本發(fā)明涉及光學測量轉(zhuǎn)動技術(shù)領域，特別是涉及一種基于變密度正弦條紋的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的測量在一些工程領域具有非常重要的作用和意義，如泵和電機等轉(zhuǎn)動設備的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量；這些轉(zhuǎn)動設備的狀態(tài)信息可以通過測量的轉(zhuǎn)動參數(shù)獲得并可用于機器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。例如，軸承是轉(zhuǎn)動機械中非常重要的一種零件，在長時間的運轉(zhuǎn)下可能造成軸承局部的缺陷，如軸承內(nèi)圈、外圈或者滾子的磨損，這些缺陷將會造成內(nèi)部沖擊或者脈沖振動，而這些缺陷信息可以通過對軸承瞬時轉(zhuǎn)速的特征信號分析獲得。

目前，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量技術(shù)主要分為以下三種：機械式測量、電氣式測量和光學測量。機械式測量方法中的機械式轉(zhuǎn)速計將多齒輪盤安裝在轉(zhuǎn)軸上來測量轉(zhuǎn)動機械的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，這種機械式測量方法一般要求將一些附加的結(jié)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)動裝置上，這樣會造成測量不便并且增加設備的投入。電氣式測量中可采用如基于磁阻效應的磁感應傳感器或者靜電傳感器對轉(zhuǎn)軸位置和轉(zhuǎn)速進行測量，但是電氣式測量方法可能會引入電磁干擾等。近年來，隨著圖像傳感器制造工藝的進步，基于機器視覺的振動和轉(zhuǎn)速測量技術(shù)也快速發(fā)展。這種技術(shù)具有高效率、非接觸，并且不引入附加質(zhì)量的特點。許多研究者提出的基于機器視覺的轉(zhuǎn)速測量方法，這些方法主要是通過不同圖像幀模板圖像的特征匹配和跟蹤算法來獲得轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速信息，測量速度和精度很大程度上取決于圖像匹配算法的速度和準確度。而且在進行圖像采集時需要將測量對象整個測量面內(nèi)的圖像信息進行采集，才能進行局部特征信號的跟蹤匹配。大范圍的圖像采集不僅會使得采集系統(tǒng)負擔加重，而且對圖像信號的傳輸速率也提出了比較高的要求。

因此，在對現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測量方法進行了解和研究的基礎上，設計出一種精確、簡單和高效的非接觸式轉(zhuǎn)速測量裝置和方法意義重大，該種方法可以在不增加基于機器視覺的測量系統(tǒng)硬件成本的情況下實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的實時測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于變密度正弦條紋的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量裝置及方法，該裝置和方法可實現(xiàn)對一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的非接觸測量，測量裝置簡單，速度快，精度高。

本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種基于變密度正弦條紋的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量裝置，包括：

一變密度正弦條紋傳感器，設置于待測轉(zhuǎn)軸圓周表面，用以編碼所述待測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角位置；

一高速圖像采集及傳輸模塊，用以對所述待測轉(zhuǎn)軸上的變密度正弦條紋傳感器進行連續(xù)成像與記錄，并將采集到的條紋圖像信號傳輸至計算機；

一計算機，用以對所述高速圖像采集及傳輸模塊進行控制，并對傳輸?shù)接嬎銠C的條紋圖像信號進行存儲和處理；

一圖像處理軟件模塊，安裝于所述計算機中，用以對所述的條紋圖像信號進行處理，計算轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，并對采集的轉(zhuǎn)速信號進行進一步的分析和處理以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動機械的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

進一步地，所述變密度正弦條紋傳感器為專門設計并打印的輕質(zhì)貼片，所述變密度正弦條紋傳感器輕質(zhì)貼片的正面為條紋圖像，背面為粘性層，并黏貼于所述待測轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)圓周表面。

進一步地，所述變密度正弦條紋傳感器的形狀為長方形，所述變密度正弦條紋傳感器的正面為沿傳感器長度方向正弦條紋密度線性變化的條紋圖像，所述變密度正弦條紋傳感器的長度與所測轉(zhuǎn)軸的周長相等；測量前，將所述長方形變密度正弦條紋傳感器沿長度方向環(huán)貼于轉(zhuǎn)軸圓周表面，以編碼所測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角度。

進一步地，粘貼于轉(zhuǎn)軸表面的所述變密度正弦條紋傳感器的不同條紋密度與轉(zhuǎn)軸0-2π轉(zhuǎn)角內(nèi)的不同角度一一對應，通過計算條紋密度即可獲得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角信息。

