本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统及方法、图像处理程序。
背景技术：
旋转机械叶片的叶尖间隙一般是指旋转机械转子叶片与机匣间的径向距离，旋转机械转速一般指的是单位时间内旋转机械绕圆心转动的圈数，叶尖间隙与转速是影响旋转机械性能的两个重要参数。以典型的旋转机械——航空发动机为例，当航空发动机叶尖间隙过大时，压气机的压比下降，耗油量增加，发动机的效率也会大大降低。然而叶尖间隙过小时，由于叶片在高温环境下受热发生膨胀，可能会导致叶尖与机匣内壁之间产生摩擦，造成零部件的损坏，影响发动机的安全；同时，航空发动机转速的大小决定了发动机叶片强度和涡轮前温度的大小，且发动机推力近似与转速的三次方成正比，所以无论是从发动机安全运行方面还是从发动机综合性能上来看，转速都是航空发动机最基本也是较为重要的控制量。综上，合理的设计和监测发动机的叶尖间隙与叶片转速，对于提高发动机性能具有重要意义。目前已有分别将图像处理技术用于旋转机械间隙测量与转速测量上的实例，但普遍存在一些缺点与问题，且目前还没有一种方法可以将基于图像处理技术的间隙测量与转速测量有机结合起来的实例。
中国专利201210455748.1公开了“测量发动机叶尖间隙的方法及其系统”，该方法通过图形采集器拍摄机匣和叶尖的图像，并通过上位机进行数据分析获取该发动机各叶片叶尖同机匣之间的间隙；同时根据安装在转轴上的角度传感器，也适时测出相关间隙值对应的角度信息；最后根据相机标定信息，完成像素点与物理距离之间的转换。但是该方法需要两个传感器，即相机与角速度传感器。其中角速度传感器安装在轴上，为接触式测量，存在一些问题，且角速度传感器仅适用低转速范围，无法测量高转速物体；不同传感器之间若发生通讯故障，或通信速率不同，则无法确定测量出的间隙值的角度信息；且该方法仅针对间隙测量。
中国专利200610029122.9公开了“基于计算机视觉的转速测量装置”，该方法通过视觉采集装置采集安装在测速平台上被测物体的运动模糊图像，并将所获得的模糊图像信息传送计算机系统。通过对模糊图像进行运动降维处理、时频变换、频谱分析、运动参数获取等操作，提取出被测物体的转速值。但是该方法仅适用于转速较低的情况，根据香农采样定律，当被测物体转速较高时，该方法测量会产生失真；且该方法仅针对转速测量。
由于旋转机械转子高频图像包含转子叶尖间隙与转子转速在内的大量信息，所以开发一种基于图像处理技术的旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统是可行的。通过对单帧图像的处理，可以提取转子叶尖间隙的相关信息；通过对一系列带有时间标识图像的处理，可以提取转子转速的相关信息。为了减少旋转机械传感器数量与重量，实现单一传感器测量多种变量的目标，发明了一种基于图像处理技术的旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提供一种基于图像处理技术的旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统及方法、图像处理程序，可以仅利用一台高频图像采集器，同时测量旋转机械叶尖间隙与转速。其结构简单，安装使用方便，测量精度高，可以用于实时测量旋转机械叶尖间隙与转速，发展前景广阔。
本发明为实现上述目的采用以下技术方案：
一种旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统，包括图像采集器、图像采集卡、图像处理单元；所述图像采集器用以采集旋转叶片叶尖部分与机匣的实时图像，并传输至图像采集卡；所述图像采集卡用于将接收到的信号转换为数字信号，并传输至图像处理单元；所述图像处理单元用于对接收到的图像进行图像处理与计算，同时得出被测旋转叶轮叶尖间隙与叶片转速。
优选的，所述图像采集器的采样频率满足香农采样定理，即每秒至少可采集
