CN112050753B - 一种压力容器纵焊缝的棱角度测量方法及装置 - Google Patents

一种压力容器纵焊缝的棱角度测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压力容器纵焊缝的棱角度测量方法，该方法包括：采集待检测压力容器纵焊缝表面轮廓点云集；采用二次曲线方程对焊缝表面轮廓点云集进行回归分析，计算焊缝轮廓曲线的椭圆标准参数；以回归的焊缝轮廓曲线的椭圆标准参数构建扩展卡尔曼滤波的状态更新方程；由扩展卡尔曼滤波器在焊缝轮廓曲线凸起最高点位置处估计值与压力容器圆筒件标准圆半径参数，计算参数棱角度值。所述装置包括激光轮廓采集模块、水平与竖直位移模块、数据处理模块显示模块。本发明提供的方法与装置为存在参数余高的参数棱角度提供非接触式测量方法，实现了压力容器纵焊缝的棱角度准确测量，可适用于各种尺寸下的压力容器纵焊缝的棱角度测量。

Description

一种压力容器纵焊缝的棱角度测量方法及装置
技术领域
本发明涉及票据检测技术领域，尤其涉及一种基于激光轮廓传感器的压力容器纵焊缝的棱角度测量方法及装置。
背景技术
压力容器纵焊缝棱角度作为纵焊缝表面参数之一，其数值准确测量是压力容器是否合格及安全运行的重要保障。
常见的压力容器纵焊缝棱角度测量方法包括传统焊缝尺接触式测量方法、基于传感的焊缝棱角度数显测量方法和基于视觉的焊缝棱角度测量方法。传统焊缝尺接触式测量方法如专利CN2158525、CN201892510U等，设计特定形状的尺规与压力容器表面接触，通过主尺刻度读取焊缝参数信息，该方法操作简单、直接，但其接触式测量法流程较为繁琐，测量效率较低。基于传感的焊缝棱角度数显测量方法如专利CN2555494等，利用位移传感器代替人工读数，在测量原理上与传统焊缝尺一致。基于视觉的焊缝棱角度测量方法如专利等CN109239081A，通过采集焊缝表面图像，并经过图像阈值分割、滤噪处理等图像操作，以图像特征点的形式计算棱角度，该方法为非接触式测量，但其棱角度测量指标未参考国标定义。
上述具体专利对比文件和相关文献为：
1)、“壳体纵向焊接接头检验尺”，专利号CN201892510U。该实用新型提供一种壳体纵向焊接接头检验尺，一根标有筒体规格的定尺、两个能够左右移动定位支撑和一根标有刻度、头部带尖动尺组成。该实用新型能测量一定规格范围内不同尺寸的壳体纵向焊接接头棱角度。但该实用新型不适用于存在余高的焊缝棱角度测量。
2)、“容栅式数显焊接棱角度错边量检测仪”，专利号CN2555494。该实用新型提供了一种用以测量焊接接头焊缝棱角度和错边量的容栅式数显焊接棱角度错边量检测仪，由水平测尺和垂直测尺以及液晶显示器等组成。该装置通过容栅传感器动栅数显单元的接口把测量值送入计算机或打印机进行数据处理、打印和显示，但其测量原理与上述焊缝尺一致，不适用于存在余高的焊缝棱角度测量。
3)、“基于结构光与视觉成像的焊缝质量参数检测方法”，专利号 CN109239081A。该发明涉及一种基于结构光与视觉成像的焊缝质量参数检测方法，包括：拍摄焊缝图像得到焊缝棱角度及错边量值该方法基于计算机图像处理对二维码图像进行图像获取、处理与校正，实现去除二维码图像上冗余图像信息的功能。
4)、中国核动力研究设计院的陈聪在2012年发表的论文《大型核化工储罐对接环焊缝棱角度分析》，该文章分析了棱角度产生的原因及控制方案，并利用经验公式计算出某核化工储罐环焊缝棱角度的最大允许值，可利用此方法初步判定棱角度是否超差。该方法只能初步判断正常工况下筒体环焊缝棱角度的最大允许值，并不能准确测量棱角度值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于激光轮廓传感器的压力容器纵焊缝的棱角度测量方法及装置，所述方法及装置可以准确计算包含参数余高与打磨余高后的压力容器纵焊缝的棱角度参数，能提高参数检测自动化与效率。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种压力容器纵焊缝的棱角度测量方法，包括：激光轮廓采集模块、水平与竖直位移模块、数据处理模块与显示模块；所述