進一步地，所述高速圖像采集及傳輸模塊包括高速圖像采集模塊與高速圖像傳輸模塊，所述高速圖像采集模塊包括成像傳感器與光學成像鏡頭，所述高速圖像傳輸模塊包括數(shù)據(jù)傳輸模塊，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊為數(shù)據(jù)線。

進一步地，所述高速圖像采集模塊的采集幀率和成像傳感器采集像素范圍可調(diào)，所述高速圖像采集模塊放置于所述貼覆有變密度正弦條紋傳感器的待測轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)表面與轉(zhuǎn)軸軸心垂直的正前方，以使所述變密度正弦條紋傳感器能夠清晰成像于所述高速圖像采集模塊的成像傳感器中間位置。

進一步地，所述成像傳感器還包括線陣成像傳感器與面陣成像傳感器；當所述成像傳感器為線陣成像傳感器時，能夠節(jié)約裝置的成本。

進一步地，所述成像傳感器為面陣成像傳感器時，所述面陣成像傳感器為成像范圍可調(diào)的面陣成像傳感器，所述面陣成像傳感器將成像寬度設置成適合于所述變密度正弦條紋傳感器的寬度大小，并在成像長度方向設置成一行或者幾行像素，以減小成像條紋圖像的大小，提高傳輸幀率和降低存儲的空間。

本發(fā)明還采用以下方法實現(xiàn)：一種基于變密度正弦條紋的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量方法，包括以下步驟：

步驟S1：在待測轉(zhuǎn)軸上布置好變密度正弦條紋傳感器，并調(diào)整好高速圖像采集模塊的成像位置，使條紋成像于高速圖像采集模塊中成像傳感器的中間位置；

步驟S2：隨著待測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，貼覆其表面的變密度正弦條紋傳感器也隨之轉(zhuǎn)動，采用高速圖像采集模塊對條紋傳感器進行連續(xù)成像和記錄；所述高速圖像采集模塊的位置是固定的，在成像傳感器中成像條紋的密度也隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度的變化而變化；

步驟S3：高速圖像傳輸模塊將采集到的條紋圖像序列傳輸?shù)接嬎銠C，再采用圖像處理軟件模塊進行條紋信號的處理；

步驟S4：圖像處理軟件模塊對每幀圖像中同一位置的條紋信號進行傅立葉變換并采用峰值頻率校正方法對峰值頻率進行精確校正以獲得每幀條紋圖精確的條紋密度信息；

步驟S5：圖像處理軟件模塊通過轉(zhuǎn)角與條紋密度的數(shù)學關(guān)系獲得貼覆有條紋處轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角速度的時域曲線，再通過轉(zhuǎn)動角速度與相機的采樣頻率計算出轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速信號；

步驟S6：通過計算機顯示屏顯示轉(zhuǎn)動測量的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速時域曲線，通過信號分析程序?qū)Φ玫降臅r域曲線作進一步的數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)機器的狀態(tài)監(jiān)測。

進一步地，所述變密度正弦條紋傳感器條紋密度由d_s線性變化到d_e，第i幀條紋密度d_i與轉(zhuǎn)角θ_i之間的數(shù)學關(guān)系式為：

在第i幀條紋圖像時刻轉(zhuǎn)軸瞬時角速度ω_i的數(shù)學計算公式為：

在第i幀圖像時刻轉(zhuǎn)軸瞬時轉(zhuǎn)速n_i的數(shù)學計算公式為：

其中，Δt為高速圖像采集模塊的相鄰兩幀圖像之間的時間間隔，f_s為高速圖像采集模塊對應的采樣頻率。

進一步地，所述條紋信號的條紋密度通過得到的準確條紋頻率和條紋實際寬度W相除得到，所述峰值頻率校正方法為能量重心校正方法，計算時先對條紋信號加歸一化Hanning窗函數(shù)，再通過求取加窗后的條紋信號的歸一化功率譜的能量重心位置得到條紋的歸一化頻率信息，最終歸一化的條紋頻率計算公式為：

