一種基於變密度正弦條紋的轉軸轉速測量裝置及方法與流程

2023-08-08 09:37:01

本發明涉及光學測量轉動技術領域，特別是涉及一種基於變密度正弦條紋的轉軸轉速測量裝置及方法。

背景技術：

轉角和轉速的測量在一些工程領域具有非常重要的作用和意義，如泵和電機等轉動設備的轉軸的轉速測量；這些轉動設備的狀態信息可以通過測量的轉動參數獲得並可用於機器的狀態監測和故障診斷。例如，軸承是轉動機械中非常重要的一種零件，在長時間的運轉下可能造成軸承局部的缺陷，如軸承內圈、外圈或者滾子的磨損，這些缺陷將會造成內部衝擊或者脈衝振動，而這些缺陷信息可以通過對軸承瞬時轉速的特徵信號分析獲得。

目前，轉軸轉速測量技術主要分為以下三種：機械式測量、電氣式測量和光學測量。機械式測量方法中的機械式轉速計將多齒輪盤安裝在轉軸上來測量轉動機械的轉角和轉速，這種機械式測量方法一般要求將一些附加的結構安裝在轉動裝置上，這樣會造成測量不便並且增加設備的投入。電氣式測量中可採用如基於磁阻效應的磁感應傳感器或者靜電傳感器對轉軸位置和轉速進行測量，但是電氣式測量方法可能會引入電磁幹擾等。近年來，隨著圖像傳感器製造工藝的進步，基於機器視覺的振動和轉速測量技術也快速發展。這種技術具有高效率、非接觸，並且不引入附加質量的特點。許多研究者提出的基於機器視覺的轉速測量方法，這些方法主要是通過不同圖像幀模板圖像的特徵匹配和跟蹤算法來獲得轉軸的轉速信息，測量速度和精度很大程度上取決於圖像匹配算法的速度和準確度。而且在進行圖像採集時需要將測量對象整個測量面內的圖像信息進行採集，才能進行局部特徵信號的跟蹤匹配。大範圍的圖像採集不僅會使得採集系統負擔加重，而且對圖像信號的傳輸速率也提出了比較高的要求。

因此，在對現有轉速測量方法進行了解和研究的基礎上，設計出一種精確、簡單和高效的非接觸式轉速測量裝置和方法意義重大，該種方法可以在不增加基於機器視覺的測量系統硬體成本的情況下實現轉軸轉角和轉速的實時測量。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的是提供一種基於變密度正弦條紋的轉軸轉速測量裝置及方法，該裝置和方法可實現對一定轉速範圍內轉軸轉速的非接觸測量，測量裝置簡單，速度快，精度高。

本發明採用以下方案實現：一種基於變密度正弦條紋的轉軸轉速測量裝置，包括：

一變密度正弦條紋傳感器，設置於待測轉軸圓周表面，用以編碼所述待測轉軸的轉角位置；

一高速圖像採集及傳輸模塊，用以對所述待測轉軸上的變密度正弦條紋傳感器進行連續成像與記錄，並將採集到的條紋圖像信號傳輸至計算機；

一計算機，用以對所述高速圖像採集及傳輸模塊進行控制，並對傳輸到計算機的條紋圖像信號進行存儲和處理；

一圖像處理軟體模塊，安裝於所述計算機中，用以對所述的條紋圖像信號進行處理，計算轉軸的轉角和轉速，並對採集的轉速信號進行進一步的分析和處理以實現轉動機械的狀態監測和故障診斷。

進一步地，所述變密度正弦條紋傳感器為專門設計並列印的輕質貼片，所述變密度正弦條紋傳感器輕質貼片的正面為條紋圖像，背面為粘性層，並黏貼於所述待測轉軸結構圓周表面。

進一步地，所述變密度正弦條紋傳感器的形狀為長方形，所述變密度正弦條紋傳感器的正面為沿傳感器長度方向正弦條紋密度線性變化的條紋圖像，所述變密度正弦條紋傳感器的長度與所測轉軸的周長相等；測量前，將所述長方形變密度正弦條紋傳感器沿長度方向環貼於轉軸圓周表面，以編碼所測轉軸的轉動角度。

