一种基于视觉的旋转机械振动位移检测方法

本发明涉及一种基于视觉的旋转机械振动位移检测方法，属于机械设备状态监测及图像处理。

背景技术：

1、在旋转机械运行中，振动不仅影响设备的工作状况，还直接关系到其使用寿命，因此，准确测量和监测振动是确保机械系统稳定运行的关键。振动测量在旋转机械领域中扮演着关键角色，通过识别系统参数、监测设备工作状况以及诊断潜在故障，为提高设备运行效率和安全性提供了必要的信息。

2、在振动测量领域，存在接触式和非接触式两种测量方法。接触式测量使用物理附着的传感器，如加速度计和位移传感器，这些传感器布置在测量对象上并连接到上层系统。目前一些非接触测量方式如激光测振仪、涡流传感器能很好地解决接触式测量中存在的问题。这些非接触测量方法虽然避免了质量加载效应，但不同的非接触式方法存在各自的问题，比如这些方法只能测量单点的相应信号，在处理所有接线和仪表时费时费力以及结构局限性等问题。相比之下，另一种非接触式测量方法数码相机则通过透镜将可见光聚焦在光敏元件上，记录光的强度和颜色，并将其数字化为图像，在振动测量中展现了出色的灵活性和高效性，为测量提供了便捷且精确的方案。

3、目前，传统的基于强度的光流方法对噪声和干扰较为敏感，而数字图像相关方法虽然提供了高精度的平滑图案形状，但在计算和图像质量要求上较为严格，无法对亚像素小运动进行提取。基于相位的光流方法是一种新兴的视觉测量方法，可以实现亚像素小运动提取。然而，这些方法在时间复杂度、噪声敏感性和图像质量方面仍面临挑战。因此，为了更有效地应用视觉方法进行旋转机械振动位移检测，需要克服这些问题，提高测量系统的适应性、自动化程度和精度。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本发明提供了一种基于视觉的旋转机械振动位移检测方法，为旋转机械振动测量引入了一种非接触测量方式，在优化时间计算成本和测量精度的同时，为旋转机械振动位移检测提供了一种可靠的解决方案。

2、本发明基于视觉的旋转机械振动位移检测方法如下：

3、1、用工业高速相机对运行中的旋转机械进行拍摄，在帧率1000-6000fps下获得清晰的视频图像；

4、2、对步骤(1)视频中的视频帧进行灰度处理，提取视频帧中第t帧i(x,y,t)与第一帧i(x,y,1)的数据作为一个输入部分，获得n个输入部分；

5、3、用sobel算子识别每个输入部分的边缘区域，并将识别出的区域作为输入区域，对输入区域进行空间滤波，然后提取输入区域中像素点的振动位移δ(x,y,t)，计算输入区域中像素点振动位移的平均值，即得每个输入部分的振动位移；对连续三个输入部分的振动位移用smoothdata函数进行平滑处理后，获得n个输入部分的n个振动位移数据；

6、所述提取输入区域中像素点的振动位移的步骤如下：

7、(1)设置正交gabor滤波器中心频率系数组w与高斯核函数系数组s；

8、(2)分别计算滤波器在水平和垂直方向上的正弦和余弦部分fcx(s)、fcy(s)、fsx(s)与fsy(s)，在水平和垂直方向上分别对输入区域进行卷积计算，得到正弦滤波器结果as(x,y,t)、余弦滤波器结果ac(x,y,t)；

9、(3)对as(x,y,t)与ac(x,y,t)通过反正切运算并进行相位补偿，得到相位φ(x,y,t)，计算像素点的相位差δφ(x,y,t)＝φ(x,y,t)-φ(x,y,1)；

10、(4)通过像素点相位差计算像素点速度v(x,y,t)，将像素点速度v(x,y,t)与帧率相乘，得到输入区域中若干个像素点的振动位移δ(x,y,t)；

11、所述计算输入区域中像素点振动位移的平均值是先计算输入区域中所有像素点的振动位移的平均值和标准差，然后剔除不在平均值和标准差范围中的像素点振动位移数据，再计算剩余像素点振动位移的平均值；

12、4、基于步骤3获得n个振动位移数据，生成时域图、频谱图，根据时域图、频谱图监测旋转机械的运行状态，实现旋转机械的实时诊断。

13、本发明优点和技术效果：

14、本发明基于视觉的旋转机械振动位移检测方法，为旋转机械振动测量引入了一种非接触测量方式，有效地克服了接触式方法中存在的质量加载效应、单点测量限制以及繁琐的仪器安装问题。与此同时，本发明通过选取检测区域与数据处理，在时间计算效率以及测量精度上得到了明显的提高，能够准确地跟踪旋转机械的振动位移，为旋转机械振动位移检测提供了一种先进、可靠的解决方案。

技术特征：

1.一种基于视觉的旋转机械振动位移检测方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于视觉的旋转机械振动位移检测方法，其特征在于，步骤(3)中提取输入区域中像素点的振动位移的步骤如下：

3.根据权利要求1所述的基于视觉的旋转机械振动位移检测方法，其特征在于：步骤(3)计算输入区域中像素点振动位移的平均值是先计算输入区域中所有像素点的振动位移的平均值和标准差，然后剔除不在平均值和标准范围中的像素点振动位移数据，再计算剩余像素点振动位移的平均值。

技术总结
本发明公开了一种基于视觉的旋转机械振动位移检测方法，该方法对高速工业相机采集的机械振动视频进行灰度处理，提取视频帧中第t帧与第一帧的数据作为一个输入部分，用sobel算子识别每个输入部分的边缘区域，并将识别出的区域作为输入区域，对输入区域进行空间滤波，然后提取输入区域中像素点的振动位移，计算平均值即得每个输入部分的振动位移，对连续三个输入部分的振动位移进行平滑处理，生成时域图、频谱图，根据时域图、频谱图监测旋转机械的运行状态，实现旋转机械的实时诊断；本发明方法克服了传统测量方法的一些缺陷，例如质量加载；在排除使用传统传感器进行测量的情况下，能对旋转机械的振动状态进行较为准确的检测，且计算效率高。

技术研发人员：周俊,李聪,伍星,王森,刘韬,蒋逸心
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22