其中，f_i¹為第i幀條紋圖像的歸一化頻率，G_k為離散頻譜的最大值，k表示對應第k條離散功率譜線，G_k+j為第(k+j)條譜線的值，z為用于能量重心計算所采用的譜線條數(shù)。第i幀條紋密度d_i與歸一化條紋頻率f_i¹之間的計算公式為：

d_i＝f_i¹N/W

其中，N為條紋圖像在寬度方向上的像素點數(shù)，W為條紋的實際寬度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：(1)可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動參數(shù)進行快速測量，不需要進行如機械式測量系統(tǒng)那種復雜的傳感器布置和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)，也不會產(chǎn)生電氣式測量方法所帶來的電磁干擾。(2)可實現(xiàn)非接觸式轉(zhuǎn)速測量，與現(xiàn)有的基于圖像跟蹤匹配算法的轉(zhuǎn)軸測量方法相比，不需要進行大量的圖像跟蹤匹配運算，提高了系統(tǒng)測量的運算速度。(3)可實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的大幅減小，傳輸幀率的提高?，F(xiàn)有的基于圖像跟蹤匹配算法的轉(zhuǎn)軸測量方法，需要對整個測量軸的圖像信息進行采集，才能進行局部特征信號的跟蹤匹配。大范圍的圖像采集不僅會使得采集系統(tǒng)負擔加重，而且對圖像信號的傳輸也提出了比較高的要求。而本發(fā)明利用條紋密度信息進行轉(zhuǎn)軸角度的編碼，最少只需采集一行像素的條紋信息即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的參數(shù)測量，可以提高圖像傳輸速率和系統(tǒng)采樣頻率，減小圖像的存儲空間。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例中變密度正弦條紋示意圖和條紋密度與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例中高速圖像采集模塊的成像幾何關(guān)系圖及圖像處理流程示意圖。

圖中，1-計算機，2-數(shù)據(jù)傳輸模塊，3-高速圖像采集模塊，4-光學成像鏡頭，5-變密度正弦條紋傳感器，6-待測轉(zhuǎn)軸，7-圖像采集位置及條紋，8-面陣圖像傳感器，9-成像正弦條紋信號。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

圖1是本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實施例提供一種基于變密度正弦條紋的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量裝置，包括變密度正弦條紋傳感器5、高速圖像采集模塊3、數(shù)據(jù)傳輸模塊2、計算機1、圖像處理軟件模塊和所測轉(zhuǎn)軸6。變密度正弦條紋傳感器5，設置于待測轉(zhuǎn)軸6的圓周表面，用于編碼待測轉(zhuǎn)軸6的轉(zhuǎn)角信息。高速圖像采集模塊3，用于對待測轉(zhuǎn)軸6上的變密度正弦條紋傳感器5進行連續(xù)成像和記錄，并將采集到的條紋圖像通過數(shù)據(jù)傳輸模塊2傳輸?shù)接嬎銠C1。安裝于計算機1的圖像處理軟件模塊對每幀圖像中同一行像素的條紋信號進行傅立葉變換并采用峰值頻率校正方法對峰值頻率進行精確校正以獲得每幀條紋圖精確的條紋密度信息。圖像處理軟件模塊再通過轉(zhuǎn)角與條紋密度的線性關(guān)系獲得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角速度的時域曲線，再通過轉(zhuǎn)動角速度與相機的采樣頻率計算出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速信號；最后通過計算器1的顯示屏顯示轉(zhuǎn)動測量的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速時域曲線，通過信號分析程序?qū)Φ玫降臅r域曲線作進一步的數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動機械的狀態(tài)監(jiān)測。

圖2為本發(fā)明實施例中變密度正弦條紋傳感器5的示意圖和條紋密度與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系示意圖。本實施例中，變密度正弦條紋傳感器5的形狀為長方形，變密度正弦條紋傳感器5的正面為沿傳感器長度方向正弦條紋密度線性變化的條紋圖像，變密度正弦條紋傳感器5的長度與所測轉(zhuǎn)軸6的周長相等。測量前，將所述長方形變密度正弦條紋傳感器5沿長度方向環(huán)貼于所測轉(zhuǎn)軸6的圓周表面，剛好使變密度正弦條紋傳感器5完整地環(huán)貼于所測轉(zhuǎn)軸6的表面。變密度正弦條紋傳感器5的正弦條紋密度從d_s線性變化到d_e，所以，粘貼于所測轉(zhuǎn)軸6表面的變密度正弦條紋傳感器不同條紋密度與轉(zhuǎn)軸0-2π轉(zhuǎn)角內(nèi)的不同角度一一對應。

圖2是本發(fā)明實施例中一種用于測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動參數(shù)的變密度正弦條紋傳感器的示意圖。在實際的工程測量中，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點設計不同的條紋形式的傳感器，或者采用在轉(zhuǎn)軸上噴涂條紋等，本專利未列出所有各種不同的條紋形式或者粘貼形式，但是基于本發(fā)明的方法進行的測量均屬于本發(fā)明的保護范圍。