A、采集待检测压力容器纵焊缝表面轮廓母材部分像素点坐标集合 (xk,yk)；
B、采用二次曲线方程对纵焊缝表面轮廓点云集进行回归分析，计算纵焊缝轮廓曲线的椭圆标准参数，即椭圆中心坐标(xc,yc)与椭圆长短轴a、b；
C、以回归的纵焊缝轮廓曲线的椭圆标准参数构建扩展卡尔曼滤波的状态转移与参数更新方程；
D、由扩展卡尔曼滤波器在纵焊缝轮廓曲线凸起最高点位置处估计值与压力容器圆筒件标准圆半径参数，计算参数棱角度值。
一种压力容器纵焊缝的棱角度测量装置，包括：
激光轮廓采集模块、水平与竖直位移模块、数据处理模块与显示模块；所述
激光轮廓采集模块，用于采集待检测压力容器焊缝表面纵焊缝表面特征信息，并输出为点云数据；
水平与竖直位移模块，用于固定激光轮廓采集模块，并提供平面位移；
数据处理模块，用于处理激光轮廓采集模块采集的点云数据，并计算棱角度参数；
显示模块，用于显示由数据处理模块计算的棱角度参数。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
本发明基于扩展卡尔曼滤波器的纵焊缝轮廓点集空间位置预测，确定纵焊缝母材在纵焊缝凸起最高点位置处估计值，通过计算扩展卡尔曼滤波器估计值、激光轮廓采集模块距压力容器下底面距离和待检测圆筒件标准圆弧之间距离关系，实现纵焊缝棱角度参数测量。基于扩展卡尔曼滤波器的压力容器焊缝棱角度测量方法与装置，提高纵焊缝棱角度参数测量准确性与自动化，相比已有的传统焊缝尺接触式测量方法，实现了存在余高的纵焊缝棱角度测量；相比已有的基于视觉的纵焊缝棱角度测量方法，计算指标符合 GB150-2011《压力容器》棱角度测量指标的定义，提高测量准确度，具有适应性强、操作简单的优点，可适用于圆筒形压力容器的棱角度参数测量。
附图说明
图1是压力容器纵焊缝的棱角度测量方法流程。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，为压力容器纵焊缝的棱角度测量方法流程，包括以下步骤：
步骤10采集压力容器纵焊缝表面轮廓点云集；
步骤20采用二次曲线方程对纵焊缝表面轮廓点云集进行回归分析，计算纵焊缝轮廓曲线的椭圆标准参数；
步骤30以回归的纵焊缝轮廓曲线的椭圆标准参数构建扩展卡尔曼滤波的状态转移与参数更新方程；
步骤40由扩展卡尔曼滤波器在纵焊缝轮廓曲线凸起最高点位置处估计值与压力容器圆筒件标准圆半径参数，计算参数棱角度数值。
上述步骤20中，根据步骤10采集的压力容器纵焊缝表面轮廓母材部分像素点坐标集合(xk,yk)，压力容器圆筒件半径为Rstand，激光轮廓采集模块与待检测面夹角为θ，建立参数U＝(u1,u2,u3,u4,u5)的二次曲线回归方程：
u1x2+u2xy+u3y2+u4x+u5y+1＝0
由椭圆曲线判别条件可知，实体椭圆回归方程与约束条件为：
Figure BDA0002676242550000041
Figure BDA0002676242550000042
Figure BDA0002676242550000043
式中(xc,yc)为回归椭圆中心，依据二次曲线方程可得回归椭圆长短轴为：
Figure BDA0002676242550000044
上述步骤30中，所述扩展卡尔曼滤波观测状态变量设置为点云坐标信息
Figure RE-GDA0002703613530000045
依据回归椭圆标准参数，过程噪声变量
Figure RE-GDA0002703613530000046
则观测变量一阶导
Figure RE-GDA0002703613530000051
表示为：
Figure RE-GDA0002703613530000052
上式可进一步变换为
