基于圖像識別技術(shù)的活塞式蓄能器活塞實時位移測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及行程檢測技術(shù)領(lǐng)域，更具體的是指一種活塞式蓄能器活塞位移的測量 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 蓄能器是一種利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)液體蓄積的液壓附件。常被用于吸收液壓 回路中的液流沖擊和脈動，防止液壓管路因沖擊和長期的振動疲勞而破損，也常被用于補 償油液泄漏或者補償因溫度變化而引起的氣體體積變化。蓄能器還可成為一種氣彈簧，用 于衰減車輛或其它機(jī)械設(shè)備所受到的沖擊和振動。為了在兩種不同的介質(zhì)之間傳遞壓力， 如:在水與油之間傳遞壓力，也可以使用蓄能器。用于液壓系統(tǒng)中的蓄能器，缸內(nèi)所分隔的 兩種介質(zhì)一般是氮氣和液壓油。當(dāng)間隙負(fù)荷急降導(dǎo)致油壓遽升時，氮氣體積將被壓縮，更多 的液壓油進(jìn)入蓄能器，如此，既緩沖了油壓遽升，也使多余的能量被氮氣所儲存；當(dāng)負(fù)荷急 升而需油栗能夠栗出更大流量時，蓄能器則可首先向間隙負(fù)荷釋放出大于栗流量的油液， 既阻止了油壓陡跌，又使負(fù)荷急降時所回收的能量可被充分利用。因此，采用了蓄能器的液 壓設(shè)計，更利于液壓系統(tǒng)的小型化，并可節(jié)約能源?；钊叫钅芷饔没钊褂鸵号c氣體實現(xiàn) 隔斷，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，活塞式蓄能器具有比氣囊式蓄能器更高的壓縮比，且能在瞬 間釋放更大的流量。在油壓較高的液壓系統(tǒng)中，壓縮比更高的活塞式蓄能器代表了蓄能技 術(shù)的發(fā)展方向。
[0003] 為了更充分地發(fā)揮活塞式蓄能器的技術(shù)優(yōu)勢，可以通過外部控制裝置精確地控制 蓄能器的進(jìn)出油量，使液壓系統(tǒng)的油壓更趨平穩(wěn)、節(jié)能效益和工作效率更為顯著。為達(dá)到這 一目的，必須對活塞式蓄能器內(nèi)的活塞運狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，獲取活塞的實時位置以及活 塞位于該位置時的即時速度和瞬時加速度，據(jù)此調(diào)節(jié)進(jìn)油出流量，以實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的精密 控制。
[0004] 活塞式蓄能器當(dāng)前采用的活塞位移檢測裝置如圖2所示，這四種裝置的檢測原理 分別是：（1)超聲波測距方法，（2)引出活塞桿方法，（3)張力牽引式檢測方法，（4)磁翻板方 法。新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對活塞的最高運動速度要求是5m/s，當(dāng)活塞達(dá)到這個速度時，0.01s的滯 后即相當(dāng)于引入50mm的測量誤差，當(dāng)活塞運動速度較高時，上述四種方法均存在著一些無 法克服的原理性缺陷，這些缺陷分別是:超聲波在液壓油中的傳播速度約1300m/s，當(dāng)活塞 與超聲波傳感器的距離為3m時，一個超聲脈沖的往返時間約需4.6ms，對于以5m/s速度運動 的活塞，僅因聲波的傳播延遲而導(dǎo)致的位移測量誤差即達(dá)到23mm，而且，由于超聲波發(fā)射/ 接收探頭需承受蓄能器內(nèi)部幾十兆帕的高壓且須留取足夠的安全系數(shù)，這種采用水下航行 器聲納制造技術(shù)制作的窄波束超聲傳感器，價格昂貴。使用引出活塞桿方法時，活塞桿引出 端與其它設(shè)備或建筑之間需要一個與活塞行程等長的留空，空間浪費較大，當(dāng)蓄能器必須 安裝在受限空間內(nèi)時，此測量方法尤不可取，而且，活塞桿引出孔的長期高壓密封也對制造 工藝提出了更高的要求。