氣化爐三維掃描測量與數據處理

第29卷第4期振動(dòng)、測試與診斷Vol. 29 No. 42009年12月Dec.2009Journal of Vibration , Measurement & Diagnosis氣化爐三維掃描測量與數據處理林礪宗李志豪顏晶李昌取(華東理工大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院上海 ,200237)摘要以德士古氣化爐耐火磚的內壁蝕損檢測設備為基礎,對采集到的點(diǎn)云數據做了進(jìn)-步處理。通過(guò)對數據的篩選和剔除,實(shí)現了數據點(diǎn)的平滑降噪細化和精簡(jiǎn).然后利用點(diǎn)云對整、網(wǎng)格劃分和分色顯示等方法,最終完成了內壁腐蝕情況的三維建模.重點(diǎn)討論了點(diǎn)云數據的預處理及后處理的方法,并根據內壁耐火磚的腐蝕閾值,提出了一種氣化爐內壁腐蝕區域的識別與分割方法。對耐火磚的腐蝕分析、氣化爐的生產(chǎn)與維修提供了可靠依據,并在工程應用中獲得了一致認可。關(guān)鍵詞激光掃描 內壁蝕損 點(diǎn)云區域識別 無(wú)線(xiàn)傳輸中圍分類(lèi)號TP271火磚、背襯磚及保溫磚以。向火面耐火磚結構設計采引言用了拱頂、直簡(jiǎn)和渣口磚相對獨立,并可單獨更換的結構。在實(shí)際使用過(guò)程中,向火面耐火磚受到強烈的煤氣化是指將固體煤轉化為可燃氣體(煤氣)的腐蝕而需要定期進(jìn)行更換和維護。煤炭熱加工過(guò)程。氣化爐是煤氣化工藝的關(guān)鍵設備，由于對爐體內璧三維信息測量的采樣密度要求通常在高溫高壓的工藝條件下進(jìn)行生產(chǎn),內壁耐火不高(點(diǎn)距在5~15 mm即可),因此采用點(diǎn)光源的磚的腐蝕損耗相當嚴重。為了確保設備的安全生產(chǎn)，激光位移傳感器作為主要測量?jì)x器。為了獲取整個(gè)需要對氣化爐的耐火磚進(jìn)行定期檢測與維修[1]。氣化爐內壁面的三維信息,需要對內壁面進(jìn)行包括目前,大多數生產(chǎn)廠(chǎng)家對耐火磚燒蝕的檢測還主徑向(或稱(chēng)法向)、周向(或稱(chēng)環(huán)向)及縱向(或稱(chēng)軸要依賴(lài)人工測量,需要檢修工人下到爐體內用皮尺進(jìn)行手工測量。這樣不僅效率低下,而且檢測過(guò)于粗糙，向)坐標的完整的三維測量。這就意味著(zhù)必須使激光不能及時(shí)準確地反映耐火磚的整體燒蝕情況,也就不測量探頭旋轉起來(lái),進(jìn)而從上到下整圈地對內壁面能很好地調整生產(chǎn)工藝參數。針對這種情況,本文研掃描測量,從而得到完整的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)坐標數制了一套自動(dòng)化檢測系統用于氣化爐內壁耐火磚的據。為此,本文設計了一套以安裝在爐口的檢測平臺腐蝕檢測。根據實(shí)際工作環(huán)境,對原始測量數據做了和深人爐體的旋轉的中心導桿為主要部件的三維旋預處理,對各種因素引起的測量數據偏差進(jìn)行修正，轉裝置,見(jiàn)圖1。主要檢測儀器安裝在中心導桿下端從而得到了均勻完整的點(diǎn)云數據。在此基礎上,對數的探頭箱中,考慮到檢測過(guò)程中的偏差和擾動(dòng),在探據做了進(jìn)一步處理,給出包括平均腐蝕量、最值腐蝕頭箱中還安裝了可以測量導桿偏轉角度的全姿態(tài)傳量、腐蝕位置等的數據統計信息,也能夠對裂縫與凹感器.中心導桿則通過(guò)線(xiàn)性導軌滑塊與導軌箱連接，坑做出區域識別提示,避免嚴重事故的發(fā)生。此外,為通過(guò)交流伺服電機的轉動(dòng)實(shí)現上下運動(dòng)。而導軌箱了用戶(hù)使用的直觀(guān)方便，根據測量數據，利用則能在電機的帶動(dòng)下繞中心軸產(chǎn)生周向旋轉。