一种自动化石油钻采装备磨损以及变形检测装置的制作方法

本实用新型涉及自动化检测装备设计技术领域，具体涉及一种自动化石油钻采装备磨损以及变形检测装置。

背景技术：

在油田开采作业中，油管、钻杆等石油钻采装备是一个被大量使用的核心部件，为避免钻采装备过度磨损、弯曲变形、拉伸变形等造成的事故，油田作业后，需转运回油管厂检查其磨损、变形情况，依据其质量状况，进行人工分类分拣，安排至下一油田作业活动中。

目前的磨损变形检测手段主要为涡流检测，其方法仅能测出钻采装备的磨损量和端面的椭圆度，无法测量出其弯曲变形程度。现有的弯曲变形检测仍旧依靠人工利用卡尺的手段进行粗放的检测，不仅作业效率低下，且判断标准没有固定的数值参考，评判结果因工人个体的差异存在随机误差。同时，两种检测需设置两个测试工位，不仅增加了检测成本，同时加入人工检测工位，不利于钻采装备的智能分类分拣，从而影响到钻采装备的科学合理布局及调度应用，不利于提升管杆利用率。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种自动化石油钻采装备磨损以及变形检测装置，能够快速、有效、高精度地检测管杆的弯曲变形。

本实用新型的自动化石油钻采装备磨损以及变形检测装置，包括多套检测单元和上位机；其中，检测单元布置在与被测管杆轴向平行的平行线上，检测单元用于将上位机发送的光栅条纹投影至被测管杆上，并对待测管杆上的光栅条纹投影进行采集，将采集的光栅条纹传输至上位机；上位机通过对采集的光栅条纹的相位调解，得到被测管杆的高度信息，还原被测管杆的表面形貌，并将还原的表面形貌与参考标准管杆的表面形貌进行比较，得到被测管杆的磨损变形量。

进一步的，所述检测单元包括检测点支架，以及固定在检测点支架上的CCD相机和DLP数字投影仪；DLP数字投影仪用于将上位机发送的光栅条纹投影至被测管杆的外表面上，所述CCD相机对被测管杆的外表面上的光栅条纹进行采集，并将采集到的光栅条纹发送至上位机。

进一步的，上位机发送的光栅条纹为正弦光栅条纹。

有益效果：

本实用新型利用光栅投影恢复管杆外表面形貌，将标准管杆的表面形貌数据与回收后管杆的表面形貌数据进行比对，量化了管杆磨损变形的判断依据，避免了现有人工检测法造成的误差，同时避免了将作业次数较多但质量尚可的管杆直接报废造成的成本增高。

本实用新型采用光栅投影法检测管杆的弯曲变形，从根本上替代了现有检测手段中依靠人工检测的方法，填补了自动化高精度弯曲变形检测领域的空白。

本实用新型省去工人逐根观察变形情况的繁琐工作，智能检测替代人工检测，为后续的智能分拣、油管科学管理提供了强有力的技术支持。

附图说明

图1为检测单元的结构组成示意图。

图2为整个检测装置结构组成示意图。

其中，1-检测点支架，2-CCD相机，3-DLP数字投影仪，4-上位PC机，5-被测管杆，6-两检测点检测范围重叠部分。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种自动化石油钻采装备磨损以及变形检测装置，如图2所示，包括多套检测单元和上位机，其中，检测单元布置在与被测管杆轴向平行的平行线上，检测单元用于将上位机传输的光栅条纹投影至待测管杆上，并对待测管杆上的光栅条纹投影进行采集，将采集的光栅条纹传输至上位机；上位机通过对采集的光栅条纹的相位调解，得到被测管杆的高度信息，从而还原被测管杆的表面形貌，并将还原的表面形貌与参考标准杆的表面形貌进行比较，得到被测管杆的磨损变形量。

如图1所示，所述检测单元包括检测点支架1，以及采用螺丝固定等方式固定在检测点支架1上的1台CCD相机2和1台DLP(Digital Light Procession)数字投影仪3。测点支架1采用螺丝固定等方法紧固在与被测管杆轴向平行的桁架上。其中，DLP数字投影仪3用于将上位机4传输的光栅条纹投影至被测管杆的外表面上，所述CCD相机2对经被测管杆的外表面高度调制后的变形光栅条纹进行拍摄采集，并将拍摄采集到的变形光栅条纹发送至上位机4；所述上位机4对采集到的变形光栅条纹的相位进行解调，得到条纹相位分布情况，从而得到被测管杆的表面高度信息，还原被测管杆的表面形貌。其中，CCD工业相机2与DLP数字投影仪3的镜头无需完全保持在同一平面，仅需保证CCD工业相机2可以完整采集到对应DLP数字投影仪投影范围内的光栅条纹即可，对安装误差容忍度较高。本实用新型检测需处于遮光暗室内进行。

