专利名称：基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扭矩测量装置，具体是一种基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置。用于机械测试技术领域。
背景技术：
扭矩是旋转动力机械的重要工作参数，在飞机的螺旋桨、坦克和升船机等设备中都有广泛的应用，扭矩测量已成为机械量测量中一个重要组成部分。扭矩测量一般都是根据弹性轴在传递扭矩时所产生的物理参数(如变形、应力和应变)的变化来测量的。根据扭矩测量传感器弹性元件的变形几何参数，物理参数及静力学关系，扭矩测量仪可分为应变型、应力型和变形型，应变型常用的是电阻应变片式，这是接触测量，容易受环境温度的影响。而变形型又可分为光学式、光电式和电磁式等方式。基于光学的扭矩测量仪，一般能够达到较高的测量精度，受温度等环境因素的干扰小。
经文献检索发现，中国专利申请号99103344.2，专利名称激光动态扭矩测量仪。该专利由激光发射接收器、光学反射器、信号检测系统组成，是一种非接触的测量，激光发射接收器发射两束激光照射在反射镜上，反射激光束被激光接收器接收，产生两列光电信号，信号检测系统测量这两列信号的相位差及其周期，微机系统根据这些初始测量数据运算处理得出结果。其不足之处是其一，激光发射接收器必须安装在旋转抽附近，并且两者之间不能有干扰，因此，可能导致机械设备机箱内部不紧凑，或者干扰其他轴；其二，在微机系统中使用的模拟器件复杂，很难保证稳定，测量精度不够高。
发明内容
本发明的目的针对现有技术中存在的上述不足和缺陷，提供一种基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置。本发明直接用CCD(电子耦合器件)获取弹性轴在扭矩作用下的微小变形，通过数字图像的算法实现扭矩测量，提高了测量的精度。
本发明是通过以下的技术方案实现的。本发明包括检测目标、同速跟踪观测系统、图像采集和数字图像处理系统、输入输出系统。其连接关系为同速跟踪观测系统固定在检测目标上，同速跟踪观测系统、图像采集和数字图像处理系统、输入输出系统三者之间通过电缆相连接。同速跟踪观测系统同速跟踪检测目标，图像采集和数字图像处理系统通过同速跟踪观测系统采集目标图像，用数字图像处理算法提取扭矩剪应变角，输入输出系统能改变系统参数，显示检测结果。
检测目标包括目标轴和标志线。标志线是在测试目标轴的某一母线上涂上永久放光物质，发光物质由夜光粉和放射性物质混合而成，当目标轴受到扭矩的作用时产生扭转变形，发光母线将变形成一条螺旋线。
同速跟踪观测系统包括法兰盘、支撑架、柱面透镜和光纤镜头，其连接关系为法兰盘用键与目标轴联接，支撑架固定在法兰盘上，柱面透镜设置于支撑架上，正好在标志线的上方，并保证柱面透镜的焦点轴与目标轴的轴线重合。光纤镜头也设置在支撑架上。当目标轴旋转时，整个同速跟踪观测系统也以相同转速随目标轴旋转，构成相对于目标轴静止的坐标系。
图像采集和数字图像处理系统包括CCD电路板、电缆、滑环、AFE(模拟前端)电路板和数字信号处理器(DSP)电路板。CCD电路板设置在目标轴的一端，滑环固定在目标轴上，CCD电路板的信号线通过滑环用电缆与AFE电路板相连，AFE电路板和数字信号处理器电路板之间用数据线相连。
CCD采集光纤镜头所观测到的目标轴。AFE的功能是向CCD发送驱动信号并将CCD的输出信号进行模拟数字转化。数字信号处理器是该发明装置的大脑，由于它采用改进哈佛结构和流水线技术，运算速度很快，能够完成该发明的图像处理算法。
输入输出系统包括显示器和键盘，显示器和键盘通过数据线与数字信号处理器电路板连接。显示器能动态的显示扭矩的变化，而通过键盘，能够输入目标轴的物理参数，如抗扭矩面模量、剪切弹性模量等。
当目标轴旋转工作时，同速跟踪观测系统同速旋转，目标轴在扭矩的作用下发生弹性变形，标志线变形成螺旋线，由于柱面透镜与目标轴共轴线，根据几何光学原理可以推断标志线在柱面透镜下所成的像变成一条直线。CCD获取光纤镜头所得到的标志线变形图像，通过AFE模数转换，数字信号处理器对数字图像进行一系列处理，用Hough算法检测出图像的标志线，提取扭矩剪应变角γ，根据公式γ=TWG]]>(T——扭矩，W——抗扭矩面模量，G——材料的剪切弹性模量)就可以算出扭矩T，并动态的显示在显示器上。
本发明的优点它是一种非接触的测量，信号以光信号的形式提取，没有经过其它传感器的近似，是基于几何光学的利用几何相似关系对剪应变角进行的测量，所以精度很高。如果本装置的光纤镜头已经确定焦距和观测视野，它的精度就取决于CCD的分辨率。假定观测视野为40mm×40mm的区域，使用1024×768的CCD，测量精度≤±0.4％。由于通过光纤传导而CCD外置，很大程度上避开了外界因素的影响，该发明能应用于各种复杂的工作环境，而且能对运动轴进行扭矩的动态测量，动态的数字显示，具有友好的人机交互特性。
图1本发明总体结构示意图。
