CN112304191A - 三向位移测量的数字化数据取得方法与监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种三向位移测量时取得数字化位置数据的方法，采用工业用的数码相机对指针式膨胀指示器拍照得到数码照片，采用计算机图形图像识别技术处理数码照片，得到三向位置数据，解决了常规模拟量测量方法难以解决的数据漂移问题。改进的照相设置方案，可进一步简化数据计算，减少干扰因素的影响，提高可靠性与经济性。

Description

三向位移测量的数字化数据取得方法与监测系统

技术领域

本发明申请涉及三向位移测量技术，具体是一种可用于三向位移测量的数字化数据取得方法与监测系统。

背景技术

热力设备由于温度压力的变化会发生胀缩变形，变形的具体数值可以反应出设备是否出现异常，因此需要对膨胀的具体数值进行监测。目前热力发电站使用的膨胀指示器，由带刻度的垂直指针与水平刻度板、固定附件组成，其中垂直指针通过一个可上下活动的松套固定在需要监测位移的热力设备上，水平刻度板固定在相对不动的固定平台上，垂直指针上的刻度指示出垂直方向的位移读数，垂直指针在水平刻度板的位置指示出两个水平方向的位移读数。电站运行人员主要采用人工巡检观察并记录的方式监测，费时费力且无法做到及时监测，更不方便记录显示一段较长时间的膨胀变化趋势，不能及时发现膨胀异常，因此存在安全隐患。

有很多人对于取得数字化数据的方法进行了研究。专利申请201521101932.1公开了由底座、导轨、中心滑座、编码器和齿条等组成的三维定位机构，用于锅炉膨胀自动监测；专利申请 201510338893 .5公开了一种具有在线监测功能的膨胀指示器，包括水平托盘，在托盘边缘上固装四根滑竿，在托盘一角固装X/Y方向位移传感器，在滑竿上套装X/Y轴膨胀指示杆，Z方向滑竿顶端安装Z方向位移传感器；专利申请 201621057765 .X 公开了一种电站热力设备膨胀指示器，包括：电机、杆件和位移感知面板；所述电机与所述热力设备的外壁固定连接，用于驱动所述杆件做轴向延伸运动；以及所述位移感知面板被设置以使所述杆件在轴向延伸运动过程中能够触碰所述位移感知面板，以及所述位移感知面板用于感知所述杆件的触碰位置。上述专利技术都采用有机械运动的监测元件，在复杂的现场工作环境中易出现运动部件卡涩问题。

专利申请 201620448254 .4 公开了一种三向位移传感器与固定在被监测部件上的三面体组成的监测与数据转换系统，其中的三向位移传感器采用电感式位移传感器，无机械传动部件。在现场安装过程中，电感传感器的精确定位校准存在困难。由于采用传统模拟量形式的检测技术，在长时间连续工作、现场温度变化大等条件下，不可避免地存在数据漂移较大的问题。

本人参与的专利申请201711095094.5 公开了一种采用激光测量方法的三向位移传感器与监测系统，能够实现膨胀监测的数字化，但是能够适应热力设备膨胀监测应用环境的激光测量传感器成本较高，不利于推广应用。

虽然如前所述有很多人对于膨胀监测技术进行了研究，但是相关技术都没有得到大量推广应用，其根本原因是，热力设备的膨胀监测需要适应室内、室外复杂多变的工作环境，有可能存在雨雪灰尘干扰，且环境温度变化大，在如此复杂多变的环境中，要求数据多年保持稳定可靠，漂移量以不超过1-2毫米为宜。现有的技术方法在技术或经济层面存在缺陷，需要有新思路新方法才能解决。

发明内容

本发明提出了一种创新的成本较低的技术方法——照相识别法，采用数码相机（工业用的数码相机也称为工业相机、工业摄像机、工业摄像头）对指针式膨胀指示器拍照得到数码照片，采用计算机图形图像识别技术处理数码照片，得到三向位置数据。