激光OPENGL三維建模功能，建立了爐體內壁腐蝕情況位移傳感器的測量數據可確定徑向坐標,檢測中通的可視化圖形模型,實(shí)現了數據點(diǎn)的三維重構,使得過(guò)旋轉電機運動(dòng)時(shí)返回的脈沖值可得到周向坐標,用戶(hù)能夠對耐火磚的使用情況有更詳細的了解。同樣利用升降電機的脈沖值可確定縱向坐標，由此1系統方案和數據獲取實(shí)現中國煤化工內壁面的螺旋形掃氣化爐耐火磚的結構主要分為3層;向火面耐描,MHCNMH G完整三維數據信息，為進(jìn)一步的數據處埋提供J殺仟。收稿日期:2008-04-07 ;修改稿收到日期:2008-10-09.450辰動(dòng)、測試與診郎第29卷中心導桿，采用需要對測量得到的原始數據進(jìn)行預處理。r跟隨轉動(dòng)航窯型材，可以2.1.1無(wú)效測量點(diǎn)的 剔除控制盤(pán)轉動(dòng)電機所選取的激光位移傳感器基于光學(xué)激光三角原[轉動(dòng)平臺》升降電機理進(jìn)行測量,具有特定的測量范圍,量程為185~S爐口1185mm,但上位機接收到的激光測量數據中卻出現了個(gè)別超出激光位移傳感器量程范圍的數據點(diǎn)。這些測量點(diǎn)一方面是由于環(huán)境因素(溫度、壓力、濕度等)造成激光位移傳感器工作不正常而產(chǎn)生,更重要的原因是由于采用無(wú)線(xiàn)射頻通信系統進(jìn)行數據傳輸,在現場(chǎng)各種千擾信號的作用下,傳輸過(guò)程中不可感光測敏頭避免地會(huì )產(chǎn)生數據誤碼。上述兩種原因引起的超出傳感器量程范圍的點(diǎn)稱(chēng)為無(wú)效測量點(diǎn),應該直接予以剔除。2.1.2遮擋點(diǎn) 的處理圖1檢測 系統結構示意圖從激光位移傳感器的發(fā)射窗口射出的激光東在爐體內壁表面形成漫反射光,其中一小部分射向激2測量數據處理光位移傳感器的探測窗口,經(jīng)傳感器內部的凸透鏡匯聚后的光線(xiàn)射向線(xiàn)性CCD器件[3]。激光位移傳感根據以上檢測結構示意圖和客戶(hù)功能要求,本器通過(guò)光點(diǎn)在線(xiàn)性CCD器件上的位置計算目標測文用Visual C++平臺編制了檢測系統控制程序。量點(diǎn)距離傳感器發(fā)射窗口的距離,如圖2所示。在控制平臺中,預先設定了檢測的起點(diǎn)和終點(diǎn),以及爐體的平均內徑,用戶(hù)自行設定檢測時(shí)間和檢測點(diǎn)~3的間隔之后,采集系統就能夠通過(guò)螺旋形運動(dòng),完成67對爐體內壁的掃描。由于采用螺旋掃描測量,激光光-s點(diǎn)在內壁面上移動(dòng)形成一條螺旋狀的掃描線(xiàn),掃描線(xiàn)貫穿整個(gè)內壁表面。各采樣點(diǎn)在光點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中順序采樣得到并且按照采樣順序存儲在數據鏈表最小檢測距離。測最范圈，中,這樣使得各采樣點(diǎn)之間具有良好的拓撲關(guān)系,便于進(jìn)行后續的數據處理,實(shí)現數據網(wǎng)格劃分和點(diǎn)云圖2激光傳感器工作 原理圖建模[]等功能。1-半導體激光器;2-發(fā)射光透鏡;3-接收光透鏡;數據處理模塊的作用是對采集到的數據進(jìn)行快4-線(xiàn)性CCD元件;5-信號處理器;6/6'-被測物體速有效處理,實(shí)時(shí)生成能夠真實(shí)反映物體形貌的數字化模型.主要包括對采集數據的預處理,如平滑降在激光位移傳感器采樣的過(guò)程中,由于內壁表噪細化和精簡(jiǎn)等。面形狀的影響可能會(huì )出現反射光被遮擋而使探測窗數據處理過(guò)程的關(guān)鍵問(wèn)題是算法的選擇,主要口接收不到反射光;另--方面受內壁表面的粗糙度從處理精度和處理時(shí)間兩方面來(lái)考慮。