An Automated Inner Dimensional Measurement System Based on a Laser Displacement Sensor for Long-Stepped Pipes
Fumin Zhang *, Xinghua Qu and Jianfei Ouyang
State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China
*Author to whom correspondence should be addressed; Tel.: 86-22-2740-8861; Fax: 86-22-2740-4778.
Received: 12 March 2012; in revised form: 17 April 2012 / Accepted: 25 April 2012 / Published: 4 May 2012
Abstract: A novel measurement prototype based on a mobile vehicle that carries a laser scanning sensor is proposed. The prototype is intended for the automated measurement of the interior 3D geometry of large-diameter long-stepped pipes. The laser displacement sensor, which has a small measurement range, is mounted on an extended arm of known length. It is scanned to improve the measurement accuracy for large-sized pipes. A fixing mechanism based on two sections is designed to ensure that the stepped pipe is concentric with the axis of rotation of the system. Data are acquired in a cylindrical coordinate system and fitted in a circle to determine diameter. Systematic errors covering arm length, tilt, and offset errors are analyzed and calibrated. The proposed system is applied to sample parts and the results are discussed to verify its effectiveness. This technique measures a diameter of 600 mm with an uncertainty of 0.02 mm at a 95% confidence probability. A repeatability test is performed to examine precision, which is 1.1 mu;m. A laser tracker is used to verify the measurement accuracy of the system, which is evaluated as 9 mu;m within a diameter of 600 mm.
Keywords: laser displacement sensor; pipe interior geometry; automated measurement; long-stepped pipe
1. Introduction
Recent years have seen a growing need for an inner measurement system intended for the quality assessment of large-diameter pipes used in a number of industries, such as nuclear power plants and shipping [1–3]. Shaft and pipe assembly significantly influences the quality of ships. Usually, the stern tube used in ships is circular, with an inner diameter of 0.6 m to 1 m, and a diameter tolerance of 0.03 mm to 0.05 mm [4]. Although pipe sizes vary considerably, most of these pipes are too long and narrow for direct human access. Therefore, conventional measurement tools such as coordinate measuring machines (CMMs), laser trackers, photogrammeters, or inner-diameter micrometers are inappropriate in the field because these all require human intervention. In-pipe automated measurement equipment robots are proven suitable alternatives to current pipe inspection techniques; they are reliable over long sections of pipes and provide sufficient location information [5]. Automated pipe inspection can reduce the manpower required in this process. In-pipe robot prototypes based on different motion mechanisms have been proposed. The prototypes include wheeled, snaking, walking, worming, and helical-drive types. These robots are used for maintaining and repairing pipes, measuring positions of manholes, detecting the location and extent of damage in sewage systems, and measuring the deformations of pipes.
The general profiling approach is to mount a sensor on a mobile vehicle; the sensor can be propelled along the pipe and record its dimensions [6,7]. A wide range of sensors with specific advantages and disadvantages are available. Such sensors include optical method sensors, mechanical stylus, color cameras, ultrasonic and microwave sensors, infrared thermographs, and ground-penetrating radars [8]. To improve accuracy and obtain high-resolution measurements of pipe profiles, laser displacement-sensor rotating techniques based on optical triangulation can be used [9,10]. However, two crucial problems are encountered in stern tubes:
- Pipes with stepped holes cause tilting of the measurement system, and then the rotation plane of the sensor becomes non-perpendicular to the pipe axis. Data on an ellipse are acquired, making data processing more complex.
- Pipe diameters vary considerably, so measuring surface data with high accuracy for every pipe specification is difficult to accomplish.
To overcome these problems, we propose a novel automated pipe measurement method and prototype system. The method and system are anticipated to be particularly beneficial to the high-precision measurement of various large-diameter stepped pipes.