其中，所有检测单元的检测范围(即图2中10个检测点的DLP数字投影仪的投影范围)覆盖整个被测管杆，相邻检测单元的检测范围存在一定的重叠，以避免存在漏检点；检测单元可等间距均匀布置，也可以非均匀布置。

以10个检测点(即10套检测单元)为例，首先，根据DLP数字投影仪3的投影比，在平行于被测管杆轴向方向，等间距布置10个检测点，10个检测点与被测管杆的垂直距离依据DLP数字投影仪的投影比设置，使10个检测点的检测范围可覆盖整根被测管杆(油管)。以投影比为1.47～1.76:1的DLP数字投影仪为例，被测管杆的长度为10m，欲使10套检测单元完全覆盖整根被测管杆，且相邻检测单元检测范围存在一定的重叠部分6，令各检测单元在油管的检测范围宽度为1.25m，则将DLP数字投影仪放置于垂直于被测管杆2.2m处。

本实用新型中，各检测单元是独立工作的，且工作原理相同，故以单个检测单元为例，说明检测原理如下：

将各检测单元布置好之后，利用张正友标定法对检测装置进行标定，建立图像像素点与场景被测点间的关系。然后，保持各检测单元位置不变，DLP数字投影仪3将上位机4传输的光栅条纹投影至被测管杆的外表面上，其中，所述光栅条纹可以采用具有相移的正弦光栅条纹：

Ii(x,y)＝I0+IAcos[φ(x,y)+2iπ/N](i＝0,1,...,N-1)

其中，Ii(x,y)表示第i个投影光栅的光强；I0表示背景光强；IA表示调制光强；2iπ/N表示一个整周期内等距移动N次，每次移动的步距为2π/N；φ(x,y)表示绝对相位。

投影的正弦光栅条纹经被测管杆表面高度调制发生变形，此时变形光栅携带有被测管杆各点的高度信息。

CCD工业相机2拍摄采集检测区域内变形的相移光栅条纹图片，并传输给后端PC机4。PC机4通过分析相移光栅条纹图片的灰度值，求取包裹相位：

其中，ci为灰度值。i表示第i次相移的投影光栅，N为一个周期内的相移次数。

随后利用相位解包裹算法，解调包裹相位得到绝对相位值，该相位值携带被测管杆表面高度信息。利用系统标定获得的相位-高度间的关系式，即可求取在该检测区域内被测管杆的表面形貌。

分别对标准管杆、作业回收管杆采用上述的投影检测获得各自的表面形貌，上位机通过对对应检测区域的标准管杆表面形貌和作业回收管杆表面形貌进行拟合，求取2表面数据的差值和标准差，即可直观计算出作业回收管杆的最大磨损深度、最大拉伸弯曲变形情况以及整体的磨损、变形情况。其中，所述标准差即为磨损变形量。然后根据油田实际需求，设置磨损变形量阈值，剔除磨损大、变形大，不再适用于油田作业的管杆，即可自动完成管杆的后续分拣工作。

为得到完整的待检测管杆表面形貌点数据，保证无漏测点，将待检测管杆沿中心轴顺时针旋转2次，每次旋转60度，分别进行投影检测，还原对应投影区域的表面形貌，每个检测单元共得到三组待检测管杆的表面形貌。上位机将对应检测区域的待检测管杆三组表面形貌分别与参考标准管杆各对应段的表面形貌数据进行求取差值和标准差运算，得到待检测管杆的最大磨损深度、最大拉伸弯曲变形情况以及整体的磨损、变形情况。

本实用新型利用CCD相机和DLP数字投影仪通过光栅投影恢复油管外表面形貌，并与标准管杆外表面进行拟合，计算两个表面间点云数据的标准差，作为回收管杆的磨损变形量，从而实现对被测管杆的磨损及变形检测。本实用新型检测速度快、精度高，且对被测管杆无损伤。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。