數據獲取完.以及反射率的影響,即使反射光不被遮擋,也會(huì )出現畢之后的第1步就是預處理,主要有:反射光強度較低的情況。以上兩種原因都會(huì )使射向(1)清除不正確的數據，獲取有效數據,為三維線(xiàn)性CCD器件的匯聚光的強度達不到采樣要求,于建模和可視化做準備;是傳感器在設定的采樣時(shí)限里無(wú)法獲取有效的測量(2)對遮擋點(diǎn)的處理;值4,這樣采樣時(shí)限-一到,傳感器就會(huì )返回一個(gè)位移(3)那些明顯小于平均半徑的值是不存在的，中國煤化工要濾波去噪。MHCNMHGnm的點(diǎn)反映不出該I重r且內堅農間不什盡具頭的三維信息.可以形2.1點(diǎn)云 數據預處理象地稱(chēng)之為遮擋點(diǎn)。雖然遮擋點(diǎn)對于測量本身來(lái)說(shuō)為了更好地進(jìn)行點(diǎn)云建模和采集數據的處理，沒(méi)有實(shí)際意義,但不能像無(wú)效測量點(diǎn)那樣直接剔除，第4期林礪宗等:氣化爐三維掃描測量與數據處理451應根據鄰近點(diǎn)的三維信息分兩種情況進(jìn)行處理。果|e|≥[e]([e]為給定的允差),則認為P,是失真(1)對于個(gè)別離散的遮擋點(diǎn),一般是由于投射點(diǎn),應予以剔除。到線(xiàn)性CCD器件上光線(xiàn)強度不夠造成的,可以采用最常用的插值方法處理,即用該測量位置周?chē)?個(gè)方位的8個(gè)采樣點(diǎn)的平均值替代。(2)雖然爐體內表面有許多凹凸不平的地方,Pu●●Pm如圖3所示,但由于測量過(guò)程中激光位移傳感器的激光發(fā)射方向始終與爐體內壁面成接近直角,使激圖4弦高差方法光三角測量容易受遮擋的負面因素降到了最低限2.2點(diǎn)云數據后處理度,從而有效避免了區域性測量盲區的出現。測量原始數據經(jīng)過(guò)預處理,過(guò)濾了外界因素帶來(lái)的數據波動(dòng)、氣化爐內壁表面凸凹不平引起的測量誤差以及部分失真點(diǎn)引起的偏差,再經(jīng)過(guò)點(diǎn)云對整,得到了相對完整和均勻的數據,為數據的進(jìn)- - 步處理和分析做好了準備。42.2.1 點(diǎn)云對整氣化爐測量的采樣頻率恒定,旋轉運動(dòng)的速度恒定,理論上采樣點(diǎn)應沿著(zhù)掃描線(xiàn)均勻分布.但由于圖3氣化爐內壁圖片測量過(guò)程中各種因素的影響,實(shí)際設置激光位移傳整個(gè)氣化爐的襯里由一塊塊耐火磚砌成,磚縫感器的采樣頻率時(shí)會(huì )將采樣頻率設置得比計算得到的采樣頻率高一些,這樣即使測量過(guò)程中丟掉一些之間用特別調配的灰漿灌注。由于灰漿的抗渣性較數據點(diǎn)也不會(huì )影響最后的建模質(zhì)量。因此,實(shí)際測量差,因此,內壁面上磚縫腐蝕量較大的地方會(huì )有較大獲取數據的每圈采樣點(diǎn)數不可能與建模設定的點(diǎn)數的深度變化，呈現出直壁凹槽的特征。測量的激光束完全一致,而且點(diǎn)云數據經(jīng)過(guò)了上述幾個(gè)處理過(guò)程，與凹槽方向平行,傳感器接收不到反射光,使這些位各圈采樣點(diǎn)的個(gè)數會(huì )變得更加參差不齊。為了方便置出現片狀遮擋點(diǎn)。由于凹槽的深度與內部形態(tài)具網(wǎng)格劃分與點(diǎn)云建模,需要進(jìn)行點(diǎn)云對整的操作。有較大的不確定性,因此，凹槽位置形成的測量盲區點(diǎn)云對整的具體方法是根據點(diǎn)的柱坐標角度值很難通過(guò)逆向工程中常用的實(shí)物填充法、造型設計判斷各點(diǎn)所屬的圈數,然后計算各圈的采樣點(diǎn)數得法和曲線(xiàn)、曲面插值補充等數據插補方法進(jìn)行數據到第幾圈有幾個(gè)采樣點(diǎn)。