CN114199145B - 一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，包括机架、安装在机架底部的升降底座、安装在机架内的检测装置和设置于机架内的被测管道；检测装置包括主动丝杆模组机构、从动丝杆模组机构、传动机构、第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构；主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构分别安装于机架的顶部和底部；传动机构分别与主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构传动连接。本发明实现了管道扩径过程中直径和圆度的实时测量，适用于不同规格直径的扩径管道，具有效率高、精度高、无需人力以及适用面广的特点，且不受环境因素的影响。

Description

一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置

技术领域

本发明涉及管道直径及圆度检测技术领域，特别是涉及一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置。

背景技术

随着工业的发展，对于石油和化学等工业，大直径无缝钢管的需求量日益增加，其主要的生产技术为管道扩径技术。为达到所需管道的技术要求，在管道进行扩径的过程中，需要对管道的直径和圆度进行实时的测量。

目前，对于扩径管道直径的测量通常采用的方法有：卡尺测量法、围绕测量法、经纬仪测量法以及滚轮法。但上述传统的扩径管道直径的传统测量方法存在效率低、精度差以及耗费人力的缺点，并且一些方法无法实现管道在扩径过程中直径的实时测量。

而对于扩径管道的圆度通常是采用圆度仪进行测量，包括接触式和非接触式。但上述的圆度仪都需要人工环绕管道的一周进行测量，效率低，对人力的耗费极大，且同样无法实现管道扩径过程中圆度的实时测量。

专利号为CN202010586701.3的发明专利，通过可调节滚轮与管道外壁的接触，滚动一周来实现管道直径和圆度的测量计算，能够实现多规格管道直径和圆度的测量。但由于滚轮与管道之间采取接触式测量，会对滚轮产生磨损，影响管道直径和圆度的测量精度。

专利号为CN202010283884.1的发明专利，通过软尺收紧围绕管道进行直径的测量，并通过四套可移动的激光测距仪实现圆度的测量。该专利解决了管道扩径过程中直径和圆度实时测量的问题，无较大的磨损问题。但是对于圆度的测量，激光测距仪移动所耗费的时间太长，并且管道外壁的颜色、周围的环境光会对激光反射的效果造成影响，对被测物及环境要求较高，不适用于所有管道及场合。

因此，如何高效、精准地实现管道扩径过程中直径和圆度的实时测量，是现阶段亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现管道扩径过程中直径和圆度的实时测量，适用于不同规格直径的扩径管道，具有效率高、精度高、无需人力以及适用面广的特点，且不受环境因素的影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，包括机架、安装在所述机架底部的升降底座、安装在所述机架内的检测装置和设置于所述机架内的被测管道；

所述检测装置包括主动丝杆模组机构、从动丝杆模组机构、传动机构、第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构；所述主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构分别安装于所述机架的顶部和底部；

所述传动机构分别与所述主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构传动连接；所述第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构分设于所述机架两侧，且均置于所述主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构之间；

所述被测管道侧壁限定于所述第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构之间，所述被测管道顶底限定于所述主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构传动之间。

所述主动丝杆模组机构包括电机和第一安装板；所述第一安装板为u形结构，且固定安装在所述机架顶部；所述电机固定安装于所述第一安装板一侧壁；

所述第一安装板内还安装有水平设置的第一正反螺纹丝杆和第一光轴滑轨；所述第一正反螺纹丝杆贯穿所述第一安装板与所述电机的输出轴固定连接；

所述第一正反螺纹丝杆和第一光轴滑轨上还活动安装有结构相同的第一滑块和第二滑块；所述第一滑块和第二滑块上均开设有与所述第一正反螺纹丝杆适配的螺纹孔和与所述第一光轴滑轨适配的光孔；

所述第一滑块和第二滑块对称安装于所述被测管道两侧。

所述第一安装板和第一正反螺纹丝杆均关于所述被测管道竖直中心面对称设置，且所述第一正反螺纹丝杆两侧螺纹相反；所述第一正反螺纹丝杆和第一光轴滑轨互相平行且高度相同。

所述第一滑块与第二滑块相对侧壁均开设有u形槽；所述第一滑块与第二滑块的所述u形槽内分别通过转轴转动安装有第一滚轮和第二滚轮；所述第一滚轮和第二滚轮分别与第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构抵接。