优选的，所述图像处理单元包括图像采集与预处理模块、转速测量模块、间隙测量模块；所述图像采集与预处理模块将图像采集器采集到的每一帧rgb图像转换为灰度图像，并取特定像素点在每一帧灰度图像中的灰度值与图像采集与预处理模块接收到该帧灰度图像的时间组成数据队列，所述特定像素点为图像采集器采集图像中叶片叶尖部分的任一像素点，并将此数据队列发送到转速测量模块；所述转速测量模块对接收到的数据队列进行处理和计算，获取旋转机械的转速值；所述图像采集与预处理模块实时监听图像采集与预处理模块与转速测量模块之间的通信，当灰度值突变时，通信队列触发，图像采集与预处理模块将当前采集到的单帧灰度图像发送到间隙测量模块；所述间隙测量模块对接收到的单帧灰度图像进行处理和计算，得出间隙的物理宽度。
优选的，所述图像处理单元还包括图像显示模块；所述图像采集与预处理模块实时传输采集到的图像至图像显示模块，所述转速测量模块将计算得出的转速值发送到图像显示模块，所述间隙测量模块将计算得出的间隙物理宽度发送到图像显示模块；所述图像显示模块显示包含间隙位置、物理宽度，转速信息的视频图像。
一种旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量方法，包括如下步骤：
步骤1：所述图像采集器标定间隙的物理宽度与间隙宽度的像素值之间的对应关系得到标定信息；
步骤2：所述图像采集器采集旋转叶片叶尖部分与机匣实时图像，并传输至图像采集卡；
步骤3：所述图像采集卡将接收到的信号转换为数字信号，并传输至图像采集与预处理模块；
步骤4：所述图像采集与预处理模块将图像采集器采集到每一帧rgb图像转换为灰度图像，并取特定像素点在每一帧灰度图像中的灰度值与图像采集与预处理模块接收到该帧灰度图像的时间组成数据队列，并将此数据队列发送到转速测量模块；
步骤5：所述转速测量模块对接收到的数据进行处理和计算，获取旋转机械的转速值；
步骤6：图像采集与预处理模块实时监听图像采集与预处理模块与转速测量模块之间的通信，当灰度值突变时，通信队列触发，图像采集与预处理模块将当前采集到的单帧灰度图像发送到间隙测量模块，所述间隙测量模块对接收到的单帧灰度图像进行处理和计算，得出间隙宽度的像素值，然后图像采集与预处理模块访问所述图像采集器获得标定信息，找到间隙宽度的像素值对应的间隙的物理宽度，从而得出间隙的物理宽度。
优选的，步骤5中所述转速测量模块计算转速的步骤包括：
步骤5.1：设定每t时刻更新一次转速值，将图像采集与预处理模块发送的数据队列分隔为时间长度为t的数组[(ha,ta),(ha+1,ta+1),…,(hb,tb)]，其中tb-ta≈t；
步骤5.2：将上述数组中的灰度值提取，组成灰度数组[ha,ha+1,…,hb]；
步骤5.3：取采样时间为
步骤5.4：根据频率f与叶片数x得出转速值n，
优选的，步骤6中所述间隙测量模块计算叶尖间隙的物理宽度的步骤包括：
步骤6.1：对单帧灰度图像进行降噪处理，得到信噪比较高的图像；
步骤6.2：对图像进行边缘提取，得到边缘图像；
步骤6.3：对边缘图像进行hough变换(霍夫变换)，不断提高hough变换的阈值，直至hough变换仅返回两条平行或近似平行的直线；
步骤6.4：根据hough变换返回的直线信息，计算间隙的像素值；
hough变换返回直线的信息：[[dl1,θl1],[dl2,θl2]]
d为截距，单位为像素值，θ为角度；下标l1为第一条直线，下标l2为第二条直线。
则像素值为：
其中：δθ＝θl1-θl2。
步骤6.5：根据所述标定信息找到间隙的像素值对应的间隙的物理宽度，即得出间隙的物理宽度。
一种图像处理程序，包括主进程、图像采集与预处理子进程、转速测量子进程、间隙测量子进程；所述主进程创建各子进程，以及各子进程间通信队列；所述图像采集与预处理子进程将所接收的每一帧rgb图像转换为灰度图像，并取特定像素点在每一帧灰度图像中的灰度值与图像采集与预处理子进程接收该帧灰度图像的时间组成数据队列，并将此数据队列发送到转速测量子进程；所述转速测量子进程对接收到的数据进行快速傅里叶变换，获取频率值，并进行频率-转速转换，获取旋转机械的转速值；所述图像采集与预处理子进程实时监听图像采集与预处理子进程与转速测量子进程之间的通信，当灰度值突变时，通信队列触发，图像采集与预处理子进程将当前采集到的单帧灰度图像发送到间隙测量子进程；所述间隙测量子进程对接收到的单帧灰度图像进行降噪、边缘提取、hough变换等处理，首先计算出间隙的像素值，然后结合间隙的像素值与间隙的物理宽度之间的对应关系得出间隙的物理宽度。