Figure RE-GDA0002703613530000053
令坐标i位置点xi代替x，(xi+1-xi)/h 代替
Figure RE-GDA0002703613530000054
其中h为采样步长，由此可得离散状态转移方程：
Figure BDA0002676242550000055
扩展卡尔曼滤波器状态转移矩阵为
Figure BDA0002676242550000056
观测数据为坐标位置信息，则确定观测变量为yi＝[1 1]xi+ν，其中ν为观测噪声，非线性观测函数 g(xi)＝[1 1]，则扩展卡尔曼滤波器观测矩阵
Figure BDA0002676242550000057
令均方估计误差为Qi，由上述状态转移矩阵矩阵与观测矩阵即可计算噪声协方差Pi传递方程为：
Figure BDA0002676242550000058
则卡尔曼增益Li状态更新为：
Figure BDA0002676242550000059
其中Dv为观测噪声方差，则状态估计
Figure BDA00026762425500000510
计算为：
Figure BDA00026762425500000511
噪声协方差Pi更新：
Figure BDA00026762425500000512
其中E为单位矩阵。
上述步骤40中，根据计算的扩展卡尔曼滤波器状态转移方程、噪声协方差与卡尔曼增益Li计算纵焊缝轮廓点集在竖直方向上极大值点位置处的扩展卡尔曼滤波器估计值
Figure BDA0002676242550000061
激光轮廓采集模块距压力容器下底面hR，则被测压力容器棱角度确定为
Figure BDA0002676242550000062
其中，Rstand为压力容器圆筒件半径。
本实施例还提供了一种压力容器纵焊缝的棱角度测量装置，包括：图像激光轮廓采集模块、水平与竖直位移模块、数据处理模块显示模块；所述
激光轮廓采集模块，用于采集待检测压力容器纵焊缝表面特征信息，并输出为点云数据；
水平与竖直位移模块，用于固定激光轮廓采集模块，并提供平面位移；
数据处理模块，用于处理激光轮廓采集模块采集的点云数据，并计算棱角度参数；
显示模块，用于数显由数据处理模块计算的棱角度参数。
上述实施例避免了存在参数余高的压力容器纵焊缝对棱角度参数的影响，提高了压力容器纵焊缝棱角度参数测量的准确性，同时，通过扩展卡尔曼滤波器处理方式，降低通过计算机图像处理的复杂程度，使压力容器纵焊缝棱角度参数测量效率更高。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种压力容器纵焊缝的棱角度测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤A采集待检测压力容器纵焊缝表面轮廓母材部分像素点坐标集合(xk,yk)；
步骤B采用二次曲线方程对纵焊缝表面轮廓点云集进行回归分析，计算纵焊缝轮廓曲线的椭圆标准参数，即椭圆中心坐标(xc,yc)与椭圆长短轴a、b；
步骤C以回归的纵焊缝轮廓曲线的椭圆标准参数构建扩展卡尔曼滤波的状态转移与参数更新方程；
步骤D由扩展卡尔曼滤波器在纵焊缝轮廓曲线凸起最高点位置处估计值与压力容器圆筒件标准圆半径参数，计算参数棱角度值。
2.如权利要求1所述的压力容器纵焊缝的棱角度测量方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：根据压力容器纵焊缝表面轮廓母材部分像素点坐标集合(xk,yk)，压力容器圆筒件半径为Rstand，激光轮廓采集模块与待检测面夹角为θ，建立参数U＝(u1,u2,u3,u4,u5)的二次曲线回归方程：
u1x2+u2xy+u3y2+u4x+u5y+1＝0
由椭圆曲线判别条件可知，实体椭圆回归方程与约束条件为：
Figure FDA0003323707290000011
Figure FDA0003323707290000012