进一步的，第一滑块与第二滑块运动时，相向或相反运动；通过电机驱动第一正反螺纹丝杆带动第一滑块和第二滑块远离或贴近；且同时第一滑块和第二滑块在第一光轴滑轨上滑动，保证其运动时的稳定性。

进一步的，第一滚轮，第二滚轮，第三滚轮和第四滚轮中心均开有环形容纳槽，分别用于对位容纳第一光纤线和第二光纤线。

所述从动丝杆模组机构包括第二安装板、第三滑块、第三滚轮、第二光轴滑轨、第二正反螺纹丝杆、第四滑块和第四滚轮；

所述第二安装板、第三滑块、第三滚轮、第二光轴滑轨、第二正反螺纹丝杆、第四滑块和第四滚轮与所述第一安装板、第二滑块、第二滚轮、第一光轴滑轨、第一正反螺纹丝杆、第一滑块和第一滚轮结构及配合关系相同，且关于所述被测管道水平中心面对称设置；所述第三滚轮与第四滚轮也分别与第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构抵接；所述第二正反螺纹丝杆两端分别与所述第二安装板两侧壁活动安装。

所述传动机构包括第一传动箱、第二传动箱和传动轴；所述第一传动箱位于第二传动箱正上方；所述第一传动箱安装于所述第一安装板一侧，且与所述第一正反螺纹丝杆固定连接；所述第二传动箱与所述第二正反螺纹丝杆固定连接；所述传动轴两端分别与所述第一传动箱和第二传动箱传动连接。

所述第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构结构相同；所述第一光纤线收发机构包括第一光纤线发射端、第一光纤线和第一光纤线接收端；所述第一光纤线发射端安装于所述第一安装板一端，所述第一光纤线接收端安装于所述第二安装板一端，且所述第一光纤线发射端与第一光纤线接收端位置上下对应；所述第一光纤线贴设于所述被测管道外壁；且所述第一光纤线限定于所述第一滚轮、第四滚轮与被测管道之间。

所述升降底座设置有四个，分别安装于所述机架底面四角部。

所述机架为中空矩形框架结构。

所述机架一侧还安装有计算机；所述计算机与所述第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构结构电性连接。

本发明公开了以下技术效果：本发明能够实现管道扩径过程中直径和圆度的实时测量，适用于不同规格直径的扩径管道，具有效率高、精度高、无需人力以及适用面广的特点，且不受环境因素的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明正向立体示意图；

图2为本发明反向立体示意图；

图3为本发明得到的管道形状数据示意图。

其中，1、升降底座；2、机架；3、电机；4、第一传动箱；5、第一安装板；6、第一光纤线发射端；7、第一正反螺纹丝杆；8、第一光轴滑轨；9、第一滑块；10、第一滚轮；11、第一光纤线；12、第二光纤线；13、第二滚轮；14、第二滑块；15、第二光纤线发射端；16、计算机；17、第二安装板；18、第二光纤线接收端；19、第三滑块；20、第三滚轮；21、第二光轴滑轨；22、第二正反螺纹丝杆；23、第四滑块；24、第一光纤线接收端；25、第二传动箱；26、传动轴；27、第四滚轮；28、被测管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供如图1至图2所示，基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，包括升降底座1、机架2、计算机16、检测装置。

