基于ccd摄影的电站锅炉高温管系宏观位移测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于CCD摄影（Charge-coupled Device，电荷親合摄影）的电站 锅炉高温管系宏观位移测量装置。本发明还涉及采用上述装置进行基于CCD摄影的电站锅 炉高温管系宏观位移测量方法。
【背景技术】
[0002] 电站锅炉蒸汽管道的蠕变变形以及由支吊架晃动造成的蒸汽管道宏观失稳偏移 是影响锅炉安全运行重要方面之一，高温管系位移实时监测可以反映锅炉蒸汽管道内部的 应力应变情况。随着火力发电厂对设备安全性管理的日益精细，锅炉汽包、下降管、上下联 箱、水冷壁和过热器等高温管系受热后膨胀数据的记录，也纳入管理之列，对保障设备的安 全运行具有重要意义。各种高温管系在热膨胀时是否受阻？受阻是否均匀？均需监测高温 管系的宏观位移。
[0003]传统的蒸汽管道位移测量方法多为膨胀指示器，需要在机组停运下实施，安全监 测靠人工采集处理数据，周期长，同步性差，尤其在电厂出现紧急情况时，不能及时连续完 成数据采集，难以适时监控和评估蒸汽管道的安全状况，安全监测的资料整理分析和信息 的反馈都存在严重的滞后；另外，膨胀指示器材质为碳钢，安装后经过一段时间容易腐蚀生 锈，长时间使用后，指针的针尖造成面板划伤，导致读数区卡涩，读出的数据不准确；还有就 是测量数据不能远传。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种基于CCD摄影的电站锅炉高温 管系宏观位移测量装置。
[0005]本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种采用上述装置进行基于CCD摄 影的电站锅炉高温管系宏观位移测量方法。
[0006]采用本发明的电站锅炉高温管系宏观位移测量装置和方法，相比传统的膨胀指示 器测量，自动采集处理数据，周期短，同步性好，紧急情况时能及时连续完成数据采集，可实 时监控和评估蒸汽管道的安全状况；另外，读出数据准确并方便远传。
[0007]解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0008]一种基于CCD摄影的电站锅炉高温管系宏观位移测量装置，其特征是包括：
[0009]-固定组件2,由抱箍、支架和平板构成，抱箍上固定有支架、支架上固定有平板， 抱箍则箍紧在所述高温管系待测管道1上，用于使管系、固定组件和LED灯组之间不产生相 对位移；
[0010] 十字形LED灯组3,由LED灯组成十字线阵列固定在所述固定组件平板的中心处， 用于发出十字光线，标记管系的空间位置；
[0011] -C⑶相机4,连续采集所述十字形LED灯组3所成的图像；
[0012] -不透光金属罩5,罩在所述LED灯和(XD相机上，避免外部环境光对(XD相机成 像造成影响；
[0013] -图像处理器6,通过信号电缆连接所述CCD相机，把采集获得的每帧图像转换为 灰度值矩阵；比较某一图像矩阵与初始时刻记录的图像矩阵，计算十字线在前后两图像矩 阵中的位移；结合成像系统放大率，CCD像素的水平和垂直间距条件，计算十字LED灯组在 物空间的实际位移。
[0014] 解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0015] 一种采用上述装置进行基于CCD摄影的电站锅炉高温管系宏观位移测量方法，其 特征是包括以下步骤：
[0016] 步骤一、将固定组件安装在待测管系上，调整相机的位置，直到十字线所成像清 晰并处于图像中心；图像处理器采集并储存这一矩阵形式的初始图像i〇,矩阵大小为W*H。 在该初始图像矩阵中划分出一个大小为w*h的子区域，此子区域包含有十字线的信息； 记录子区域矩阵&及其首个像素（即区域匕左上角的像素，）在图像矩阵"中的位置 (a0,bg)；
[0017] 步骤二、当管系内部流过高温流体时，相机连续不断拍摄十字线的图像，图像处理 器采集并存储这些图像；