采用張力牽引式檢測方法時，需要在缸體內(nèi)部安裝拉繩式位移傳 感器，這種傳感器均采用雙衡力彈簧以維持拉繩的張力，在活塞發(fā)生瞬間高速沖擊或者活 塞快速改變運動方向時，因拉繩收放筒存在轉(zhuǎn)動慣性，將使拉繩的張力瞬間消失，導(dǎo)致拉繩 在收放筒上發(fā)生纏繞，傳感失效且無法自行恢復(fù)，而活塞受沖擊的現(xiàn)象和運動方向快速改 變的現(xiàn)象，恰是蓄能器的運行特點。采用磁翻板方法時，需用吊錘維持磁鐵拖拽繩的張力， 活塞受強(qiáng)烈沖擊時的即時速度遠(yuǎn)大于吊錘在自由落體初期的平均速度，如:活塞在0.2s內(nèi) 從初始的靜止位置上沖lm，此時，吊錘才自由下落0.2m，如果活塞此后以5m/s的勻速繼續(xù)運 動，則磁鐵拖拽繩尚需約0.62s才能重新張緊，在重新張緊之前，磁翻板所指示的位置嚴(yán)重 滯后于活塞的實際位置。受上述這些原理性因素的制約，當(dāng)前用于測量活塞式蓄能器活塞 位移的各種檢測裝置均被要求活塞最高運動速度不得超過〇. 5m/s，尚無一種基于圖像識別 技術(shù)的、能從原理上保證高速響應(yīng)的活塞式蓄能器活塞位移實時檢測裝置，也未見公開發(fā) 表的、能夠適應(yīng)活塞式蓄能器內(nèi)部高壓和油霧環(huán)境應(yīng)用的、針對高速運動中的活塞實時位 移測量的可靠方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明公開了一種基于圖像識別技術(shù)的活塞式蓄能器活塞實時位移測量方法?；?于該測量方法所制造的活塞式蓄能器活塞實時位移檢測裝置與現(xiàn)有的各種相同測量用途 的檢測裝置相比，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下六個方面:具有很高的實時性，在活塞高速運動時 也能獲得很好的位移檢測精度;能給出活塞運動的即時速度和瞬時加速度，便于活塞式蓄 能器控制裝置的優(yōu)化控制;定義了一個預(yù)示位移測量結(jié)果所具有的安全裕度的參考量，用 以滿足對可靠性要求十分苛刻的應(yīng)用，如航空用途或軍事用途;給出了一組能衡量蓄能器 缸體內(nèi)部不均勻污染程度和總體污染程度的參考量，當(dāng)缸體內(nèi)部的油氣隔離程度下降時， 可據(jù)此給出預(yù)警；因強(qiáng)烈的沖擊、振動、溫度變化和老化等原因而使光機(jī)零部件發(fā)生松動、 移位時，能夠量化地衡量光機(jī)部件的耐環(huán)境能力;不含運動部件，且結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，在 蓄能器本體的氣液隔離未受破壞的前提下，可以免維護(hù)?；谏鲜鰞?yōu)點的存在，本發(fā)明給出 了一種能夠適應(yīng)活塞式蓄能器內(nèi)部高壓和油霧環(huán)境應(yīng)用的、針對高速運動中的活塞實時位 移測量的可靠方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:在活塞式蓄能器的氣腔側(cè)端蓋上安 裝光源、均光鏡、主透鏡、輔鏡組、影像捕獲組件和影像處理組件，影像捕獲組件內(nèi)有成像器 件(或稱"面陣式光電圖像傳感器"），用反光系數(shù)較小的介質(zhì)在活塞的氣腔側(cè)端面上涂覆一 個環(huán)寬尺寸合理的深黑色同心圓環(huán)，圓環(huán)的外圓與活塞的邊沿相重疊。用閃光源閃照缸體 內(nèi)部，使蓄能器缸體內(nèi)部的反射光通過主透鏡和輔鏡組在成像器件的感光面陣上成像，采 用一種圖像邊緣識別算法，獲取由圓環(huán)狀反射暗區(qū)的內(nèi)、外圓直徑。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)蓄能 器投入運行前所標(biāo)定出的"位置一外徑"關(guān)系多項式，解算出活塞氣腔側(cè)端面在被光源閃照 瞬間相對于成像面的位移值。取用一個歷史時刻的位移值，計算活塞的即時速度和瞬時加 速度，并解算出一個能預(yù)示所測位移值安全裕度的重要參考量和一組能衡量主透鏡和缸體 內(nèi)部受污染程度的參考量，以及一組用以衡量光機(jī)部件耐環(huán)境能力的參考量。