進一步地，粘貼於轉軸表面的所述變密度正弦條紋傳感器的不同條紋密度與轉軸0-2π轉角內的不同角度一一對應，通過計算條紋密度即可獲得轉軸轉角信息。

進一步地，所述高速圖像採集及傳輸模塊包括高速圖像採集模塊與高速圖像傳輸模塊，所述高速圖像採集模塊包括成像傳感器與光學成像鏡頭，所述高速圖像傳輸模塊包括數據傳輸模塊，所述數據傳輸模塊為數據線。

進一步地，所述高速圖像採集模塊的採集幀率和成像傳感器採集像素範圍可調，所述高速圖像採集模塊放置於所述貼覆有變密度正弦條紋傳感器的待測轉軸結構表面與轉軸軸心垂直的正前方，以使所述變密度正弦條紋傳感器能夠清晰成像於所述高速圖像採集模塊的成像傳感器中間位置。

進一步地，所述成像傳感器還包括線陣成像傳感器與面陣成像傳感器；當所述成像傳感器為線陣成像傳感器時，能夠節約裝置的成本。

進一步地，所述成像傳感器為面陣成像傳感器時，所述面陣成像傳感器為成像範圍可調的面陣成像傳感器，所述面陣成像傳感器將成像寬度設置成適合於所述變密度正弦條紋傳感器的寬度大小，並在成像長度方向設置成一行或者幾行像素，以減小成像條紋圖像的大小，提高傳輸幀率和降低存儲的空間。

本發明還採用以下方法實現：一種基於變密度正弦條紋的轉軸轉速測量方法，包括以下步驟：

步驟S1：在待測轉軸上布置好變密度正弦條紋傳感器，並調整好高速圖像採集模塊的成像位置，使條紋成像於高速圖像採集模塊中成像傳感器的中間位置；

步驟S2：隨著待測轉軸的轉動，貼覆其表面的變密度正弦條紋傳感器也隨之轉動，採用高速圖像採集模塊對條紋傳感器進行連續成像和記錄；所述高速圖像採集模塊的位置是固定的，在成像傳感器中成像條紋的密度也隨著轉軸轉動角度的變化而變化；

步驟S3：高速圖像傳輸模塊將採集到的條紋圖像序列傳輸到計算機，再採用圖像處理軟體模塊進行條紋信號的處理；

步驟S4：圖像處理軟體模塊對每幀圖像中同一位置的條紋信號進行傅立葉變換並採用峰值頻率校正方法對峰值頻率進行精確校正以獲得每幀條紋圖精確的條紋密度信息；

步驟S5：圖像處理軟體模塊通過轉角與條紋密度的數學關係獲得貼覆有條紋處轉軸轉動角速度的時域曲線，再通過轉動角速度與相機的採樣頻率計算出轉軸轉速信號；

步驟S6：通過計算機顯示屏顯示轉動測量的轉角及轉速時域曲線，通過信號分析程序對得到的時域曲線作進一步的數據處理和分析，實現機器的狀態監測。

進一步地，所述變密度正弦條紋傳感器條紋密度由ds線性變化到de，第i幀條紋密度di與轉角θi之間的數學關係式為：

在第i幀條紋圖像時刻轉軸瞬時角速度ωi的數學計算公式為：

在第i幀圖像時刻轉軸瞬時轉速ni的數學計算公式為：

其中，Δt為高速圖像採集模塊的相鄰兩幀圖像之間的時間間隔，fs為高速圖像採集模塊對應的採樣頻率。

進一步地，所述條紋信號的條紋密度通過得到的準確條紋頻率和條紋實際寬度W相除得到，所述峰值頻率校正方法為能量重心校正方法，計算時先對條紋信號加歸一化Hanning窗函數，再通過求取加窗後的條紋信號的歸一化功率譜的能量重心位置得到條紋的歸一化頻率信息，最終歸一化的條紋頻率計算公式為：