2. Principle and Components of the Measurement System
Measurement devices based on mobile wheeled platforms equipped with optical triangulation sensors are constructed to measure the dimensions of the entire interior of a pipe. The measurement is conducted via fast 3D surface scanning. The hardware of a measurement system is composed primarily of four sub-s
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一种基于激光位移传感器的长管道自动内尺寸测量系统
摘 要
提出了一种新的基于移动的车辆进行激光扫描传感器的测量原型。该原型的目的是用于自动测量的内部三维几何大口径长管道的激光位移传感器，它具有一个小的测量范围，被安装在已知长度的延伸臂上。它的扫描方法提了高测量大型管道的测量精度。设计成一种基于双截面的固定结构，保证了阶梯管与系统的旋转轴线同心。数据是在一个圆柱形的坐标系，并装在一个圆，以确定直径。分析和校准系统的错误，包括手臂的长度，倾斜和偏移误差进行了分析和校准。所提出的系统适用于样品坝RTS和讨论的结果来验证其有效性。这种技术测量的直径为600毫米，0.02毫米的不确定性，在95%的置信概率。重复性试验性能但检测精度，这是1.1mu;M.激光跟踪仪是用来验证系统的测量精度，被评为9mu;米范围内直径600毫米。
关键词：激光位移传感器；管内几何；自动测量；长管道
1.景区简介
近年来，一种用于大口径管道内在的测量系统，在多个行业的需要日益增长的，如核电厂和运输。轴和管组件对船舶质量有明显的影响。通常，用于船舶艉轴管是圆形的，用内径0.6米至1米，与一个直径公差0.03毫米至0.05毫米[ 4 ]。虽然管道的大小有很大的不同，大多数这些管道太长和狭窄的直接人力访问。因此，传统的测量工具，如坐标测量机（CMM）、激光跟踪仪、photogrammeters内径千分尺是不适当的，或在现场因为这些都需要人为干预。管道自动化测量设备机器人被证明是合适的替代目前的管道检测技术，他们是可靠的，长管和提供足够的位置信息[ 5 ]。自动管道检测可以减少在这个过程中所需的人力。在管道机器人原型的基础上，提出了不同的运动机制。原型包括轮式、蜿蜒行走，蠕动，和合力卡驱动类型。这些机器人是用于维护和修理管道，测量位置的人孔，检测位置和污水系统的损伤程度，并测量变形管道的生理盐水。
一般的分析方法是将传感器在移动车辆；传感器可以推动沿管道，并记录其尺寸[6,7]。一个具有特定优势的广泛的传感器可用的缺点。这些传感器包括光学方法，传感器，机械手写笔、彩色摄像机、超声波和微波传感器，红外热像，和地面穿透雷达[ 8 ]。为了提高精度和获得管型材高精度测量、激光位移传感器旋转技术基于光学三角法可用于[9,10]。然而，2个重要的公关在尾管中遇到的问题：
带有阶梯孔的管道使测量系统倾斜，然后将传感器的旋转面垂直于管轴。在一个椭圆形的数据被收购，使数据处理更复杂。
管道直径相差很大，所以测量表面数据精度高，每一个管道规格是很难完成的。为了克服这些问题，我们提出了一种新的自动管道测量方法和原型系统。的方法和系统，预计将特别有利的高精度测量各种大口径管道发展阶梯。
2.测量系统的原理和组成
测量装置的基础上安装了光三角传感器的移动轮式平台测量的整个内部的管道的尺寸。测量是行为通过快速三维表面扫描。测量系统的硬件主要由四个子系统组成，如图1所示，以及所提出的测量系统的结构。
图1 建议测量系统的机械结构。
2.1扫描单元
一个激光位移传感器的测量原理，采用的是半导体激光器和CCD相机和激光三角位移传感器。激光三角位移传感器已广泛应用于工业测量因为他们进行非接触测量的应用和快速扫描的亚微米分辨率的测量。然而，他们有一些缺点，如阴影区。CCD检测不到宝在台阶的表面处理，由于大的角分离和检测轴的投影。幸运的是，连续的轮廓测量是不必要的。在一般情况下，数据点双圆截面用于获得直径相同的管子的尺寸。另一个缺点是，传感器的表面特性如材料敏感，裁判选择性和粗糙度。然而，该传感器具有良好的可重复性的具体任务，和系统的错误介绍的表面可以提前纠正。因此光学三角测量显示位移传感器适用于测量系统。位移传感器类型的选择涉及精度和测量范围之间的权衡。因此，相对测量原理基于激光传感器的原理安装在适当延长臂固定端使用该系统测量精度高，大直径。选定的传感器在这学习是一个lk-g30 KEYENCE，其中有一个30毫米的距离，0.05mu;m分辨率，和更好的线性度plusmn;5毫米测量上限（plusmn;0.05%）。因此，对激光的置信区间传感器为0.0025毫米，给予约95%的置信概率。因此，标准不确定度分量u1 = 0.0025/2 = 0.0013毫米。
