基于三维激光扫描的大型容积罐容积计量方法研究.docxVIP

2011 年全国容量测量学术交流会暨中国计量测试学会容量计量专业委员会年会基于三维激光扫描的大型容积罐容积计量方法研究陈哲敏，郑建英，胡涤新，杜之平，茅振华，陈挺（浙江省计量科学研究院，浙江杭州，310013）摘要:本文描述了一种高效的大型容积罐计量检定方法。采用三维激光扫描仪测量得到大型容器的外围三维坐 标，设计了一种快速的点云计算方法，对点云数据噪声点的自动消除、容器纵向切片以及截面积积分计算，获得 大型容器的容积值。通过对 1000m3 和 2000m3 两个在用容积罐的比对试验，该方法的测量结果与利用《JJG 168- 2005 立式金属罐容量检定规程》规定方法测得的容积值之间的偏差在 0.07%内，表明采用三维激光扫描法完全发 展成为一种对大型容积开展计量检定的快速、准确的计量检定方法。 关键词：计量学；大型容积罐；容量计量，三维激光扫描中图分类号：TB938．3 文 献标识码：A近年来，随着光学技术的不断发展，最为快速、准确的长度测量方法，激光测距在很多 场合已经替代了钢卷尺。在激光测距的基础 上，发展出了激光扫描测量方式，以适应曲线 的测量。目前比较常见的测量方式是激光全站 仪[7]，激光全站仪可以应用于大型容积罐容积 的测量，但是由于全站仪的主要功能是对距离 和角度的精确测量，在曲面测量方面存在着时 间长、准确度低的不足。激光扫描仪作为最近 发展迅速的一种新技术，可用于曲面的快速测 量，具有精度高和测量数据密集的优点，已经 成为研究物体空间信息数据的重要手段。本文提出采用三维激光扫描方式对大容积 罐容积进行计量的方法，通过对激光扫描点云 数据的优化处理，实现了对大容积罐进行现场 的高效、快速、准确计量。容积比对实验结果 表明，和常规几何测试方法相对，该方法的测 量不确定度满足常规检定方式的要求。 1、大型容积罐容积计量方法基于三维激光扫描系统的大型容积罐容积 计量方法采用激光三维扫描仪作为点云获取手 段，通过点云的数据处理，获得大型容积罐的 容积。1.1 三维激光扫描仪获取点云 三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统。1 前言大型容积罐是我国目前最常用的液态能源 物质如石油和液化天然气的存储器具，也是国 际间能源贸易的主要计量器具，广泛地应用于 石油化工、冶金、航空、电力的行业中。容积 罐的容积对大型能源物质的存储和运行具有至 关重要的作用，因此容积罐的容积被列为我国 的强制检定计量器具[1]。针对大型容器的容积计量，由于容器的大 体积、大尺寸的特点，超大型容器的容积计量 在国内外目前只有几何测试法得到认可[2-4]， 而被广泛地应用于国内外的计量交接中。几何 测试方法采用人工测量容器外围尺寸后得到容 积截面周长将其拟合成圆，然后计算器截面 积，这要求容积罐必须为理想的圆形，当容器 长期使用后，由于压力温度等各方面的影响， 必然导致容器的变形，这给容积的计量检定带 来了误差[5-6]。另外，几何测试法采用钢卷尺 对容器进行计量，检定前需要清罐，检定人员 直接测量外壁尺寸，因此存在着检定成本高、 劳动强度大以及对检定人员具有一定的安全隐 患等问题。随着国内能源问题的日益严重，大 型容积罐的应用日益普遍，因此对容量计量的 效率和准确性的要求也越来越高，因此需要研 究新型快速准确的计量检定方法。作者简介：陈哲敏（1982-）,男,浙江瑞安人,浙江省计量科学研究院,光学工程博士,mailto:czmasm@光学相关的计量检测技术。czmasm@222011 年全国容量测量学术交流会暨中国计量测试学会容量计量专业委员会年会根据激光测距原理，获得被测点的距离 L；利用内置的精密时钟控制编码器，同步测量每个 脉冲横向扫描角度观测值 α 和纵向扫描角度观 测值 β。利用 1 个距离值和两个角度值，计算 物体表面被测点的三维坐标(x,y,z)如下：?x ? L cos ? cos?物体的空间坐标位置，当激光扫描仪位于容器内部时，只需要一次扫描即能获得容器内壁的 三维坐标信息。但是容器内部扫描往往需要进 行清罐处理，处理代价很高，计量检定往往在 外部进行。当扫描仪在容积罐外部时，为得到 保证罐外壁全表面的点云数据，必须至少有 3 个扫描站点。同时在扫描时还需放置足够多的 标记，标记的坐标作为公共点，使不同站点的 扫描数据通过交换统一到同一个坐标下，实现 点云数据的拼接，如图 1 所示。? y ? L cos ? sin ???z ? L sin ??(1)通过大面积测量物体表面点三维坐标，即可获得物体表面的三维点云数据。 激光扫描仪以仪器站点为中心点扫描四周图 1 激光扫描方法示意图1.2 点云数据处理当激光扫描仪获得 3 幅点云数据时，利用 点云拼接软件处理（产品自带）后得到一幅完 整的