其中，fi1為第i幀條紋圖像的歸一化頻率，Gk為離散頻譜的最大值，k表示對應第k條離散功率譜線，Gk+j為第(k+j)條譜線的值，z為用於能量重心計算所採用的譜線條數。第i幀條紋密度di與歸一化條紋頻率fi1之間的計算公式為：

di＝fi1N/W

其中，N為條紋圖像在寬度方向上的像素點數，W為條紋的實際寬度。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：(1)可以實現對轉軸轉動參數進行快速測量，不需要進行如機械式測量系統那種複雜的傳感器布置和系統參數調節，也不會產生電氣式測量方法所帶來的電磁幹擾。(2)可實現非接觸式轉速測量，與現有的基於圖像跟蹤匹配算法的轉軸測量方法相比，不需要進行大量的圖像跟蹤匹配運算，提高了系統測量的運算速度。(3)可實現採樣數據的大幅減小，傳輸幀率的提高。現有的基於圖像跟蹤匹配算法的轉軸測量方法，需要對整個測量軸的圖像信息進行採集，才能進行局部特徵信號的跟蹤匹配。大範圍的圖像採集不僅會使得採集系統負擔加重，而且對圖像信號的傳輸也提出了比較高的要求。而本發明利用條紋密度信息進行轉軸角度的編碼，最少只需採集一行像素的條紋信息即可實現轉軸的參數測量，可以提高圖像傳輸速率和系統採樣頻率，減小圖像的存儲空間。

附圖說明

圖1是本發明實施例的裝置結構示意圖。

圖2是本發明實施例中變密度正弦條紋示意圖和條紋密度與轉角之間的關係示意圖。

圖3是本發明實施例中高速圖像採集模塊的成像幾何關係圖及圖像處理流程示意圖。

圖中，1-計算機，2-數據傳輸模塊，3-高速圖像採集模塊，4-光學成像鏡頭，5-變密度正弦條紋傳感器，6-待測轉軸，7-圖像採集位置及條紋，8-面陣圖像傳感器，9-成像正弦條紋信號。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。

圖1是本發明實施例的裝置結構示意圖。如圖1所示，本實施例提供一種基於變密度正弦條紋的轉軸轉速測量裝置，包括變密度正弦條紋傳感器5、高速圖像採集模塊3、數據傳輸模塊2、計算機1、圖像處理軟體模塊和所測轉軸6。變密度正弦條紋傳感器5，設置於待測轉軸6的圓周表面，用於編碼待測轉軸6的轉角信息。高速圖像採集模塊3，用於對待測轉軸6上的變密度正弦條紋傳感器5進行連續成像和記錄，並將採集到的條紋圖像通過數據傳輸模塊2傳輸到計算機1。安裝於計算機1的圖像處理軟體模塊對每幀圖像中同一行像素的條紋信號進行傅立葉變換並採用峰值頻率校正方法對峰值頻率進行精確校正以獲得每幀條紋圖精確的條紋密度信息。圖像處理軟體模塊再通過轉角與條紋密度的線性關係獲得轉軸轉動角速度的時域曲線，再通過轉動角速度與相機的採樣頻率計算出轉軸的轉速信號；最後通過計算器1的顯示屏顯示轉動測量的轉角及轉速時域曲線，通過信號分析程序對得到的時域曲線作進一步的數據處理和分析，實現轉動機械的狀態監測。

圖2為本發明實施例中變密度正弦條紋傳感器5的示意圖和條紋密度與轉角之間的關係示意圖。本實施例中，變密度正弦條紋傳感器5的形狀為長方形，變密度正弦條紋傳感器5的正面為沿傳感器長度方向正弦條紋密度線性變化的條紋圖像，變密度正弦條紋傳感器5的長度與所測轉軸6的周長相等。測量前，將所述長方形變密度正弦條紋傳感器5沿長度方向環貼於所測轉軸6的圓周表面，剛好使變密度正弦條紋傳感器5完整地環貼於所測轉軸6的表面。變密度正弦條紋傳感器5的正弦條紋密度從ds線性變化到de，所以，粘貼於所測轉軸6表面的變密度正弦條紋傳感器不同條紋密度與轉軸0-2π轉角內的不同角度一一對應。

圖2是本發明實施例中一種用於測量轉軸轉動參數的變密度正弦條紋傳感器的示意圖。在實際的工程測量中，可以根據結構的特點設計不同的條紋形式的傳感器，或者採用在轉軸上噴塗條紋等，本專利未列出所有各種不同的條紋形式或者粘貼形式，但是基於本發明的方法進行的測量均屬於本發明的保護範圍。