鉴于在每个径向方向上测量的能力是必不可少的量化的内墙尺寸，一个360度的扫描仪被设计为获取点数据的一部分。伸展臂是CIRcumferentially旋转伺服电机与2048线/圆编码器和高性能轴承。该测量系统可以在圆柱坐标系表示的（R，theta;，Z），其中Z是一个线性的管的纵轴线坐标。在一个坐标系XOY，原创放在旋转的中心。旋转角度theta;从复位位置与光电编码器测量，因此，在每个部分的测量点的极坐标可以被确定。该机构的范围为360个左右的轴线。半径R（theta;）从管壁theta;中心对应的角度是：
（1）
其中R（theta;）是传感器读数和R0是伸出手臂的长度。长度R0可以是多种多样的，不同长度的改变以适应不同臂管内径。例如，我们选择R0 = 970毫米的尾管与极坐标测量1米点内径的应用转换到直角坐标系，并确定相应点的坐标：
（2）
电机的旋转速度可以预先确定的表面特性。在每个点的测量时间设定为20渭的1000渭S.直径和圆度参数然后利用数据处理算法的基础上的最小二乘拟合算法计算。
该系统同时提供管道内部的部分数据。对称的二传感器同步旋转，通过连接杆来实现，从而提高效率CY和对称性。
旋转精度不仅取决于旋转编码器，还对激光传感器在旋转机械结构的动态误差，包括不可避免的径向跳动误差OF轴。由一个微米和最小化到约0.01毫米的迭代测量和传感器旋转确定的角度测量的位移。这种效果是估计作为一个矩形分布，因此标准的不确定度分量：
2.2 向前向后行走装置
为满足管道轴线向前/向后机动的要求，设计了一个长管的测量系统，设计了一个四轮的测量系统，其中包括窝驱动轮和两轮驱动轮。每个驱动轮由一个带有编码器和减速器的电机驱动。一种MAXON电机，其7 nm能够提供足够的力矩平滑用于管道内的内壁上的推进。带有深槽的车轮在系统运动过程中防止打滑。该系统的运动速度可通过运动速度的定义在车辆轴上使用编码器，得到了系统的测量部分的精确位置。该系统的定位是通过独立控制的双方的电子驱动轮。
2.3 位置固定和中心单元
该装置具有固定的传感器旋转和管采样的稳定轴旋转的管壁。该定位机构由两节组成，每节有三个升EGS圆周放置120°分开绕纵向轴对称。一个受电弓机构的六条腿，以确保提升或降低系统轴。马达驱动锥形前进，这在中央轴径向推六条腿直到与管内壁接触，和电机反转锥回六条腿一旦扫描过程是复杂的等。
系统中的一个关键因素是确保激光传感器的中心轴线与管的中心轴线同轴。因此，受电弓设计也有助于传感器旋转时，垂直于管轴线的2个传感器的位移方向，该功能避免了在复杂的数据处理中的椭圆数据的采集。尤其如果使用了一种常规的固定机构，如电磁铁，则该阶梯孔的结果在系统轴线的轻微偏离管轴。春天的机制使我的腿每节都要扩展到不同的长度，以保证这两个部分以不同直径的孔为中心。在极坐标系中直接获得数据。巧合的二轴使捕获的数据在传感器工作小范围内变化，从而惠及所有径向方向的传感器误差的均匀性。定心误差受变异在plusmn;0.01毫米的范围内进行。因此，不确定性分量估计为一个矩形分布：
电机的驱动电流是有益的，间接控制的稳定压力的车轮对管壁，以获得一个稳定的中心轴。此外，驱动电流也可以防止过载的机制。
2.4中央控制单元
远程控制系统安装。该仪器的控制设计需要一个不同的元素的数量。通过激光传感器产生的位移信号经过模拟发送到PC机g-to-digital转换。一个控制器区域网络（可以）现场总线是用来控制上述四个电机驱动器，包括一个扫描电机，一个中心电机，和2个驱动轮电机测量系统可以去除电缆，包括通信、传感器信号和移动机器人和离板计算机之间的电源线。激光传感器和电机编码器数据通过ZigBee无线数据通信技术传输到PC。使用电池作为驱动电机和激光的电源供电的电源线的自由传感器。测得的三维数据可以存储在一个数据库中，并显示在图形用户界面上。
3.系统误差源分析及不确定度评定
3.1 手臂长度的系统误差
扩展臂与相应长度的组装各种直径。延伸臂R0长度预先标定的卡尺。随着臂标定的不确定性是UL0 = 0.01毫米（2sigma;）。然而，环境干扰的影响，大大降低测量精度。因此，保持长度的稳定性之间的校准和最终用途，本系统系统误差校正用方程（3）：
