一种基于变密度正弦条纹的转轴转速测量装置及方法与流程

本发明涉及光学测量转动技术领域，特别是涉及一种基于变密度正弦条纹的转轴转速测量装置及方法。

背景技术：

转角和转速的测量在一些工程领域具有非常重要的作用和意义，如泵和电机等转动设备的转轴的转速测量；这些转动设备的状态信息可以通过测量的转动参数获得并可用于机器的状态监测和故障诊断。例如，轴承是转动机械中非常重要的一种零件，在长时间的运转下可能造成轴承局部的缺陷，如轴承内圈、外圈或者滚子的磨损，这些缺陷将会造成内部冲击或者脉冲振动，而这些缺陷信息可以通过对轴承瞬时转速的特征信号分析获得。

目前，转轴转速测量技术主要分为以下三种：机械式测量、电气式测量和光学测量。机械式测量方法中的机械式转速计将多齿轮盘安装在转轴上来测量转动机械的转角和转速，这种机械式测量方法一般要求将一些附加的结构安装在转动装置上，这样会造成测量不便并且增加设备的投入。电气式测量中可采用如基于磁阻效应的磁感应传感器或者静电传感器对转轴位置和转速进行测量，但是电气式测量方法可能会引入电磁干扰等。近年来，随着图像传感器制造工艺的进步，基于机器视觉的振动和转速测量技术也快速发展。这种技术具有高效率、非接触，并且不引入附加质量的特点。许多研究者提出的基于机器视觉的转速测量方法，这些方法主要是通过不同图像帧模板图像的特征匹配和跟踪算法来获得转轴的转速信息，测量速度和精度很大程度上取决于图像匹配算法的速度和准确度。而且在进行图像采集时需要将测量对象整个测量面内的图像信息进行采集，才能进行局部特征信号的跟踪匹配。大范围的图像采集不仅会使得采集系统负担加重，而且对图像信号的传输速率也提出了比较高的要求。

因此，在对现有转速测量方法进行了解和研究的基础上，设计出一种精确、简单和高效的非接触式转速测量装置和方法意义重大，该种方法可以在不增加基于机器视觉的测量系统硬件成本的情况下实现转轴转角和转速的实时测量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于变密度正弦条纹的转轴转速测量装置及方法，该装置和方法可实现对一定转速范围内转轴转速的非接触测量，测量装置简单，速度快，精度高。

本发明采用以下方案实现：一种基于变密度正弦条纹的转轴转速测量装置，包括：

一变密度正弦条纹传感器，设置于待测转轴圆周表面，用以编码所述待测转轴的转角位置；

一高速图像采集及传输模块，用以对所述待测转轴上的变密度正弦条纹传感器进行连续成像与记录，并将采集到的条纹图像信号传输至计算机；

一计算机，用以对所述高速图像采集及传输模块进行控制，并对传输到计算机的条纹图像信号进行存储和处理；

一图像处理软件模块，安装于所述计算机中，用以对所述的条纹图像信号进行处理，计算转轴的转角和转速，并对采集的转速信号进行进一步的分析和处理以实现转动机械的状态监测和故障诊断。

进一步地，所述变密度正弦条纹传感器为专门设计并打印的轻质贴片，所述变密度正弦条纹传感器轻质贴片的正面为条纹图像，背面为粘性层，并黏贴于所述待测转轴结构圆周表面。

进一步地，所述变密度正弦条纹传感器的形状为长方形，所述变密度正弦条纹传感器的正面为沿传感器长度方向正弦条纹密度线性变化的条纹图像，所述变密度正弦条纹传感器的长度与所测转轴的周长相等；测量前，将所述长方形变密度正弦条纹传感器沿长度方向环贴于转轴圆周表面，以编码所测转轴的转动角度。

进一步地，粘贴于转轴表面的所述变密度正弦条纹传感器的不同条纹密度与转轴0-2π转角内的不同角度一一对应，通过计算条纹密度即可获得转轴转角信息。

进一步地，所述高速图像采集及传输模块包括高速图像采集模块与高速图像传输模块，所述高速图像采集模块包括成像传感器与光学成像镜头，所述高速图像传输模块包括数据传输模块，所述数据传输模块为数据线。

进一步地，所述高速图像采集模块的采集帧率和成像传感器采集像素范围可调，所述高速图像采集模块放置于所述贴覆有变密度正弦条纹传感器的待测转轴结构表面与转轴轴心垂直的正前方，以使所述变密度正弦条纹传感器能够清晰成像于所述高速图像采集模块的成像传感器中间位置。

进一步地，所述成像传感器还包括线阵成像传感器与面阵成像传感器；当所述成像传感器为线阵成像传感器时，能够节约装置的成本。

进一步地，所述成像传感器为面阵成像传感器时，所述面阵成像传感器为成像范围可调的面阵成像传感器，所述面阵成像传感器将成像宽度设置成适合于所述变密度正弦条纹传感器的宽度大小，并在成像长度方向设置成一行或者几行像素，以减小成像条纹图像的大小，提高传输帧率和降低存储的空间。

