轮廓图；多线程光电编码器用来计算里程信息；颜色传感器用来定位和识别罐道接缝；中央控制处理器负责对拍摄的图像和数据进行处理、分析、储存和传输；PC机完成对罐道结构检测数据的深度分析、滤波处理、数据展示及储存。

该系统和装置克服了传统技术存在的不足，具有检测速度快、操作便捷、测量点连续、测量精度高等优点，不会遗漏待测结构潜在病害处，尤其适合刚性提升罐道结构健康定期检测与诊断。

2.2 线激光传感器

激光二极管发出的高斯光束经柱面透镜放大成一条激光线，激光线投射到被测物表面发生漫反射并形成一条激光投射线，激光器发出的光线投射到被测物体表面，经过反射由接收透镜组接收后传递给CCD，当被测物体表面位置发生改变时，导致入射点的光轴位置发生移动，被测物体表面光线在 CCD 成像面的位置发生改变。通过检测位置、形状的变化来测量位移和形状。其结构见图4.

图4 线激光器结构图

2.3 颜色传感器

发射器透镜和接收器透镜分别接收光源和反射光源，发射器使用了光纤，能够产生单一光点，同时还缩小了传感头的体积。光线接收回路内置在传感头中，提高了检测能力和检测稳定性。

2.4 系统工作流程

系统开始测试前，在每根罐道接缝处标记一种特定颜色，以便颜色传感器扫描时能够准确识别。在提升系统牵引罐道运动的过程中，检测系统通过颜色传感器来准确识别罐道接缝处，上位机接收到脉冲信号后，立刻启动罐道缝隙的相关参数计算，通过特定算法准确获得罐道缝隙宽度、错位值以及罐道表面磨损值，并以报表的形式展现出来。其工作流程见图5.

图5 系统工作流程图

3 系统软件算法

3.1 缝隙识别算法

未加入颜色传感器时，通过接收到的数据进行特征值处理来识别缝隙，容易产生误判或漏判。加入颜色传感器后，通过颜色传感器扫描缝隙处特定颜色产生脉冲信号，即可准确识别缝隙位置，然后由上位机进行标志位处理，将此处标记为缝隙。其流程图见图6.

图6 缝隙识别流程图

3.2 缝隙宽度及错位算法

罐道缝隙X、Y方向的错位以及缝隙宽度Z的表示方法见图7.X方向错位代表罐道缝隙处上、下两根罐道的水平方向差值，可以根据水平方向激光点的有效个数计算出来；Y方向错位代表缝隙处上、下两根罐道之间前后差值，可以通过线激光扫描仪距离罐道的距离计算得到；缝隙宽度Z表示两根罐道之间垂直间隙，可以通过缝隙之间的垂直方向无效激光点个数计算得到。

图7 缝隙错位及宽度示意图

罐道缝隙宽度及错位算法流程见图8，在缝隙识别算法检测到缝隙所在物理位置后，迅速处理线激光扫描仪传递过来的数据，经过一系列的转换和计算后，统计出有效和无效激光点的个数，通过一定的算法即可准确获得缝隙宽度和错位值，其测量精度可以达到0.1 mm.

图8 缝隙宽度及错位算法流程图

4 实验及分析

为了模拟罐道现场实际工况，在室内搭建试验平台，分别测试罐道缝隙填塞和未填塞时的情况。使用钢尺测量罐道的X、Y方向的错位值以及缝隙宽度Z分别为3 mm、5 mm和7 mm.

在系统运行过程中，上位机软件将接收到的数据进行分析和处理后，输出结果见图9.

图9 罐道轮廓和2D图

4.1 缝隙识别

为了验证颜色传感器对罐道缝隙识别的准确度，特在罐道缝隙处模拟填塞和未被填塞工况，对罐道缝隙分别进行32次测量，实验结果见表1.

表1 识别缝隙数量表

在实际测量过程中，当罐道缝隙处有填塞时，线激光可能会扫描不到缝隙的存在，于是存在数据缺失的情况，见图10.

图10 缝隙扫描情况图

4.2 错位精确测量

在有、无颜色传感器辅助缝隙识别的情况下，对未填塞的罐道缝隙进行4次测量，见图11.

图11 实验结果图

将4次有、无颜色传感器系统检测罐道错位值汇总,见表2.

4.3 结果分析

从表1可以看出，当缝隙没有填塞时，有、无颜色传感器作为辅助手段，系统检测结果一样，识别率为100%；当缝隙有填塞时，未加入颜色传感器时识别率为90.6%，而加入颜色传感器时识别率为100%.从表2可以看出，加入颜色传感器后，X方向错位、Y方向错位和缝隙宽度Z的相对误差均有一定幅度的改善，其测量精度显著提高。

表2 罐道错位测量值表

由此可知，颜色传感器可以明显提高系统识别缝隙的准确度，对罐道错位和缝隙宽度的测量精度上有一定的积极作用，其测量精度可以达到0.1 mm.

5 结 论

本系统将颜色传感器与线激光扫描技术相结合，实现了罐道缝隙的准确定位与精确测量，其缝隙识别率达到100%，测量精度达到0.1 mm.实验表明，该系统具有操作简单、检测速度快、可移植性强、测量精度高等特点，对掌握罐道的形变程度、及时排除可能存在的安全隐患具有重要意义。