为了实现上述目的，本发明的热力设备膨胀监测的数字化三向位移监测系统，由类似现有的指针式膨胀监测指示器、数码相机、数据网络、计算机、电源系统等几个部分组成。工业相机即工业用的数码相机，能够在室内外环境中较大温度范围内可靠地工作，有一定抵抗雨水、灰尘的能力，适合工业应用场合。工业相机对指针式膨胀监测指示器照相，得到的数码照片通过数据网络传送到计算机。计算机可以是单台，也可以是多台工控机或服务器的组合。计算机对数据网络传送来的各测点的照片进行有效性分析与储存、识别，得到各测点的位移数据，以及工业相机是否正常工作的状态信息；在对位移数据进行储存管理的同时，计算机系统结合热力设备的运行参数与位移数据进行分析，确定当前的位移数据是否正常，对不正常的位移数据给出报警。

数码照片的识别也可以在数码相机上实现。数码相机内部有单片机，拍摄的数码照片可以经过单片机计算处理，获得三向位置数据，再通过数据网络传送到工控计算机。在数码相机内部或附近增设单片机专用于读取数码相机的照片，并计算处理获得三向位置数据，再通过数据网络传送到工控计算机，也是同样思路的技术方案。这样的设计方案，与直接传送数码照片相比，可以大幅度减少网络上的数据传送量，减少终端计算机的计算工作量。

照相识别法的优势是，所得到的位移数据与工业相机能否正常工作、计算机软件能否准确识别有关，与环境温度等其他因素无关，可避免其他技术易出现的数据漂移问题。另一方面，工业相机成本较低，抗干扰能力强，现场应用技术成熟可靠，具有明显的先进性与实用性。

本发明在具体应用时，有多种不同的数码相机设置方案，相应地有不同的计算机识别计算算法与之对应。指针式膨胀监测指示器应根据数码相机的技术条件进行优化，以便于拍摄到较高质量的照片，例如将普通坐标线网格改为棋盘格等，有益于提高数据精度，简化计算过程。以下列出了几个典型的数码相机设置方案。

方案一：每一个膨胀监测指示器测点，采用一台较高分辨率数码相机拍摄垂直指针式膨胀监测指示器，得到的一张图像上含有测点的三个方向的位置信息，采用计算机图像识别算法追踪分析垂直指针上的刻度线位置、指针在水平刻度板的位置，得到三个方向的位置数据，与人工读数类似。为了较好地控制分辨误差，数码相机的镜头中心轴线最好是与要测量的三个方向成约45°夹角。

方案二：每一个膨胀监测指示器测点，采用一台数码相机从大致水平的方向拍摄垂直指针，采用计算机图像识别读取垂直指针上的刻度线位置；一个数码相机以大致垂直向下的方向拍摄水平刻度板，采用计算机图像识别读取两个水平方向的位置数据。与方案一相比，本方案虽然增加了相机数量，但由于工业相机垂直于要读数的区域拍摄，可以大幅度减小图片变形对数据结果的影响，在测量精度相同的情况下可以采用较低分辨率的数码相机。

方案三：每一个膨胀监测指示器测点，采用一台双镜头立体数码相机以垂直角度拍摄位移指示器的水平刻度板，采用计算机图像识别读取两个水平方向的位置数据；通过两个镜头的照片差异，采用立体照片的距离分析算法计算得到垂直方向的位置数据。

从定位的技术角度来说，双镜头立体数码相机拍摄的目标物体无论是什么形状，只要便于识别，都可以得到三个方向的位置数据。然而被拍摄对象采用水平刻度板，特别是标准规格的棋盘格图案，有利于对图形的畸变做矫正，从而提高结果的精确度，是优化的方案。

作为方案三的一个小改进，把水平刻度板改为垂直放置、相机垂直于刻度板，采用同样的原理可以获得三个方向的位置数据。刻度板改为垂直放置有利于减少灰尘、降雪的干扰。

方案四：每一个膨胀监测指示器测点，采用一个数码相机以大致垂直向下的方向拍摄水平刻度板，采用计算机图像识别读取两个水平方向的位置数据；垂直方向的位置通过一定长度的刻度线对应的像数不同的原理，根据水平刻度板的照片分析计算得到。与方案二、方案三相比，本方案对于工业相机的分辨率要求相同，可减少一个相机镜头，而增加的计算量不大，是一个较优化的方案。