本发明还采用以下方法实现：一种基于变密度正弦条纹的转轴转速测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：在待测转轴上布置好变密度正弦条纹传感器，并调整好高速图像采集模块的成像位置，使条纹成像于高速图像采集模块中成像传感器的中间位置；

步骤S2：随着待测转轴的转动，贴覆其表面的变密度正弦条纹传感器也随之转动，采用高速图像采集模块对条纹传感器进行连续成像和记录；所述高速图像采集模块的位置是固定的，在成像传感器中成像条纹的密度也随着转轴转动角度的变化而变化；

步骤S3：高速图像传输模块将采集到的条纹图像序列传输到计算机，再采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

步骤S4：图像处理软件模块对每帧图像中同一位置的条纹信号进行傅立叶变换并采用峰值频率校正方法对峰值频率进行精确校正以获得每帧条纹图精确的条纹密度信息；

步骤S5：图像处理软件模块通过转角与条纹密度的数学关系获得贴覆有条纹处转轴转动角速度的时域曲线，再通过转动角速度与相机的采样频率计算出转轴转速信号；

步骤S6：通过计算机显示屏显示转动测量的转角及转速时域曲线，通过信号分析程序对得到的时域曲线作进一步的数据处理和分析，实现机器的状态监测。

进一步地，所述变密度正弦条纹传感器条纹密度由d_s线性变化到d_e，第i帧条纹密度d_i与转角θ_i之间的数学关系式为：

在第i帧条纹图像时刻转轴瞬时角速度ω_i的数学计算公式为：

在第i帧图像时刻转轴瞬时转速n_i的数学计算公式为：

其中，Δt为高速图像采集模块的相邻两帧图像之间的时间间隔，f_s为高速图像采集模块对应的采样频率。

进一步地，所述条纹信号的条纹密度通过得到的准确条纹频率和条纹实际宽度W相除得到，所述峰值频率校正方法为能量重心校正方法，计算时先对条纹信号加归一化Hanning窗函数，再通过求取加窗后的条纹信号的归一化功率谱的能量重心位置得到条纹的归一化频率信息，最终归一化的条纹频率计算公式为：

其中，f_i¹为第i帧条纹图像的归一化频率，G_k为离散频谱的最大值，k表示对应第k条离散功率谱线，G_k+j为第(k+j)条谱线的值，z为用于能量重心计算所采用的谱线条数。第i帧条纹密度d_i与归一化条纹频率f_i¹之间的计算公式为：

d_i＝f_i¹N/W

其中，N为条纹图像在宽度方向上的像素点数，W为条纹的实际宽度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)可以实现对转轴转动参数进行快速测量，不需要进行如机械式测量系统那种复杂的传感器布置和系统参数调节，也不会产生电气式测量方法所带来的电磁干扰。(2)可实现非接触式转速测量，与现有的基于图像跟踪匹配算法的转轴测量方法相比，不需要进行大量的图像跟踪匹配运算，提高了系统测量的运算速度。(3)可实现采样数据的大幅减小，传输帧率的提高。现有的基于图像跟踪匹配算法的转轴测量方法，需要对整个测量轴的图像信息进行采集，才能进行局部特征信号的跟踪匹配。大范围的图像采集不仅会使得采集系统负担加重，而且对图像信号的传输也提出了比较高的要求。而本发明利用条纹密度信息进行转轴角度的编码，最少只需采集一行像素的条纹信息即可实现转轴的参数测量，可以提高图像传输速率和系统采样频率，减小图像的存储空间。

附图说明

图1是本发明实施例的装置结构示意图。

图2是本发明实施例中变密度正弦条纹示意图和条纹密度与转角之间的关系示意图。

图3是本发明实施例中高速图像采集模块的成像几何关系图及图像处理流程示意图。

图中，1-计算机，2-数据传输模块，3-高速图像采集模块，4-光学成像镜头，5-变密度正弦条纹传感器，6-待测转轴，7-图像采集位置及条纹，8-面阵图像传感器，9-成像正弦条纹信号。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例的装置结构示意图。如图1所示，本实施例提供一种基于变密度正弦条纹的转轴转速测量装置，包括变密度正弦条纹传感器5、高速图像采集模块3、数据传输模块2、计算机1、图像处理软件模块和所测转轴6。变密度正弦条纹传感器5，设置于待测转轴6的圆周表面，用于编码待测转轴6的转角信息。高速图像采集模块3，用于对待测转轴6上的变密度正弦条纹传感器5进行连续成像和记录，并将采集到的条纹图像通过数据传输模块2传输到计算机1。安装于计算机1的图像处理软件模块对每帧图像中同一行像素的条纹信号进行傅立叶变换并采用峰值频率校正方法对峰值频率进行精确校正以获得每帧条纹图精确的条纹密度信息。图像处理软件模块再通过转角与条纹密度的线性关系获得转轴转动角速度的时域曲线，再通过转动角速度与相机的采样频率计算出转轴的转速信号；最后通过计算器1的显示屏显示转动测量的转角及转速时域曲线，通过信号分析程序对得到的时域曲线作进一步的数据处理和分析，实现转动机械的状态监测。

