基于图像识别技术的活塞式蓄能器活塞实时位移测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及行程检测技术领域，更具体的是指一种活塞式蓄能器活塞位移的测量 方法。
【背景技术】
[0002] 蓄能器是一种利用气体的可压缩性实现液体蓄积的液压附件。常被用于吸收液压 回路中的液流冲击和脉动，防止液压管路因冲击和长期的振动疲劳而破损，也常被用于补 偿油液泄漏或者补偿因温度变化而引起的气体体积变化。蓄能器还可成为一种气弹簧，用 于衰减车辆或其它机械设备所受到的冲击和振动。为了在两种不同的介质之间传递压力， 如:在水与油之间传递压力，也可以使用蓄能器。用于液压系统中的蓄能器，缸内所分隔的 两种介质一般是氮气和液压油。当间隙负荷急降导致油压遽升时，氮气体积将被压缩，更多 的液压油进入蓄能器，如此，既缓冲了油压遽升，也使多余的能量被氮气所储存；当负荷急 升而需油栗能够栗出更大流量时，蓄能器则可首先向间隙负荷释放出大于栗流量的油液， 既阻止了油压陡跌，又使负荷急降时所回收的能量可被充分利用。因此，采用了蓄能器的液 压设计，更利于液压系统的小型化，并可节约能源。活塞式蓄能器用活塞使油液与气体实现 隔断，其基本结构如图1所示，活塞式蓄能器具有比气囊式蓄能器更高的压缩比，且能在瞬 间释放更大的流量。在油压较高的液压系统中，压缩比更高的活塞式蓄能器代表了蓄能技 术的发展方向。
[0003] 为了更充分地发挥活塞式蓄能器的技术优势，可以通过外部控制装置精确地控制 蓄能器的进出油量，使液压系统的油压更趋平稳、节能效益和工作效率更为显著。为达到这 一目的，必须对活塞式蓄能器内的活塞运状态进行实时检测，获取活塞的实时位置以及活 塞位于该位置时的即时速度和瞬时加速度，据此调节进油出流量，以实现液压系统的精密 控制。
[0004] 活塞式蓄能器当前采用的活塞位移检测装置如图2所示，这四种装置的检测原理 分别是：（1)超声波测距方法，（2)引出活塞杆方法，（3)张力牵引式检测方法，（4)磁翻板方 法。新的行业标准对活塞的最高运动速度要求是5m/s，当活塞达到这个速度时，0.01s的滞 后即相当于引入50mm的测量误差，当活塞运动速度较高时，上述四种方法均存在着一些无 法克服的原理性缺陷，这些缺陷分别是:超声波在液压油中的传播速度约1300m/s，当活塞 与超声波传感器的距离为3m时，一个超声脉冲的往返时间约需4.6ms，对于以5m/s速度运动 的活塞，仅因声波的传播延迟而导致的位移测量误差即达到23mm，而且，由于超声波发射/ 接收探头需承受蓄能器内部几十兆帕的高压且须留取足够的安全系数，这种采用水下航行 器声纳制造技术制作的窄波束超声传感器，价格昂贵。使用引出活塞杆方法时，活塞杆引出 端与其它设备或建筑之间需要一个与活塞行程等长的留空，空间浪费较大，当蓄能器必须 安装在受限空间内时，此测量方法尤不可取，而且，活塞杆引出孔的长期高压密封也对制造 工艺提出了更高的要求。采用张力牵引式检测方法时，需要在缸体内部安装拉绳式位移传 感器，这种传感器均采用双衡力弹簧以维持拉绳的张力，在活塞发生瞬间高速冲击或者活 塞快速改变运动方向时，因拉绳收放筒存在转动惯性，将使拉绳的张力瞬间消失，导致拉绳 在收放筒上发生缠绕，传感失效且无法自行恢复，而活塞受冲击的现象和运动方向快速改 变的现象，恰是蓄能器的运行特点。采用磁翻板方法时，需用吊锤维持磁铁拖拽绳的张力， 活塞受强烈冲击时的即时速度远大于吊锤在自由落体初期的平均速度，如:活塞在0.2s内 从初始的静止位置上冲lm，此时，吊锤才自由下落0.2m，如果活塞此后以5m/s的匀速继续运 动，则磁铁拖拽绳尚需约0.62s才能重新张紧，在重新张紧之前，磁翻板所指示的位置严重 滞后于活塞的实际位置。受上述这些原理性因素的制约，当前用于测量活塞式蓄能器活塞 位移的各种检测装置均被要求活塞最高运动速度不得超过〇. 5m/s，尚无一种基于图像识别 技术的、能从原理上保证高速响应的活塞式蓄能器活塞位移实时检测装置，也未见公开发 表的、能够适应活塞式蓄能器内部高压和油雾环境应用的、针对高速运动中的活塞实时位 移测量的可靠方法。
【发明内容】