（3）
与校准的绝对长度为1的不确定性：
（4）
例如，L0 = 500毫米。因瓦臂具有非常低的热膨胀alpha;= 1times;10minus;6 /°系数C，与你alpha;= 5%alpha;不确定性（2sigma;）。在温度测量的不确定性NT是UT = 0.5°C（2sigma;）。当温差Delta;t = 20°C臂长度L = 10校正（1 alpha;Delta;t）= 500.01毫米，与UL = 0.01毫米的不确定性（2sigma;）。所以标准的不确定性是U4 = 0.005毫米。
温度不仅影响臂长，而且管径。幸运的是，这个错误的补偿是不必要的。艉管测量的目的是提供指导，为后续的用一个合适的直径轴制造。因此，在控制箱的温度传感器被添加到计算的轴的直径，从而使严格的轴和管组件下的火焰温度。
3.2 倾斜和偏移的系统误差
激光位移测量和Z轴的影响与位移测量的不确定性之间的关系。最初，这两个轴被假定在相交和垂直。然而，倾斜和偏移系统误差的存在，如图2所示。
图2 倾斜和偏移系统误差。
设计了一个校准程序（图3）。偏移量是指：通过测量量块的平面，最小的传感器读数发现x0。旋转theta;1和theta;2后，传感器的反应丁是X1和X2。
图3 偏移误差校正。
方程（5），然后得到：
（5）
校准参数也来自：
（6）
随后，我们正确的转换到直角坐标方程（2）的系统误差：
（7）
不确定分量的可能相关性较弱，因此可以忽略不计。估计的合并标准的不确定性：
扩展不确定度，约95%的覆盖率，估计为u95 =利用率= 0.02毫米。概括地说，一个完整的测量系统的不确定性预算，给出在表1。
表1 内管测量系统的不确定度预算（毫米）
4.测量结果
该系统是通过管道来评估其操作和自动化性能，精度和准确性。第一测试（图4）是在水平管道中实现的实验室582毫米。收集资料。
图4 实验室测量系统的实验研究。
测试包括连续重复测量36次，采样间隔为2分钟。图5显示结果。
图5 测量系统的可重复性。
重复性指标是由标准差sigma;= 3.48mu;M.此外，一个明显的热身阶段，可以观察到，持续约26分钟（相当于热身T在传感器的规格表示法）。机械组件内的传感器在热身期间对温度变化敏感，导致洪峰或岑漂移光的强度分布成像于CCD重心位置，然后引入位移误差。例如，半导体激光器的腔长随温度的变化会使光源的激光波长和光功率波动。因此有足够的预热时间是必要的。如果使用该系统没有等待预热结束，这一现象应该还应考虑到评估的不确定性。26分钟后，数据已经稳定，下一个数据点= 1.10mu;M.考虑测量标准偏差sigma;难度在激光传感器中，半导体激光器腔的温度，采用2种方法克服漂移。首先，漂移的趋势是通过数据线性回归预测的实现，软件补偿。其次，实际上，在这一阶段，漂移误差实际上是2mu;m和10mu;m之间的变量，并且有很大的不同，从那些可观察到的仪器已预热。因此，战争至少20分钟的仪器是激光传感器的最常用和最可靠的方法。
测量的直径测量的36倍和测量的测量的标称直径的测量精度的评价（图6）之间的差异。根据制造商的性能规范在激光跟踪仪的测量不确定度的距离参数、组件（2sigma;）的激光干扰系统是10mu;M 0.8mu;M / Mtimes;2米= 0.0116毫米，而角的测量不确定度C（2sigma;）是最常用的18mu;M 3mu;M / Mtimes;2米= 0.024毫米。表2显示了平均结果。
图6 使用激光跟踪校准。
表2 在实验室测量的结果（毫米）。
最大偏差为6mu;m，这反映了剩余系统误差。
二次测试是实施在水平的阶梯管道直径为605毫米的领域，其中一个总的六个配置文件收集（图7和8）。
图7 测量系统的现场试验。
图8 六个配置文件的位置。
给定的直径超出上述臂和腿的范围，其他臂和腿的不同长度的组装在现场测量的相应直径。这个过程结果我改变装配参数。因此，需要重新校准的系统误差。表3所列的平均结果，由传感器2校准前和之后，与那些获得由激光跟踪。最大偏差为9 m，由于管道长度足够，可从双传感器扫描。表4示出的结果的比较我们的传感器。
表3 在校准前后测量的直径（毫米）。
表4 在现场测量的结果，使用2个传感器（毫米）。
传感器的最大偏差为4 m。表4在现场测量的结果，使用2个传感器（毫米）。
传感器的最大偏差为4 m。
5.结论
本文开发了一种大型管道内几何测量系统。该系统有助于与圆柱坐标测量在径向方向的自动三维测量NT的方法。它由一个由一个机动的运输，信号处理和控制电路，以及用于显示结
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