图2本发明各组成部分结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括检测目标1、同速跟踪观测系统2、图像采集和数字图像处理系统3、输入输出系统4。其连接关系为同速跟踪观测系统2固定在检测目标1上，同速跟踪观测系统2、图像采集和数字图像处理系统3、输入输出系统4三者之间通过电缆相连接。
如图2所示，检测目标1包括目标轴5和标志线6。标志线6是在测试目标轴5的某一母线上涂上永久发光物质，当目标轴6受到扭矩的作用时产生扭转变形，发光母线将变形成一条螺旋线。
同速跟踪观测系统2包括法兰盘7、支撑架8、柱面透镜9和光纤镜头10，其连接关系为法兰盘7用键与目标轴5联接，支撑架8固定在法兰盘7上，柱面透镜9设置于支撑架8上，正好在标志线6的上方，并保证柱面透镜9的焦点轴与目标轴5的轴线重合，光纤镜头10也设置在支撑架8上。
当目标轴5旋转时，整个同速跟踪观测系统2也以相同转速随目标轴5旋转，构成相对于目标轴5静止的坐标系。
图像采集和数字图像处理系统3包括CCD电路板11、滑环12、电缆13、AFE电路板14和数字信号处理器电路板15。CCD电路板11设置在目标轴5的一端，滑环12固定在目标轴5上，CCD电路板11的信号线通过滑环12用电缆13与AFE电路板14相连，AFE电路板14和数字信号处理器电路板15之间用数据线相连。
输入输出系统4包括显示器16和键盘17，显示器16和键盘17通过数据线与数字信号处理器电路板15连接。
权利要求
1.一种基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，包括检测目标(1)、同速跟踪观测系统(2)、输入输出系统(4)，其特征在于还包括图像采集和数字图像处理系统(3)，同速跟踪观测系统(2)固定在检测目标(1)上，同速跟踪观测系统(2)、图像采集和数字图像处理系统(3)、输入输出系统(4)三者之间通过电缆相连接。
2.根据权利要求1所述的基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，其特征是，所述的检测目标(1)包括目标轴(5)和标志线(6)，标志线(6)是在目标轴(5)的某一母线上涂上永久发光物质，当目标轴(6)受到扭矩的作用时产生扭转变形，发光母线将变形成一条螺旋线。
3.根据权利要求1所述的基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，其特征是，所述的同速跟踪观测系统(2)包括法兰盘(7)、支撑架(8)、柱面透镜(9)和光纤镜头(10)，其连接关系为法兰盘(7)用键与目标轴(5)联接，支撑架(8)固定在法兰盘(7)上，柱面透镜(9)设置于支撑架(8)上，正好在标志线(6)的上方，并保证柱面透镜(9)的焦点轴与目标轴(5)的轴线重合，光纤镜头(10)也设置在支撑架(8)上。
4.根据权利要求2或3所述的基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，其特征是，当目标轴(6)旋转时，整个同速跟踪观测系统(2)也以相同转速随目标轴(6)旋转，构成相对于目标轴(6)静止的坐标系。
5.根据权利要求1所述的基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，其特征是，所述的输入输出系统(4)包括显示器(16)和键盘(17)，显示器(16)和键盘(17)通过数据线与数字信号处理器电路板(15)连接。
6.根据权利要求1所述的基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，其特征是，所述的图像采集和数字图像处理系统(3)包括CCD电路板(11)、滑环(12)、电缆(13)、AFE电路板(14)、数字信号处理器电路板(15)，CCD电路板(11)设置在目标轴(5)的一端，滑环(12)固定在目标轴(5)上，CCD电路板(11)的信号线通过滑环(12)用电缆(13)与AFE电路板(14)相连，AFE电路板(14)和数字信号处理器电路板(15)之间用数据线相连。
全文摘要
一种基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，用于机械测试技术领域。本发明包括检测目标、同速跟踪观测系统、图像采集和数字图像处理系统、输入输出系统。其连接关系为同速跟踪观测系统固定在检测目标上，同速跟踪观测系统、图像采集和数字图像处理系统、输入输出系统三者之间通过电缆相连接。本发明是一种非接触的测量，信号以光信号的形式提取，没有经过其它传感器的近似，是基于几何光学的利用几何相似关系对剪应变角进行的测量，所以精度很高。由于通过光纤传导而CCD外置，很大程度上避开了外界因素的影响，该发明能应用于各种复杂的工作环境，而且能对运动轴进行扭矩的动态测量，动态的数字显示，具有友好的人机交互特性。
文档编号G01L3/00GK1563921SQ20041001719
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月25日 优先权日2004年3月25日
发明者喻再光, 赵群飞 申请人:上海交通大学