优选的，还包括图像显示子进程；所述图像采集与预处理子进程、转速测量子进程、间隙测量子进程与所述图像显示子进程之间的通信分别为：图像采集与预处理子进程实时传输采集到的图像至图像显示子进程，所述转速测量子进程将计算得出的转速值发送到图像显示子进程，所述间隙测量子进程将计算得出的间隙物理宽度发送到图像显示子进程；所述图像显示子进程显示包含间隙位置、物理宽度、转速信息的视频图像。
有益效果：
一是本发明为基于图像处理技术的旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统，可以仅利用一台高频图像采集器，同时测量旋转机械叶尖间隙与转速，减少了旋转机械传感器数量与重量，实现单一传感器测量多种变量的目标。
二是运用本发明计算机图像处理程序采用了多进程的运行方式，一方面，多进程运行方式可以最大限度的利用计算机处理器的计算能力，能极大提高图像处理的速度，同时也为多处理器并行计算提供便利；另一方面，多进程的运行方式有利于图像处理程序的拓展应用，例如若在叶尖间隙与叶片转速测量的基础上拓展叶片振动测量，则仅需编写叶片振动测量的子进程，并定义好接口与通信队列，即可直接加入到计算机图像处理程序中。
三是本发明可以在计算机上实时显示被测叶盘的图像，使用者可以监视被测叶盘的运行情况，若发生意外，使用者可以通过实时显示的图像进行初步故障诊断。
附图说明
图1是图像采集结构示意图。
图2是计算机图像处理程序结构图。
附图1中，各标号所代表的部件列表如下：
1：计算机；2：图像采集卡；3：高频图像采集器；4：旋转机械机匣；5：旋转机械叶片；6：数据线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1示出了本发明图像采集结构示意图，包括：高频图像采集器3，所述高频图像采集器3可以为ccd摄像头，也可以为其它类型的图像采集器，高频图像采集器3用于采集旋转机械旋转叶片与机匣的高频图像；图像采集卡2，所述图像采集卡2将高频图像采集器3采集到的图像转换为数字信号，并通过计算机总线实时传输至计算机1进行下一步处理。
具体实施时，首先安装好高频图像采集器，进行相关初始参数的设置，确保高频图像采集器能够获得清晰的图像，计算机能够接收到图像采集卡转换后的数字信号；再对高频图像采集器进行标定，得到像素点与物理距离之间的关系。物理距离指的是间隙(叶片顶部与机匣之间的间隙)的物理宽度。例如，当物理间隙分别为1mm、2mm、3mm、…时，在高频图像采集器采集到的图像中，间隙宽度的像素值分别为20、40、60、…。则可根据此关系得出标定信息。
图2示出了本发明计算机图像处理程序结构图，如图2所示，计算机图像处理程序主进程创建各子进程与进程间通信队列。所示子进程①为图像采集与预处理子进程，用于驱动高频图像采集器获取高频图像，并对高频图像进行简单预处理；所示子进程②为转速测量子进程，用于对接收到的数据进行快速傅里叶变换，获取频率值，并进行频率-转速转换，获取旋转机械的转速值；所示子进程③为间隙测量子进程，用于对接收到的单帧图像进行降噪、边缘提取、hough变换等处理，首先计算出间隙的像素值，然后结合标定信息换算得出间隙的物理宽度；所示子进程④为图像显示子进程，用于显示包含间隙位置、物理宽度，转速信息的视频图像。
各个子进程详细说明如下：
1.图像采集与预处理子进程
图像采集与预处理子进程用于开启计算机数据端口，接受由图像采集卡传输至计算机的图像数字信号。图像采集与预处理子进程接收到的图像格式为rgb格式。由于间隙与叶片和机匣边缘、叶片边缘与叶片表面在灰度图像中的灰度值相差较大，且计算机处理灰度图像速度远比处理rgb图像快，所以图像采集与预处理子程序首先将图像由rgb格式转化为灰度格式。图像采集与预处理子进程接收图像的同时，记录接受图像时的精确系统时间，并与图像保存在同一个数组中。