同样地，作为方案四的改进，可以把水平刻度板改为垂直放置、相机垂直于刻度板。

对于方案三、方案四来说，如果被测物体有振动，可以把被拍摄的刻度板固定在被测物体上，把数码相机固定在静止基座上。

上述指示与照相部分与数据网络、计算机系统构成完整的三向位移测量与监测系统。通常，一台大型发电站锅炉有30-50个测点，这些测点的数码照片经过数据网络传送到计算机系统。计算机系统对接收到的数据做暂存与筛查处理，对不能获得正常照片的数据点，给出故障报警信息，提醒维护人员对工业相机与数据网络进行检修维护。随后，对各测点的正常照片进行分析计算，获得各测点的三方向位置数据，与处于膨胀零点时的数据的差值即为膨胀量。热力设备的温度压力参数确定的情况下，各测点都有一个理论膨胀值。比较膨胀量测定值与理论膨胀值，可以精确确定热力设备的膨胀情况是否正常，对于超出正常范围的测点，计算机自动发出报警。

工程实际应用的三向位移测量监测系统，还可以做出许多完善改进，如下面的改进措施适用于所有的相机设置方案：

a、膨胀监测指示器平板做成黑白相间的棋盘格标定板，在垂直指针上做出标准宽度的黑白条（宽的也可做成棋盘格），有助于计算机对照片进行矫正与识别，从而获得更精确、更稳定的数据；

b、图像范围内设置可设置带有测点位置信息的条码或二维码，计算机系统可根据图形上的条码或二维码，快速地识别出测点的位置信息，可提高系统准确性与可靠性，减少人为失误的影响；

c、计算机系统由可以由1台或多台计算机/服务器组成，可以设置备份机；可以选择低功耗无风扇的工控机，因为不受运转部件的影响，可提高可靠性；

d、工业相机选用单色而不需要彩色，因为识别计算时灰度图像即可满足要求，可比彩色图像减少数据传送量与计算工作量；

e、数据网络可以采用有线网络，如普通的超五类网线或光线网线；也可以采用无线网络，如采用5G通讯网络或WIFI网络，可以非常方便地组网；

f、计算机系统对于图片的拍摄时间间隔、图片读取数据的计算方法、计算程序、计算过程、计算结果的保存、处理与结果展示、报警处理等过程与方法进行优化。

这些改进措施对于整个监测系统的技术经济性能有益处，显然，在本领域的工程师可以对膨胀监测系统的各个部分做出各种各样的优化配置，这些优化配置不是本发明的创新点，在此不做列举。

以下结合附图对较优化的方案四的具体实施方式举例进行详细说明。

附图说明

附图1是本优化的方案四的指示与照相部分图，附图编号标记为：

1 垂直指针——膨胀指示器的带刻度的垂直指针，相对固定于固定附件2的松套内，随着松套做水平运动，相对于松套做上下活动（在方案三中，如果不需要现场的直观指示作用，垂直指针可以省去不用）；

2固定附件——固定在被测热力设备上，带有能让垂直指针上下活动的松套，也用于固定工业相机；

3 工业相机——本方案的工业相机的拍摄方向为垂直向下，带有LED照明灯；

4 水平刻度板——固定在相对静止不动的锅炉框架平台上，水平放置。通常由不锈钢板制作，表面有清晰的坐标刻度线。采用黑白相间的棋盘格校准图案更有利于计算机矫正与识别。