[0005] 本发明公开了一种基于图像识别技术的活塞式蓄能器活塞实时位移测量方法。基 于该测量方法所制造的活塞式蓄能器活塞实时位移检测装置与现有的各种相同测量用途 的检测装置相比，其优点主要体现在以下六个方面:具有很高的实时性，在活塞高速运动时 也能获得很好的位移检测精度;能给出活塞运动的即时速度和瞬时加速度，便于活塞式蓄 能器控制装置的优化控制;定义了一个预示位移测量结果所具有的安全裕度的参考量，用 以满足对可靠性要求十分苛刻的应用，如航空用途或军事用途;给出了一组能衡量蓄能器 缸体内部不均匀污染程度和总体污染程度的参考量，当缸体内部的油气隔离程度下降时， 可据此给出预警；因强烈的冲击、振动、温度变化和老化等原因而使光机零部件发生松动、 移位时，能够量化地衡量光机部件的耐环境能力;不含运动部件，且结构紧凑、安装方便，在 蓄能器本体的气液隔离未受破坏的前提下，可以免维护。基于上述优点的存在，本发明给出 了一种能够适应活塞式蓄能器内部高压和油雾环境应用的、针对高速运动中的活塞实时位 移测量的可靠方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:在活塞式蓄能器的气腔侧端盖上安 装光源、均光镜、主透镜、辅镜组、影像捕获组件和影像处理组件，影像捕获组件内有成像器 件(或称"面阵式光电图像传感器"），用反光系数较小的介质在活塞的气腔侧端面上涂覆一 个环宽尺寸合理的深黑色同心圆环，圆环的外圆与活塞的边沿相重叠。用闪光源闪照缸体 内部，使蓄能器缸体内部的反射光通过主透镜和辅镜组在成像器件的感光面阵上成像，采 用一种图像边缘识别算法，获取由圆环状反射暗区的内、外圆直径。在此基础上，依据蓄能 器投入运行前所标定出的"位置一外径"关系多项式，解算出活塞气腔侧端面在被光源闪照 瞬间相对于成像面的位移值。取用一个历史时刻的位移值，计算活塞的即时速度和瞬时加 速度，并解算出一个能预示所测位移值安全裕度的重要参考量和一组能衡量主透镜和缸体 内部受污染程度的参考量，以及一组用以衡量光机部件耐环境能力的参考量。
[0007] 本测量方法所依托的物理现象是:活塞式蓄能器内的活塞只能在受限空间内做一 维方向的直线运动和围绕其自身中心轴的旋转运动。在其运动方向上，如果从一个固定的 观测点观察运动中的活塞，活塞端面的像的边缘将是一个直径不断变化的圆，圆的直径唯 一地取决于该端面与固定观测点之间的距离，当活塞距离成像面较近时，活塞的像较大，当 活塞距离成像面较远时，活塞的像较小。蓄能器气腔侧端盖的中心是设立上述固定观测点 的最佳位置。如果将一个面阵式光电图像传感器固定安装于蓄能器气腔侧端盖的中心，并 用反光系数较小的介质在活塞的气腔侧端面上涂覆出深黑色的某种特征形状，形成一个反 射暗区，用一个镜头组为成像器件提供缩放倍率合理且像差较小的该反射暗区的实时影 像，则由于成像器件与蓄能器的气腔侧端盖紧固连结、端盖与蓄能器缸体紧固连结，使通过 成像器件和影像处理组件以及固化在影像处理组件内的图像识别软件在某个时刻所捕获 的反射暗区的像的形状特征参数将唯一地取决于运动中的活塞的气腔侧端面在某个时刻 相对于成像器件的成像面的距离，也即，形状特征参数与活塞位移S之间存在函数关系：
[0008] U=F(s)其中：SN<s<SF (1)
[0009] 式（1)中，U为特征形状的一个或一组形状特征参数{ui，U2，···}，F为一个或一组将s 映射到U的函数{fi，f2，…}，SN和SF是位移可测区间的两端。
[0010] 进一步地:本发明采用圆环作为特征形状，取圆环像的外圆直径作为主要特征参 数，根据事先标定的"位置一外径"关系，解算出实时位移值，结合某个历史时刻的位移值， 计算出活塞运动的即时速度和瞬时加速度。根据圆环像的外径和内径之比，对测量结果建 立一个量化的安全裕度预示值。根据图像辨识过程中采集的圆环像内、外径样本的离散程 度和聚集程度，量化缸内的不均匀油污染程度。根据不同区域的平均光强差，量化缸内的总 体污染程度。根据辨识出的圆环像内、外圆圆心位置，量化圆环像的非对称畸变程度。根据 辨识出的圆环像圆心位置相对于感光面阵中心位置的偏离程度，量化光机部件的耐环境能 力。由于蓄能器内的活塞运动速度较高，活塞实时位移的测量精度不但受限于感光面阵的 分辨率，也受到成像器件数据输出最高帧率和曝光方式的限制，需采用高分辨率、高帧速的 成像器件，并具有全局快门能力。为实施本测量方法所制作的检测装置，采用lOOOfps的工 业级高速成像器件，含全局快门功能，其感光面阵具有2048 X 2048像素，像元尺寸7.8μπι X 7.8μπι，能输出28灰度等级的黑白影像。与高速成像器件相配的DSP器件，具有5GFL0PS以上 的32位浮点运算速度。为达到精确测量之目的，对图像进行足够的过采样，且所有与测量精 度有关的算法均基于图像的灰度值数据。
[0011] 本发明的有益效果是:基于本测量方法制作的检测装置，能以很好的实时性获得 活塞式蓄能器内活塞的实时位移、即使速度和瞬时加速度，且结构简洁、安装方便，对蓄能 器密封的影响很小，整个检测装置不存在运动磨损部件，无需重复标定。尤其是：当成像器 件的帧率较高时，其所获位移值的实时性将极其明显地优于本文在前述内容中提及的其它 测量方法。蓄能器投运较长时间以后，活塞端面会积累一定程度的油污染，本发明能预示所 测实时位移值的安全裕度，能衡量缸内的不均匀污染程度和总体污染程度，能衡量主透镜 受油膜不均匀附着的程度，能衡量光机部件的耐环境能力。
【附图说明】
[0012] 图1是活塞式蓄能器的基本结构示意和反