图像采集与预处理子进程与其他各子进程均有通信。图像采集与预处理子进程与转速测量子进程通信时，将特定像素点在每一帧图像中的灰度值与每一帧图像对应的系统时间组成数据队列，发送至转速测量子进程。例如，第i帧选定像素点灰度值为hi，图像采集与预处理子进程接受第i帧图像时，记录的系统时间为ti，则图像采集与预处理子进程传输至转速测量子进程的数据格式为：[(h1,t1),(h2,t2),…,(hi,ti),…]；图像采集与预处理子进程与间隙测量子进程通信时，图像采集与预处理子进程实时监听图像采集与预处理子进程与转速测量子进程之间的通信，当灰度值突变时，通信队列触发，图像采集与预处理子进程将当前采集到的单帧灰度图像发送到间隙测量子进程；图像采集与预处理子进程与图像显示子进程通信时，图像采集与预处理子进程将高频图像采集器采集到的灰度格式图像直接发送至图像显示子进程。
2.转速测量子进程
转速测量子进程接收图像采集与预处理子进程发送的[(h1,t1),(h2,t2),…,(hi,ti),…]格式的数据。若使用者设定每t时刻更新一次转速值，则转速测量子进程计算转速方法如下：首先，将图像采集与预处理子进程发送的数据分隔为时间长度为t的数组[(ha,ta),(ha+1,ta+1),…,(hb,tb)]，其中tb-ta≈t；其次，将上述数组中的灰度值提取，组成新的数组[ha,ha+1,…,hb]；然后取采样时间为
转速测量子进程与图像显示子进程通信时，每隔t时刻，转速测量子进程将计算得出的转速值发送至图像显示子进程。
3.间隙测量子进程
当图像采集与预处理子进程发送至转速测量子进程的灰度值发生突变时，即hi+1-hi＞hset时(hset为经验参数，需要手动设置)，间隙测量子进程接收图像采集与预处理子进程发来的单帧图像，并将标志位自加1，当标志位大于叶片数时，标志位置为1。标志位的作用为确定单帧图像对应的叶片，例如，当图像采集与预处理子进程发来的单帧图像后，标志位的值为k，则此单帧图像对应第k号叶片。间隙测量子进程利用单帧灰度图像计算叶尖间隙的步骤如下：首先，对图像进行降噪处理，得到信噪比较高的图像；其次，对图像进行边缘提取，得到边缘图像；接着，利用hough变换，不断提高hough变换的阈值，直至hough变换仅返回两条平行或近似平行的直线；然后根据hough变换返回的直线信息，计算间隙的像素值；最后根据间隙的像素值与高频图像采集器的标定信息，计算得出间隙的物理宽度。
hough变换返回的两条直线的物理含义即为间隙的两条边界线。hough变换返回的两条直线信息包括两条直线分别的截距和角度，其中直线的截距以像素点为单位。结合两条直线的角度信息，即可根据截距信息得出两条直线间的像素值。
hough变换返回直线的信息：[[dl1,θl1],[dl2,θl2]]
d为截距，单位为像素值，θ为角度；下标l1为第一条直线，下标l2为第二条直线。
像素值为：
其中：δθ＝θl1-θl2
通常情况下θl1≈θl2，即δθ≈0，
间隙测量子进程与图像显示子进程通信时，间隙测量子进程将hough变换返回的直线信息与计算出的物理宽度发送至图像显示子进程。
4.图像显示子进程
图像显示子进程从图像采集与预处理子进程获取高频图像采集器采集到的实时图像，从转速测量子进程获取转速值，从间隙测量子进程获取直线位置信息与物理宽度。图像显示子进程的主要作用为，将从其他子进程接收到的信息显示在计算机显示器上。
以上实施例公开的技术方案，可仅使用单个高频图像采集器，同时在线测量旋转机械叶尖间隙与叶片转速，对于减轻旋转机械附件重量，保证旋转机械安全稳定运行，提高旋转机械的效率具有重要意义。但并不限于此，即以上所述仅为本发明的技术思想，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。