机架2底部安装有四个升降底座1，采用的是矩形框架结构。

升降底座1可以调节高度，使得机架2进行升降。

计算机16安装在机架2的侧面，计算机16采用触摸板设计，设有人机交互界面，可显示被测管道实时的直径和圆度数据。

检测装置包括主动丝杆模组机构、从动丝杆模组机构、传动机构、第一光纤线收发机构、第二光纤线收发机构。

主动丝杆模组机构安装在机架2的顶部，包括电机3、第一安装板5、第一正反螺纹丝杆7、第一光轴滑轨8、第一滑块9、第一滚轮10、第二滚轮13、第二滑块14。第一安装板5水平安装在机架2的顶部，与机架2固连；电机3安装在第一安装板5的侧面，与第一安装板5固连；第一正反螺纹丝杆7安装在第一安装板5上，与第一安装板5之间可以进行相对旋转运动，与电机3的电机轴固连，以被测管道28的竖直中心面为界，两边螺纹反向；第一光轴滑轨8安装在第一安装板5上，与第一安装板5固连，中心轴与第一正反螺纹丝杆7中心轴相平行；第一滑块9安装在第一正反螺纹丝杆7和第一光轴滑轨8上，内部带有与第一正反螺纹丝杆7的螺纹相配合的螺纹孔，与第一正反螺纹丝杆7和第一光轴滑轨8之间可以发生相对移动；第一滚轮10安装在第一滑块9上，与第一滑块9之间可以进行相对旋转运动；第二滑块14安装在第一正反螺纹丝杆7和第一光轴滑轨8上，与第一滑块9以被测管道28的竖直中心面对称布置，内部带有与第一正反螺纹丝杆7的螺纹相配合的螺纹孔，与第一正反螺纹丝杆7和第一光轴滑轨8之间可以发生相对移动；第二滚轮13安装在第二滑块14上，与第二滑块14之间可以进行相对旋转运动。

从动丝杆模组机构安装在机架2的底部，包括第二安装板17、第三滑块19、第三滚轮20、第二光轴滑轨21、第二正反螺纹丝杆22、第四滑块23、第四滚轮27。第二安装板17安装在机架2的底部，与机架2固连；第二正反螺纹丝杆22安装在第二安装板17上，与第二安装板17之间可以进行相对旋转运动，以被测管道28的竖直中心面为界，两边螺纹反向；第二光轴滑轨21安装在第二安装板17上，与第二安装板17固连，中心轴与第二正反螺纹丝杆22中心轴相平行；第三滑块19安装在第二正反螺纹丝杆22和第二光轴滑轨21上，内部带有与第二正反螺纹丝杆22的螺纹相配合的螺纹孔，与第二正反螺纹丝杆22和第二光轴滑轨21间可以发生相对移动；第三滚轮20安装在第三滑块19上，与第三滑块19之间可以进行相对旋转运动；第四滑块23安装在第二正反螺纹丝杆22和第二光轴滑轨上，与第三滑块19以被测管道28的竖直中心面对称布置，内部带有与第二正反螺纹丝杆22的螺纹相配合的螺纹孔，与第二正反螺纹丝杆22和第二光轴滑轨21之间可以发生相对移动；第四滚轮27安装在第四滑块23上，与第四滑块23之间可以进行相对旋转运动。

在本发明的一个实施例中，传动机构位于主动丝杆模组机构、从动丝杆模组机构之间，包括第一传动箱4、第二传动箱25、传动轴26。第一传动箱4安装在第一安装板5的一侧，内部为两锥齿轮传动机构，其中一个锥齿轮与第一正反螺纹丝杆7固连；第二传动箱25安装在第二安装板17的一侧，位于第一传动箱4的正下方，内部为两锥齿轮传动机构，其中一个锥齿轮与第二正反螺纹丝杆22固连；传动轴26安装在第一传动箱4、第二传动箱25之间，与第一传动箱4、第二传动箱25内部的另一个锥齿轮固连。由此，可通过传动机构实现第一正反螺纹丝杆7、第二正反螺纹丝杆22同时同速进行转动。

第一光纤线收发机构位于主动丝杆模组机构、从动丝杆模组机构之间，包括第一光纤线发射端6、第一光纤线11、第一光纤线接收端24。第一光纤线发射端6安装在第一安装板5上，与第一安装板5固连。第一光纤线接收端24安装在第二安装板17上，与第二安装板17固连。第一光纤线11的两头分别与第一光纤线发射端6、第一光纤线接收端24相连接。