各圈的理論點(diǎn)數是在測量補全.由于關(guān)系到生產(chǎn)安全,在目前數據補全技術(shù)不之前設定好的，如果某圈實(shí)際點(diǎn)數大于設定的點(diǎn)數,夠成熟的情況下必須對這些腐蝕量較大的磚縫位置則根據點(diǎn)數的差值跳躍式地選擇并予以剔除,使該進(jìn)行特別標記,并在氣化爐檢修時(shí)對這些位置進(jìn)行圈的實(shí)際點(diǎn)數與理論點(diǎn)數相同;如果某圈的實(shí)際點(diǎn)重點(diǎn)修復。數小于設定的點(diǎn)數,則利用均值方法加以填補,選定2.1.3失真點(diǎn)的查找的添加位置同樣要注意在該圈均勻分布,以使點(diǎn)云氣化爐內壁上腐蝕大的地方會(huì )凹陷下去,雖然對整達到最好的效果。部分被侵蝕嚴重的磚縫的深度難以估計,但是由于由于各采樣點(diǎn)間的相鄰關(guān)系明確,基于螺旋狀生產(chǎn)過(guò)程中流體對內壁的沖蝕是作用于整個(gè)內壁表掃描線(xiàn)的內壁點(diǎn)云數據采用三角化方法構建三維模面的，所以?xún)缺谏系耐蛊鸬胤降耐蛊鸶叨仁怯幸欢ㄐ?點(diǎn)云對整后的網(wǎng)格劃分如圖5所示。限度的,如果個(gè)別測量點(diǎn)的測量值明顯小于周?chē)c(diǎn)2.2.2內壁三 維模型的分色顯示.的測量值,則這個(gè)測量點(diǎn)被認為是失真點(diǎn).根據氣化爐內壁的工程圖,建立了氣化爐內壁產(chǎn)生失真點(diǎn)的原因很多,主要包括測量環(huán)境、被面的中國煤化工專(zhuān)曲面特征,所以氣測爐壁表面的復雜性以及傳輸誤碼等。首先對所有化爐MYHCNMH(點(diǎn)的深度坐標值決的測量點(diǎn)采用弦高差法方法以檢查,對于查找出的定,半徑值.實(shí)際測量點(diǎn)失真點(diǎn)采用二次樣條插值進(jìn)行處理.如圖4所示,連的半徑值與該點(diǎn)深度所對應的標準半徑值的差即為接檢查點(diǎn)P的前后兩點(diǎn),計算P,到弦的距離|e|,如該點(diǎn)的腐蝕量值.振動(dòng)、測試與診斷第29卷的識別，數據鏈表B用來(lái)存放這個(gè)腐蝕區域的腐蝕采樣點(diǎn);(2)在數據鏈表A中查詢(xún)P:點(diǎn)的所有鄰接點(diǎn)，將查詢(xún)到的鄰接點(diǎn)(假設這些點(diǎn)的標號依次為P2~P,)添加到數據鏈表B中,并將這些點(diǎn)從鏈表A中刪除;(3)在數據鏈表A中查詢(xún)P:點(diǎn)的所有鄰接點(diǎn)，圖5網(wǎng)格劃分圖對這些鄰接點(diǎn)的操作如步驟(2)所述,Pr的鄰接點(diǎn)氣化爐的內壁建模采用OPENGL.三維建模功標記為P+P+**,依次類(lèi)推;能,運用三角化的網(wǎng)格劃分辦法[°7],先求出每個(gè)三(4)依次查詢(xún)P,P.-.在數據鏈表A中的鄰接角形面片3個(gè)頂點(diǎn)腐蝕量的平均值，再根據計算得點(diǎn),查到后執行的操作與步驟(2)相同,直到數據鏈到的平均值指定該三角形面片的顏色,分色構建的表B中最后一個(gè)腐蝕采樣點(diǎn)被查詢(xún)完畢而沒(méi)有新的內壁模型可以更加直觀(guān)地表達內壁上各處耐火磚的鄰接點(diǎn)產(chǎn)生時(shí),則表明第1個(gè)腐蝕區域識別完畢;(5)如果此時(shí)數據鏈表A中的數據點(diǎn)不為空，腐蝕量差異。通過(guò)與標準顏色腐蝕量對照圖比較,工則再取1個(gè)點(diǎn)作為新的種子點(diǎn)進(jìn)行第2個(gè)腐蝕區域程技術(shù)人員可以非常方便地了解各處耐火磚的腐蝕的識別;狀況,如圖6所示。(6)循環(huán)往復,直到數據鏈表A中沒(méi)有任何種子點(diǎn)存在,即鏈表A中的所有點(diǎn)都被提取到各個(gè)腐蝕區域中。