圖3為本發(fā)明實施例中高速圖像采集模塊3的成像幾何關(guān)系圖及圖像處理流程示意圖。本實施例中，高速圖像采集模塊3其主要由光學成像鏡頭4和面陣圖像傳感器8組成。在待測轉(zhuǎn)軸6上布置好變密度正弦條紋傳感器5，并調(diào)整好高速圖像采集模塊3的成像位置和光學成像鏡頭4的焦距，使變密度正弦條紋傳感器5左側(cè)線標記位置的正弦條紋條紋信號7清晰成像于圖像傳感器8的中間位置。將圖像傳感器8的成像寬度設置成適合于變密度正弦條紋傳感器5的寬度，并在成像長度方向設置成一行或者幾行像素，以減小成像條紋圖像的大小，提高傳輸幀率，減小數(shù)據(jù)存儲的空間。隨著待測轉(zhuǎn)軸6的轉(zhuǎn)動，貼覆其表面的變密度正弦條紋傳感器5也隨之轉(zhuǎn)動，高速圖像采集模塊3對變密度正弦條紋傳感器5左側(cè)紅色線條標記處成像位置進行連續(xù)成像和記錄。成像正弦條紋信號9的密度也隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而變化，通過計算成像正弦條紋信號9的條紋密度即可獲得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角信息；再通過獲得的時域轉(zhuǎn)角信號與相機的采樣頻率計算出所測轉(zhuǎn)軸6的轉(zhuǎn)速信號。

本實施例還提供了采用上述裝置的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量方法，如圖1、2和3所示，包括以下步驟：

步驟S1：在待測轉(zhuǎn)軸6上布置好變密度正弦條紋傳感器5，并調(diào)整好高速圖像采集模塊3的成像位置，使條紋成像于高速圖像采集模塊3圖像傳感器8的中間位置；

步驟S2：隨著待測轉(zhuǎn)軸6的轉(zhuǎn)動，貼覆其表面的變密度正弦條紋傳感器5也隨之轉(zhuǎn)動，采用高速圖像采集模塊3對條紋傳感器進行連續(xù)成像和記錄；因為圖像采集模塊3的位置是固定的，所以在圖像傳感器8中成像條紋的密度9也隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而變化；

步驟S3：圖像傳輸模塊3將采集到的條紋圖像序列傳輸?shù)接嬎銠C1，再采用圖像處理軟件模塊進行成像條紋信號9的處理；

步驟S4：圖像處理軟件模塊對每幀圖像中同一行位置的條紋信號進行傅立葉變換并采用頻率校正方法對峰值頻率進行精確校正以獲得每幀條紋圖精確的條紋密度信息；

步驟S4：圖像處理軟件模塊通過轉(zhuǎn)角與條紋密度的線性關(guān)系獲得貼覆有條紋處轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角速度的時域曲線，再通過轉(zhuǎn)動角速度與相機的采樣頻率計算出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速信號；

步驟S5：通過計算機1的顯示屏顯示轉(zhuǎn)動測量的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速時域曲線，通過信號分析程序?qū)Φ玫降霓D(zhuǎn)動參數(shù)時域曲線作進一步的數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)機器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

在本實施例中，如圖3所述變密度正弦條紋傳感器條紋密度由d_s線性變化到d_e，第i幀條紋密度d_i與轉(zhuǎn)角θ_i之間的關(guān)系為：

在本實施例中，在第i幀圖像時刻轉(zhuǎn)軸瞬時角速度ω_i為：

在本實施例中，在第i幀圖像時刻轉(zhuǎn)軸瞬時轉(zhuǎn)速n_i為：

其中，Δt為高速圖像采集模塊的相鄰兩幀圖像之間的時間間隔，f_s為高速圖像采集模塊對應的采樣頻率。

在本實施例中，所述條紋信號的條紋密度通過得到的峰值頻率和條紋實際寬度相除得到，所述峰值頻率頻譜校正方法為能量重心校正方法，計算時先對條紋信號加歸一化Hanning窗函數(shù)，再通過求取加窗后的條紋信號的歸一化功率譜的能量重心位置得到條紋的歸一化頻率信息，最終歸一化的條紋頻率計算公式為：

其中，f_i¹為第i幀條紋圖像的歸一化頻率，G_k為離散頻譜的最大值，k表示第k條離散功率譜線，G_k+j為第(k+j)條譜線的值，z為用于能量重心計算所采用的譜線條數(shù)。第i幀條紋密度d_i與歸一化條紋頻率f_i¹之間的計算公式為：

d_i＝f_i¹N/W

其中，N為條紋圖像在寬度方向上的像素點數(shù)，W為條紋的實際寬度。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。