第二光纤线收发机构位于主动丝杆模组机构、从动丝杆模组机构之间，与第一光纤线收发机构以被测管道28的竖直中心面对称布置，包括第二光纤线发射端15、第二光纤线12、第二光纤线接收端18。第二光纤线发射端15安装在第一安装板5上，与第一安装板5固连。第一光纤线接收端24安装在第二安装板17上，与第二安装板17固连。第二光纤线12的两头分别与第二光纤线发射端15、第二光纤线接收端18相连接。

下面结合附图对本发明的工作过程做出详细说明：

在测量前，先根据被测管道28中轴线的对地高度，调整升降底座1的高度，使得机架2整体升降，至被测管道28中心轴位于主动丝杆模组机构、从动丝杆模组机构之间的对称面上。电机3反转，带动第一正反螺纹丝杆7进行反转，由于第一正反螺纹丝杆7两边的螺纹旋向相反，从而使得第一滑块9和第二滑块14同时同速向外移动；同时，通过第一传动箱4内的锥齿轮传动，带动传动轴26进行转动，又通过第二传动箱25内的锥齿轮传动，带动第二正反螺纹丝杆22进行反转，由于第二正反螺纹丝杆22两边的螺纹旋向相反，从而使得第三滑块19、第四滑块23与第一滑块9、第二滑块14同时同速向外移动。此时，第一光纤线11、第二光纤线12都处于松弛状态，且第一光纤线发射端6、第二光纤线发射端15都未发射光束。

在测量时，将被测管道28移动至装置内部，使得被测管道28中心轴位于主动丝杆模组机构、从动丝杆模组机构之间的对称面上，同时保证被测管道28的端面与机架2的正面平行。电机3正转，带动第一正反螺纹丝杆7进行正转，由于第一正反螺纹丝杆7两边的螺纹旋向相反，从而使得第一滑块9和第二滑块14同时同速向内移动；同时，通过第一传动箱4内的锥齿轮传动，带动传动轴26进行转动，又通过第二传动箱25内的锥齿轮传动，带动第二正反螺纹丝杆22进行正转，由于第二正反螺纹丝杆22两边的螺纹旋向相反，从而使得第三滑块19、第四滑块23与第一滑块9、第二滑块14同时同速向内移动；通过第一滚轮10、第二滚轮13、第三滚轮20、第四滚轮27推动第一光纤线11、第二光纤线12向内移动，当使得第一光纤线11、第二光纤线12与被测管道28的外壁紧贴在一起时，电机3停止转动。同时，第一光纤线发射端6、第二光纤线发射端15分别向第一光纤线11、第二光纤线12发射光束。

由于第一光纤线11、第二光纤线12与被测管道28的外壁紧贴在一起产生应变，第一光纤线接收端24、第二光纤线接收端18接收到的散射光的分布会产生变化，通过计算机16分析第一光纤线接收端24、第二光纤线接收端18接收到的信号变化情况，可以得到第一光纤线11、第二光纤线12的应变数据，即为被测管道28与第一光纤线11、第二光纤线12所贴合表面的形状数据。如图3所示，得到的形状数据为两条圆弧一。

再将被测管道28以其中轴线为旋转轴，顺时针旋转90度，重复进行上述工作过程，可得到被测管道28如图3所示的另外两条圆弧二。

将后得到的两条圆弧二逆时针旋转90度，得到两条圆弧三，再将两条圆弧三与之前得到的两条圆弧一进行重构，在计算机16的显示屏上显示出重构出的圆，即为被测管道28的外圆。通过计算重构圆的平均直径得到被测管道28的外径，通过计算最小半径与最大半径的差值得到被测管道28的圆度。最终将被测管道28的直径和圆度显示在计算机16的显示屏上。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，其特征在于，包括：机架(2)、安装在所述机架(2)底部的升降底座(1)、安装在所述机架(2)内的检测装置和设置于所述机架(2)内的被测管道(28)；

所述检测装置包括主动丝杆模组机构、从动丝杆模组机构、传动机构、第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构；所述主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构分别安装于所述机架(2)的顶部和底部；

所述传动机构分别与所述主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构传动连接；所述第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构分设于所述机架(2)两侧，且均置于所述主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构之间；