Figure FDA0003323707290000013
式中(xc,yc)为回归椭圆中心，依据二次曲线方程可得回归椭圆长短轴为：
Figure FDA0003323707290000021
3.如权利要求1所述的压力容器纵焊缝的棱角度测量方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：扩展卡尔曼滤波观测状态变量设置为点云坐标信息
Figure FDA0003323707290000022
依据回归椭圆标准参数，过程噪声变量
Figure FDA0003323707290000023
则观测变量一阶导
Figure FDA0003323707290000024
表示为：
Figure FDA0003323707290000025
上式可进一步变换为
Figure FDA0003323707290000026
令坐标i位置点xi代替x，(xi+1-xi)/h代替
Figure FDA0003323707290000027
其中h为采样步长，由此可得离散状态转移方程：
Figure FDA0003323707290000028
扩展卡尔曼滤波器状态转移矩阵为
Figure FDA0003323707290000029
观测数据为坐标位置信息，则确定观测变量为
yi＝[1 1]xi+ν，
其中ν为观测噪声，非线性观测函数g(xi)＝[1 1]，则扩展卡尔曼滤波器观测矩阵
Figure FDA00033237072900000210
令均方估计误差为Qi，由上述状态转移矩阵与观测矩阵即可计算噪声协方差Pi传递方程为：
Figure FDA00033237072900000211
则卡尔曼增益Li状态更新为：
Figure FDA0003323707290000031
其中Dv为观测噪声方差，则状态估计
Figure FDA0003323707290000032
计算为：
Figure FDA0003323707290000033
噪声协方差Pi更新：
Pi +＝(E-LiCi)Pi -，
其中E为单位矩阵。
4.如权利要求3所述的压力容器纵焊缝的棱角度测量方法，其特征在于，所述步骤D中，按照扩展卡尔曼滤波器状态转移方程、噪声协方差与卡尔曼增益Li计算纵焊缝轮廓曲线凸起最高点位置处的扩展卡尔曼滤波器估计值
Figure FDA0003323707290000034
激光轮廓采集模块距压力容器下底面hR，则被测压力容器棱角度确定为
Figure FDA0003323707290000035
其中，Rstand为压力容器圆筒件半径。
5.如权利要求1-4任一项所述的压力容器纵焊缝的棱角度测量方法采用的测量装置，其特征在于，所述装置包括：激光轮廓采集模块、水平与竖直位移模块、数据处理模块与显示模块；所述
激光轮廓采集模块，用于采集待检测压力容器纵焊缝表面特征信息，并输出为点云数据；
水平与竖直位移模块，用于固定激光轮廓采集模块，并提供平面位移；
数据处理模块，用于处理激光轮廓采集模块采集的点云数据，并计算棱角度参数；
显示模块，用于显示由数据处理模块计算的棱角度参数。
6.如权利要求5所述的压力容器纵焊缝的棱角度测量方法采用的测量装置，其特征在于，所述激光轮廓采集模块的点云数据为激光轮廓采集模块到压力容器纵焊缝表面距离，激光轮廓采集模块出射激光与待检测平面夹角θ在60°～90°。
7.如权利要求5所述的压力容器纵焊缝的棱角度测量方法采用的测量装置，其特征在于，所述激光轮廓采集模块通过螺钉固定在水平与竖直位移模块上，可以随着水平与竖直位移模块移动，并可从水平与竖直位移模块读取激光轮廓采集模块空间位移。
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Inventor after: Qi Zhengwu

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