图2为本发明实施例中变密度正弦条纹传感器5的示意图和条纹密度与转角之间的关系示意图。本实施例中，变密度正弦条纹传感器5的形状为长方形，变密度正弦条纹传感器5的正面为沿传感器长度方向正弦条纹密度线性变化的条纹图像，变密度正弦条纹传感器5的长度与所测转轴6的周长相等。测量前，将所述长方形变密度正弦条纹传感器5沿长度方向环贴于所测转轴6的圆周表面，刚好使变密度正弦条纹传感器5完整地环贴于所测转轴6的表面。变密度正弦条纹传感器5的正弦条纹密度从d_s线性变化到d_e，所以，粘贴于所测转轴6表面的变密度正弦条纹传感器不同条纹密度与转轴0-2π转角内的不同角度一一对应。

图2是本发明实施例中一种用于测量转轴转动参数的变密度正弦条纹传感器的示意图。在实际的工程测量中，可以根据结构的特点设计不同的条纹形式的传感器，或者采用在转轴上喷涂条纹等，本专利未列出所有各种不同的条纹形式或者粘贴形式，但是基于本发明的方法进行的测量均属于本发明的保护范围。

图3为本发明实施例中高速图像采集模块3的成像几何关系图及图像处理流程示意图。本实施例中，高速图像采集模块3其主要由光学成像镜头4和面阵图像传感器8组成。在待测转轴6上布置好变密度正弦条纹传感器5，并调整好高速图像采集模块3的成像位置和光学成像镜头4的焦距，使变密度正弦条纹传感器5左侧线标记位置的正弦条纹条纹信号7清晰成像于图像传感器8的中间位置。将图像传感器8的成像宽度设置成适合于变密度正弦条纹传感器5的宽度，并在成像长度方向设置成一行或者几行像素，以减小成像条纹图像的大小，提高传输帧率，减小数据存储的空间。随着待测转轴6的转动，贴覆其表面的变密度正弦条纹传感器5也随之转动，高速图像采集模块3对变密度正弦条纹传感器5左侧红色线条标记处成像位置进行连续成像和记录。成像正弦条纹信号9的密度也随着转轴转动而变化，通过计算成像正弦条纹信号9的条纹密度即可获得转轴转角信息；再通过获得的时域转角信号与相机的采样频率计算出所测转轴6的转速信号。

本实施例还提供了采用上述装置的转轴转速测量方法，如图1、2和3所示，包括以下步骤：

步骤S1：在待测转轴6上布置好变密度正弦条纹传感器5，并调整好高速图像采集模块3的成像位置，使条纹成像于高速图像采集模块3图像传感器8的中间位置；

步骤S2：随着待测转轴6的转动，贴覆其表面的变密度正弦条纹传感器5也随之转动，采用高速图像采集模块3对条纹传感器进行连续成像和记录；因为图像采集模块3的位置是固定的，所以在图像传感器8中成像条纹的密度9也随着转轴转动而变化；

步骤S3：图像传输模块3将采集到的条纹图像序列传输到计算机1，再采用图像处理软件模块进行成像条纹信号9的处理；

步骤S4：图像处理软件模块对每帧图像中同一行位置的条纹信号进行傅立叶变换并采用频率校正方法对峰值频率进行精确校正以获得每帧条纹图精确的条纹密度信息；

步骤S4：图像处理软件模块通过转角与条纹密度的线性关系获得贴覆有条纹处转轴转动角速度的时域曲线，再通过转动角速度与相机的采样频率计算出转轴的转速信号；

步骤S5：通过计算机1的显示屏显示转动测量的转角及转速时域曲线，通过信号分析程序对得到的转动参数时域曲线作进一步的数据处理和分析，实现机器的状态监测和故障诊断。

在本实施例中，如图3所述变密度正弦条纹传感器条纹密度由d_s线性变化到d_e，第i帧条纹密度d_i与转角θ_i之间的关系为：

在本实施例中，在第i帧图像时刻转轴瞬时角速度ω_i为：

在本实施例中，在第i帧图像时刻转轴瞬时转速n_i为：

其中，Δt为高速图像采集模块的相邻两帧图像之间的时间间隔，f_s为高速图像采集模块对应的采样频率。

在本实施例中，所述条纹信号的条纹密度通过得到的峰值频率和条纹实际宽度相除得到，所述峰值频率频谱校正方法为能量重心校正方法，计算时先对条纹信号加归一化Hanning窗函数，再通过求取加窗后的条纹信号的归一化功率谱的能量重心位置得到条纹的归一化频率信息，最终归一化的条纹频率计算公式为：

其中，f_i¹为第i帧条纹图像的归一化频率，G_k为离散频谱的最大值，k表示第k条离散功率谱线，G_k+j为第(k+j)条谱线的值，z为用于能量重心计算所采用的谱线条数。第i帧条纹密度d_i与归一化条纹频率f_i¹之间的计算公式为：

d_i＝f_i¹N/W

其中，N为条纹图像在宽度方向上的像素点数，W为条纹的实际宽度。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。