所述被测管道(28)侧壁限定于所述第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构之间，所述被测管道(28)顶底限定于所述主动丝杆模组机构和从动丝杆模组机构传动之间；

所述主动丝杆模组机构包括电机(3)和第一安装板(5)；所述第一安装板(5)为u形结构，且固定安装在所述机架(2)顶部；所述电机(3)固定安装于所述第一安装板(5)一侧壁；

所述第一安装板(5)内还安装有水平设置的第一正反螺纹丝杆(7)和第一光轴滑轨(8)；所述第一正反螺纹丝杆(7)贯穿所述第一安装板(5)与所述电机(3)的输出轴固定连接；

所述第一正反螺纹丝杆(7)和第一光轴滑轨(8)上还活动安装有结构相同的第一滑块(9)和第二滑块(14)；所述第一滑块(9)和第二滑块(14)上均开设有与所述第一正反螺纹丝杆(7)适配的螺纹孔和与所述第一光轴滑轨(8)适配的光孔；

所述第一滑块(9)和第二滑块(14)对称安装于所述被测管道(28)两侧；所述第一滑块(9)与第二滑块(14)相对侧壁均开设有u形槽；所述第一滑块(9)与第二滑块(14)的所述u形槽内分别通过转轴转动安装有第一滚轮(10)和第二滚轮(13)；所述第一滚轮(10)和第二滚轮(13)分别与第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构抵接；所述从动丝杆模组机构包括第二安装板(17)、第三滑块(19)、第三滚轮(20)、第二光轴滑轨(21)、第二正反螺纹丝杆(22)、第四滑块(23)和第四滚轮(27)；

所述第二安装板(17)、第三滑块(19)、第三滚轮(20)、第二光轴滑轨(21)、第二正反螺纹丝杆(22)、第四滑块(23)和第四滚轮(27)与所述第一安装板(5)、第二滑块(14)、第二滚轮(13)、第一光轴滑轨(8)、第一正反螺纹丝杆(7)、第一滑块(9)和第一滚轮(10)结构及配合关系相同，且关于所述被测管道(28)水平中心面对称设置；所述第三滚轮(20)与第四滚轮(27)也分别与第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构抵接；所述第二正反螺纹丝杆(22)两端分别与所述第二安装板(17)两侧壁活动安装；所述第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构结构相同；所述第一光纤线收发机构包括第一光纤线发射端(6)、第一光纤线(11)和第一光纤线接收端(24)；所述第一光纤线发射端(6)安装于所述第一安装板(5)一端，所述第一光纤线接收端(24)安装于所述第二安装板(17)一端，且所述第一光纤线发射端(6)与第一光纤线接收端(24)位置上下对应；所述第一光纤线(11)贴设于所述被测管道(28)外壁；且所述第一光纤线(11)限定于所述第一滚轮(10)、第四滚轮(27)与被测管道(28)之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，其特征在于：所述第一安装板(5)和第一正反螺纹丝杆(7)均关于所述被测管道(28)竖直中心面对称设置，且所述第一正反螺纹丝杆(7)两侧螺纹相反；所述第一正反螺纹丝杆(7)和第一光轴滑轨(8)互相平行且高度相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，其特征在于：所述传动机构包括第一传动箱(4)、第二传动箱(25)和传动轴(26)；所述第一传动箱(4)位于第二传动箱(25)正上方；所述第一传动箱(4)安装于所述第一安装板(5)一侧，且与所述第一正反螺纹丝杆(7)固定连接；所述第二传动箱(25)与所述第二正反螺纹丝杆(22)固定连接；所述传动轴(26)两端分别与所述第一传动箱(4)和第二传动箱(25)传动连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，其特征在于：所述升降底座(1)设置有四个，分别安装于所述机架(2)底面四角部。

5.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，其特征在于：所述机架(2)为中空矩形框架结构。

6.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤感知的扩径管道直径及圆度检测装置，其特征在于：所述机架(2)一侧还安装有计算机(16)；所述计算机(16)与所述第一光纤线收发机构和第二光纤线收发机构结构电性连接。

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