[0007] 本測量方法所依托的物理現(xiàn)象是:活塞式蓄能器內(nèi)的活塞只能在受限空間內(nèi)做一 維方向的直線運動和圍繞其自身中心軸的旋轉(zhuǎn)運動。在其運動方向上，如果從一個固定的 觀測點觀察運動中的活塞，活塞端面的像的邊緣將是一個直徑不斷變化的圓，圓的直徑唯 一地取決于該端面與固定觀測點之間的距離，當(dāng)活塞距離成像面較近時，活塞的像較大，當(dāng) 活塞距離成像面較遠(yuǎn)時，活塞的像較小。蓄能器氣腔側(cè)端蓋的中心是設(shè)立上述固定觀測點 的最佳位置。如果將一個面陣式光電圖像傳感器固定安裝于蓄能器氣腔側(cè)端蓋的中心，并 用反光系數(shù)較小的介質(zhì)在活塞的氣腔側(cè)端面上涂覆出深黑色的某種特征形狀，形成一個反 射暗區(qū)，用一個鏡頭組為成像器件提供縮放倍率合理且像差較小的該反射暗區(qū)的實時影 像，則由于成像器件與蓄能器的氣腔側(cè)端蓋緊固連結(jié)、端蓋與蓄能器缸體緊固連結(jié)，使通過 成像器件和影像處理組件以及固化在影像處理組件內(nèi)的圖像識別軟件在某個時刻所捕獲 的反射暗區(qū)的像的形狀特征參數(shù)將唯一地取決于運動中的活塞的氣腔側(cè)端面在某個時刻 相對于成像器件的成像面的距離，也即，形狀特征參數(shù)與活塞位移S之間存在函數(shù)關(guān)系：
[0008] U=F(s)其中：SN<s<SF (1)
[0009] 式（1)中，U為特征形狀的一個或一組形狀特征參數(shù){ui，U2，···}，F(xiàn)為一個或一組將s 映射到U的函數(shù){fi，f2，…}，SN和SF是位移可測區(qū)間的兩端。
[0010] 進(jìn)一步地:本發(fā)明采用圓環(huán)作為特征形狀，取圓環(huán)像的外圓直徑作為主要特征參 數(shù)，根據(jù)事先標(biāo)定的"位置一外徑"關(guān)系，解算出實時位移值，結(jié)合某個歷史時刻的位移值， 計算出活塞運動的即時速度和瞬時加速度。根據(jù)圓環(huán)像的外徑和內(nèi)徑之比，對測量結(jié)果建 立一個量化的安全裕度預(yù)示值。根據(jù)圖像辨識過程中采集的圓環(huán)像內(nèi)、外徑樣本的離散程 度和聚集程度，量化缸內(nèi)的不均勻油污染程度。根據(jù)不同區(qū)域的平均光強(qiáng)差，量化缸內(nèi)的總 體污染程度。根據(jù)辨識出的圓環(huán)像內(nèi)、外圓圓心位置，量化圓環(huán)像的非對稱畸變程度。根據(jù) 辨識出的圓環(huán)像圓心位置相對于感光面陣中心位置的偏離程度，量化光機(jī)部件的耐環(huán)境能 力。由于蓄能器內(nèi)的活塞運動速度較高，活塞實時位移的測量精度不但受限于感光面陣的 分辨率，也受到成像器件數(shù)據(jù)輸出最高幀率和曝光方式的限制，需采用高分辨率、高幀速的 成像器件，并具有全局快門能力。為實施本測量方法所制作的檢測裝置，采用lOOOfps的工 業(yè)級高速成像器件，含全局快門功能，其感光面陣具有2048 X 2048像素，像元尺寸7.8μπι X 7.8μπι，能輸出28灰度等級的黑白影像。與高速成像器件相配的DSP器件，具有5GFL0PS以上 的32位浮點運算速度。為達(dá)到精確測量之目的，對圖像進(jìn)行足夠的過采樣，且所有與測量精 度有關(guān)的算法均基于圖像的灰度值數(shù)據(jù)。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是:基于本測量方法制作的檢測裝置，能以很好的實時性獲得 活塞式蓄能器內(nèi)活塞的實時位移、即使速度和瞬時加速度，且結(jié)構(gòu)簡潔、安裝方便，對蓄能 器密封的影響很小，整個檢測裝置不存在運動磨損部件，無需重復(fù)標(biāo)定。尤其是：當(dāng)成像器 件的幀率較高時，其所獲位移值的實時性將極其明顯地優(yōu)于本文在前述內(nèi)容中提及的其它 測量方法。蓄能器投運較長時間以后，活塞端面會積累一定程度的油污染，本發(fā)明能預(yù)示所 測實時位移值的安全裕度，能衡量缸內(nèi)的不均勻污染程度和總體污染程度，能衡量主透鏡 受油膜不均勻附著的程度，能衡量光機(jī)部件的耐環(huán)境能力。
【附圖說明】
[0012] 圖1是活塞式蓄能器的基本結(jié)構(gòu)示意和反