經(jīng)過(guò)以，上數據處理,實(shí)現了腐蝕采樣點(diǎn)的數據分割,為接下來(lái)腐蝕區域的分析計算打下了基礎。2.2.4腐蝕區 城提示腐蝕區域識別完畢后,各個(gè)腐蝕區域的點(diǎn)云數據被存放在各自對應的數據鏈表中。對這些點(diǎn)云數據進(jìn)行進(jìn)-步的分析計算可以得到各個(gè)腐蝕區域的詳細信息,主要包括腐蝕區域的中心位置、面積、平均腐蝕量以及該區域對應的耐火磚的編號(工程人圖6耐火磚腐蝕狀況圖員為方便耐火磚的維護用編號來(lái)標記氣化爐的內壁耐火磚),分析結果如圖7所示。2.2.3腐蝕采樣點(diǎn)的提取與 敷據分割根據工藝與設備的安全生產(chǎn)需求,在數據處理部分設置了內壁耐火磚的腐蝕閾值作為耐火磚的安「T■全生產(chǎn)警戒值。超過(guò)這個(gè)值的區域被認為是不安全的,需要進(jìn)行及時(shí)的處理和修護。前面已經(jīng)計算得到了所有采樣點(diǎn)的腐蝕量值,腐蝕量值超過(guò)腐蝕閾值的采樣點(diǎn)稱(chēng)為腐蝕采樣點(diǎn)。圖7腐蝕區域提示圖將所有的腐蝕采樣點(diǎn)依次提取出來(lái)放在數據鏈表A中同,數據鏈表A即為腐蝕采樣點(diǎn)的點(diǎn)云集合。這個(gè)2.2.5數據統計點(diǎn)云集合可能是一個(gè)腐蝕區域的點(diǎn)云集合,也可能以運動(dòng)控制系統為基礎,通過(guò)激光位移傳感器是多個(gè)腐蝕區域的點(diǎn)云集合,因此,需要對這個(gè)點(diǎn)云的位移測量,運用數據的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù),獲取了氣化集合進(jìn)行數據分割才能實(shí)現腐蝕區域的分割識別。中國煤化工僅僅根據這些原始的數據分割的實(shí)現方法如下:原，因此要對數據做進(jìn)(1)提取數據鏈表A的任- -采樣點(diǎn)P放在數TYH. C N M H G的設計尺寸可以得到據鏈表B中作為種子點(diǎn),同時(shí)將P,從數據鏈表A中爐體內壁各點(diǎn)處詳細的內徑數據,用測得的內壁尺刪除。這樣，建立初始隊列,開(kāi)始一-個(gè)新的腐蝕區域寸減 去設計尺寸,就可以得到最終的腐蝕量。圖8為第4期林礪宗等:氣化爐三維掃描測量與數據處理某單位德士古氣化爐內壁原始測量信息的統計分析熱力，1998,18(6):9-12.結果。從圖中可以看出,通過(guò)對原始數據的處理,得到[2] 路興昌,官輝力,趙文吉,等.基于激光掃描數據的三維了爐體整體和分部位腐蝕情況的統計信息(其中A,可視化建模[J].系統仿真學(xué)報, 2007,19(7);1 625-B,C,D..代表了不同的耐火磚,而A磚和B磚則不在1 628.系統的測量要求之內)。這樣就方便了用戶(hù)的使用。[3]孫字臣,葛寶臻,張以謨. 物體三維信息測量技術(shù)綜述[J].光電子●光,2004.15<2):248-253.[4] 張軍,盧碧紅.鉤鎖鐵樣件的數據采集和模型重建[J].振動(dòng)、測試與診斷，2006,26(S) :46-49.[5] 張慧,劉偉軍.一種基于小波的三維掃描線(xiàn)數據處理方法[J].計算機應用與軟件,2006, 23(9);8-10.[6] Cureless B, Levoy M. A volumetric method for build-ing complex models from range images [J]. ACMProceedings of Siggraph, 1996, 30;303-312.圖8測量數據統計分析結果7] 夭思遠,林礪宗.陳永平,等. 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