圖3為本發明實施例中高速圖像採集模塊3的成像幾何關係圖及圖像處理流程示意圖。本實施例中，高速圖像採集模塊3其主要由光學成像鏡頭4和面陣圖像傳感器8組成。在待測轉軸6上布置好變密度正弦條紋傳感器5，並調整好高速圖像採集模塊3的成像位置和光學成像鏡頭4的焦距，使變密度正弦條紋傳感器5左側線標記位置的正弦條紋條紋信號7清晰成像於圖像傳感器8的中間位置。將圖像傳感器8的成像寬度設置成適合於變密度正弦條紋傳感器5的寬度，並在成像長度方向設置成一行或者幾行像素，以減小成像條紋圖像的大小，提高傳輸幀率，減小數據存儲的空間。隨著待測轉軸6的轉動，貼覆其表面的變密度正弦條紋傳感器5也隨之轉動，高速圖像採集模塊3對變密度正弦條紋傳感器5左側紅色線條標記處成像位置進行連續成像和記錄。成像正弦條紋信號9的密度也隨著轉軸轉動而變化，通過計算成像正弦條紋信號9的條紋密度即可獲得轉軸轉角信息；再通過獲得的時域轉角信號與相機的採樣頻率計算出所測轉軸6的轉速信號。

本實施例還提供了採用上述裝置的轉軸轉速測量方法，如圖1、2和3所示，包括以下步驟：

步驟S1：在待測轉軸6上布置好變密度正弦條紋傳感器5，並調整好高速圖像採集模塊3的成像位置，使條紋成像於高速圖像採集模塊3圖像傳感器8的中間位置；

步驟S2：隨著待測轉軸6的轉動，貼覆其表面的變密度正弦條紋傳感器5也隨之轉動，採用高速圖像採集模塊3對條紋傳感器進行連續成像和記錄；因為圖像採集模塊3的位置是固定的，所以在圖像傳感器8中成像條紋的密度9也隨著轉軸轉動而變化；

步驟S3：圖像傳輸模塊3將採集到的條紋圖像序列傳輸到計算機1，再採用圖像處理軟體模塊進行成像條紋信號9的處理；

步驟S4：圖像處理軟體模塊對每幀圖像中同一行位置的條紋信號進行傅立葉變換並採用頻率校正方法對峰值頻率進行精確校正以獲得每幀條紋圖精確的條紋密度信息；

步驟S4：圖像處理軟體模塊通過轉角與條紋密度的線性關係獲得貼覆有條紋處轉軸轉動角速度的時域曲線，再通過轉動角速度與相機的採樣頻率計算出轉軸的轉速信號；

步驟S5：通過計算機1的顯示屏顯示轉動測量的轉角及轉速時域曲線，通過信號分析程序對得到的轉動參數時域曲線作進一步的數據處理和分析，實現機器的狀態監測和故障診斷。

在本實施例中，如圖3所述變密度正弦條紋傳感器條紋密度由ds線性變化到de，第i幀條紋密度di與轉角θi之間的關係為：

在本實施例中，在第i幀圖像時刻轉軸瞬時角速度ωi為：

在本實施例中，在第i幀圖像時刻轉軸瞬時轉速ni為：

其中，Δt為高速圖像採集模塊的相鄰兩幀圖像之間的時間間隔，fs為高速圖像採集模塊對應的採樣頻率。

在本實施例中，所述條紋信號的條紋密度通過得到的峰值頻率和條紋實際寬度相除得到，所述峰值頻率頻譜校正方法為能量重心校正方法，計算時先對條紋信號加歸一化Hanning窗函數，再通過求取加窗後的條紋信號的歸一化功率譜的能量重心位置得到條紋的歸一化頻率信息，最終歸一化的條紋頻率計算公式為：

其中，fi1為第i幀條紋圖像的歸一化頻率，Gk為離散頻譜的最大值，k表示第k條離散功率譜線，Gk+j為第(k+j)條譜線的值，z為用於能量重心計算所採用的譜線條數。第i幀條紋密度di與歸一化條紋頻率fi1之間的計算公式為：

di＝fi1N/W

其中，N為條紋圖像在寬度方向上的像素點數，W為條紋的實際寬度。

以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。