[0018] 步骤三、分析拍摄的某一帧图像，计算此图像对应的管系位移：采用历遍法寻找此 图像矩阵中所有与步骤一中fo相同大小的子区域，分别计算这些子区域矩阵与矩阵的相 关系数；认为最大相关系数所对应的子区域与步骤一中子区域f〇系同一区域，只是位移发 生了变化；在成像系统放大率，CCD像素水平和垂直间距条件已知的情况下，变化的位移通 过这两个子区域矩阵的首个像素在图像矩阵中的位置之差计算得到。
[0019] 所述步骤三中，按如下步骤计算拍摄此图像时管系的位移：
[0020] 8)从该图像矩阵中划分出一个大小为w*h的子区域匕，矩阵fm的首个像素在1中 的位置为x= 1，y= 1，即fm的首个像素亦为im的首个像素，并取am= 1，bm= 1 ;
[0021] 9)计算矩阵f"与f。的相关系数a
[0022]
[0023]
[0024] 其中，fQ(i，j)、fm(i，j)为矩阵fQ、fm中第i行第j列元素大小，yQ、ym为矩阵f0、 fm中所有元素的期望；
[0025] 10)如果X〈w-W，则令x增加1，y保持不变；否则令x= 1，y增加1 ;
[0026] 11)以矩阵im中位置为（x，y)的元素为首个元素划分出大小为w*h的子区域f' m， 使用式⑴计算f' ">与的相关系数a' ffl；
[0027] 12)如果。，a^，即相比f；，f#f。更加相似，则将。x，y的值分别赋 予am，am，bm;
[0028] 13)如果x=W-w，y=H-h，表示已搜索完全部的子区域，则停止循环，转到下一步 骤，否则回到步骤3);
[0029] 14)拍摄第m帧图像时，十字线所成像在水平方向上移动了（a^aj个像素位置， 在垂直方向上移动了（k-bd个像素位置，因此管系的位移
[0030] 可由下式计算得到：
[0031] Ax=M-1 ?AXpixel ? (am-a〇)
[0032] Ay=M_1 ?Aypixel ? (bm-b〇) (2)
[0033] 其中，Ax、Ay分别为管系的水平位移和垂直位移；M、AxpixejPAypixel分别为CCD 相机的放大率，C⑶像素的水平和垂直间距，这些参数由具体使用的镜头和相机查询得到。
[0034] 本发明针对膨胀指示器在高温管系位移测量时存在的不足，提出一种十字光线与 CCD摄影相结合的高温管系宏观位移测量装置及方法，利用新兴的位移变形测量技术对锅 炉蒸汽管道的蠕变变形以及由支吊架晃动造成的蒸汽管道宏观失稳偏移进行在线监测，通 过CCD系统连续拍摄带有十字光线的平面，将图像信号转换为数字图像，再对发生位移前 后的数字信图像进行处理，实现高温管系宏观位移二维测量。
[0035] 本发明基于特殊标记十字线与CCD摄影技术相结合，其基本思路为：发光二极管 制作成十字光源作为CCD成像平面的标记物，十字光源发光，利用面阵CCD传感器作为图像 探测器对带有十字线光源的平板进行拍摄，获得含有管系位移信息的图像，对CCD拍摄的 管道静态及动态发生位移的图像进行处理，即可实现了高温管道的宏观位移光学非接触测 量。
[0036] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：无需人工采集处理数据，监控 过程由系统自动完成；与传统的接触式应变测量方法相比，测量装置无需与待测物体接触， 不会对待测物体表面产生强化，影响测量结果；在测量高温热应变时，测量装置不用处于高 温环境中，因而不会对测量装置产生损害，数字图像处理技术测量热应变可以在高温环境 下正常工作，使用范围广；CCD像素的间距为微米级别，测量精度较高。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明所述基于CCD摄影的高温管系宏观位移测量装置的组成和结构示意 图；
[0038] 图2为基于CCD摄影的高温管系宏观位移测量装置图像位移识别图。
[0039] 其中附图标记的标示为：1_高温管系待测管道，2-固定组件，3-十字形LED灯组， 4-CXD相机，5-金属罩，6-图像处理器。
【具体实施方式】
[0040] 如图1所示，本发明所述基于CCD摄影的高温