本例中每个测点设置一台工业相机，每台锅炉32个测点，设置32台工业相机。工业相机选择耐高温的产品，可以在 -20 ~ +70℃的环境中可靠地工作；防护等级选择IP67，带有LED照明，满足室内外通用的应用的要求；工业相机数据接口选用POE接口，配合POE网络中继器与POE交换机，可以延长数据传送距离到300米，数据网络与供电系统的布线较简单。在数据网络上，每个测点的数码相机都分配有自己的IP地址，所有测点定时拍摄的照片都通过数据网络传送到工控计算机。工控计算机按一定间隔周期获取每个测点的数码照片，并将照片暂存，然后做识别处理。工控计算机设置两台，其中一台正常运行，一台用于备份并负责与电厂的运行控制系统通讯。计算机将识别处理得到的三向位置数值减去膨胀零点的位置数值，即得到三个方向的膨胀值。

本案例保留了机械指针式膨胀指示器，被拍照的刻度板为水平放置，易受灰尘、降雪的影响。如果增加一块垂直方向的刻度板，将摄像机镜头轴线垂直于刻度板放置，用同样的计算方法可以获得三个方向的位置数据，又可以减少降雪与灰尘的影响。

本例的三向位移测量监测系统，解决了三向位移测量的数据漂移难题，且成本较低，具有很好的应用前景。

Claims (8)

1.一种三向位移测量时取得数字化位置数据的方法，包含的步骤是：采用数码相机对三向位移指示器拍照；用计算机对数字照片进行分析计算，获得三向位置的数据。

2.如权利要求1所述的三向位移测量时取得数字化数据的方法，其特征是采用一台数码相机以倾斜角度同时拍摄一个测点的指针式三向位移指示器的三个方向的指示位置，从数码照片上读取三个方向的位置数据。

3.如权利要求1所述的三向位移测量时取得数字化数据的方法，其特征是采用一台数码相机以水平角度拍摄一个测点的位移指示器的垂直指针，从数码照片上读取垂直方向的位置数据；同时用另一台数码相机以垂直角度拍摄这个位移指示器的水平刻度板，从数码照片上读取两个水平方向的位置数据。

4.如权利要求1所述的三向位移测量时取得数字化数据的方法，其特征是采用一台双镜头立体数码相机以垂直角度拍摄位移指示器的刻度板，读取照片信息得到两个方向的位置数据，通过两个镜头的照片差异与镜头参数分析计算得到镜头与刻度板间的位置数据，即第三个方向的位置数据；位移指示器的刻度板垂直于一个需要测量的方向，可选择水平或垂直设置，如果数码相机固定在静止基座上则位移指示器的刻度板固定在被监测物体上，反之如果数码相机固定在被监测物体上则位移指示器的刻度板固定在静止基座上。

5.如权利要求1所述的三向位移测量时取得数字化数据的方法，其特征是采用一台单镜头数码相机以垂直角度拍摄位移指示器的刻度板，读取照片信息得到两个方向的位置数据，根据照片中一定长度的线段对应的像数与镜头参数计算得到镜头与刻度板间的位置数据，第三个方向的位置数据；位移指示器的刻度板垂直于一个需要测量的方向，可选择水平或垂直设置，如果数码相机固定在静止基座上则位移指示器的刻度板固定在被监测物体上，反之如果数码相机固定在被监测物体上则位移指示器的刻度板固定在静止基座上。

6.如权利要求书4、5所述的三向位移测量时取得数字化数据的方法，其特征是所述的位移指示器的刻度板包含棋盘格标定板图案，用计算机对数字照片进行分析计算时做图形矫正以提高数据精度。

7.一种三向位移测量的数字化监测系统，由三向位移指示器、数码相机、数据网络、计算机、电源系统组成，其特征是采用数码相机对指针式三向位移指示器拍照，得到的数码照片经数据网络传送到计算机，用计算机对数码照片进行分析计算，获得三向位置的数据。

8.一种三向位移测量的数字化监测系统，由三向位移指示器、数码相机、数据网络、计算机、电源系统组成，其特征是采用数码相机对指针式三向位移指示器拍照，然后对数字照片进行分析计算，获得三向位置的数据，采用数据网络将位置数据传送到计算机。

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