基于激光測(cè)距鋼管橢圓度測(cè)量?jī)x的研制：
橢圓度是判斷鋼管集合尺寸是否合格的重要指標(biāo)。油氣輸送鋼管在現(xiàn)場(chǎng)組隊(duì)環(huán)焊式，如遇管口橢圓度超差，將不能進(jìn)行對(duì)接，需要對(duì)管口橢圓度進(jìn)行測(cè)量和矯正，鋼管生產(chǎn)廠對(duì)出廠的成品管也須進(jìn)行橢圓度檢測(cè)。
目前常見(jiàn)的鋼管橢圓度測(cè)量方法有拉鋼圈尺法、深度尺加延伸桿法和計(jì)算機(jī)視覺(jué)成像法。前兩種方法是在管口內(nèi)徑做米字型4軸直徑或雙米字型8軸直徑測(cè)量，比較出橢圓度的長(zhǎng)軸和短軸之差，測(cè)量過(guò)程需人眼觀測(cè)毫米以下刻度，人工計(jì)算差值記憶長(zhǎng)軸短軸的位置，兩種方法都有測(cè)量誤差達(dá)和出錯(cuò)概率高的缺點(diǎn)。
而基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)成像法的橢圓度測(cè)量裝置須在專門(mén)的固定工位上依靠靜謐的機(jī)械機(jī)構(gòu)才能進(jìn)行測(cè)量，該裝置體積龐大，測(cè)量效率低，造價(jià)昂貴，不能滿足實(shí)際的測(cè)量需求。針對(duì)這一情況，本研究采用模塊化柔性設(shè)計(jì)理念，以激光測(cè)距傳感器和單片機(jī)智能芯片為核心，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款功能齊備，精度高，操作方便，便于攜帶的鋼管橢圓度測(cè)量?jī)x。
1、鋼管橢圓度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)
1.1橢圓度測(cè)量原理
在圓形鋼管的橫截面上存在著外徑不等的現(xiàn)象，即存在著不一定互相垂直的大外徑和小外徑，大外徑與小外徑之差即為橢圓度△L=b-a，式中：b---鋼管的長(zhǎng)軸；a---鋼管的短軸。
當(dāng)△L大于規(guī)定值即為鋼管的橢圓度超差。
激光橢圓度檢測(cè)儀利用相對(duì)測(cè)量方法獲得△L，激光測(cè)距傳感器輸出的距離為激光面距被測(cè)點(diǎn)的距離，當(dāng)測(cè)距儀桿長(zhǎng)一定時(shí)，長(zhǎng)短軸之差即等于激光測(cè)距在長(zhǎng)短軸處的差值。測(cè)量時(shí)，將測(cè)量?jī)x置于管口，伸縮桿支點(diǎn)尖支撐與管壁內(nèi)側(cè)，上下靠輪靠于管端，激光測(cè)距儀開(kāi)始測(cè)量，滑過(guò)一段弧長(zhǎng)即可完成一處測(cè)量，在管口選取不同位置，比如米字型，或者選取更多的點(diǎn)，滑動(dòng)測(cè)量，即可得到一組測(cè)量數(shù)據(jù)，儀器將自動(dòng)判斷橢圓度差值和橢圓度的長(zhǎng)軸短軸方位，并顯示在屏幕上。
為保證滑動(dòng)的這一段弧長(zhǎng)經(jīng)過(guò)圓心，特別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制程序，保證測(cè)量的正確性。
1.2激光橢圓度測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)
激光橢圓度測(cè)量?jī)x由底端靠輪、粗伸縮管、伸縮桿鎖緊夾、細(xì)伸縮管、控制部分和頂部靠輪組成。
用激光橢圓度測(cè)量?jī)x測(cè)量鋼管橢圓度時(shí)，開(kāi)始測(cè)量，松開(kāi)伸縮桿鎖緊夾即可調(diào)節(jié)伸縮桿的長(zhǎng)度，以測(cè)量不同直徑的鋼管。
伸縮管選用的是市面上常用的不銹鋼裝置管，粗管規(guī)格為φ19mm*1.0mm，細(xì)管規(guī)格為φ16mm*0.8mm。
細(xì)管套入粗管內(nèi)可自由伸縮，兩管之間設(shè)計(jì)了尼龍材料制作的鎖緊夾，松開(kāi)鎖緊夾即可自由調(diào)節(jié)長(zhǎng)度。粗細(xì)伸縮管的另外一段分別于儀表盒及支點(diǎn)尖連接，設(shè)計(jì)了可拆卸內(nèi)漲式固定螺栓。
2、鋼管橢圓度測(cè)量?jī)x的控制部分
2.1激光測(cè)距與AD采集電路
激光測(cè)距傳感器是橢圓度測(cè)量?jī)x控制系統(tǒng)的重要組成器件，其性能決定了測(cè)量精度。
本測(cè)量?jī)x所選用的激光測(cè)距傳感器分辨率為0.1-0.2mm，量程20-200mm，更新周期≤7ms，輸出4-20mA的模擬量信號(hào)，精度高、更新速度快，非常適合快速移動(dòng)測(cè)量。為了保證檢測(cè)的終精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD7715，該芯片配有1路差分輸入，16bit分辨率，高采樣頻率500Hz，AD1580B作為AD參考電源，保證了AD轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性和精度。
2.2陀螺儀電路及其特點(diǎn)
為了能準(zhǔn)確檢測(cè)到鋼管長(zhǎng)軸和短軸出現(xiàn)的位置，該測(cè)量?jī)x配備了三軸陀螺儀和三軸加速計(jì)。MPU6050是整合6軸的運(yùn)動(dòng)處理組件，內(nèi)部融合了三軸陀螺儀和三軸加速計(jì)，利用軟件算法可以比較準(zhǔn)確測(cè)量擺動(dòng)中的測(cè)量?jī)x位置。
2.3激光橢圓度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)軟件
激光橢圓度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為按鍵子程序，顯示子程序，AD采集子程序、位置判斷子程等。
3、現(xiàn)場(chǎng)使用
激光橢圓度測(cè)量?jī)x具有操作簡(jiǎn)單、工作效率高、測(cè)量精度高、人機(jī)界面良好、一次測(cè)量可同時(shí)得到周長(zhǎng)、直徑等數(shù)據(jù)，快捷的調(diào)節(jié)伸縮桿長(zhǎng)度即可測(cè)量不同管徑的鋼管。
4、結(jié)語(yǔ)
針對(duì)目前常見(jiàn)鋼管橢圓度測(cè)量方法測(cè)量誤差較大和出錯(cuò)概率偏高的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款以激光測(cè)距傳感器和單片機(jī)智能芯片為核心的鋼管橢圓度測(cè)量?jī)x。工程實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用表明，該測(cè)量?jī)x便于攜帶，具有操作簡(jiǎn)單、工作效率高、測(cè)量精度高、人機(jī)界面良好、一次測(cè)量可同時(shí)得到周長(zhǎng)、直徑等數(shù)據(jù)，快捷的調(diào)節(jié)伸縮桿長(zhǎng)度還可測(cè)量不同直徑的鋼管。
作者：黃雄飛