本實用新型涉及光學(xué)測量轉(zhuǎn)動技術(shù)領(lǐng)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。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的測量在一些工程領(lǐng)域具有非常重要的作用和意義，如泵和電機(jī)等轉(zhuǎn)動設(shè)備的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量；這些轉(zhuǎn)動設(shè)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(jī)器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。例如，軸承是轉(zhuǎn)動機(jī)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(jī)械式測量、電氣式測量和光學(xué)測量。機(jī)械式測量方法中的機(jī)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(jī)械的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，這種機(jī)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(shè)備的投入。電氣式測量中可采用如基于磁阻效應(yīng)的磁感應(yīng)傳感器或者靜電傳感器對轉(zhuǎn)軸位置和轉(zhuǎn)速進(jìn)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(jìn)步，基于機(jī)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(jī)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(zhǔn)確度。而且在進(jìn)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(jìn)行采集，才能進(jìn)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(fù)擔(dān)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(jìn)行了解和研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種精確、簡單和高效的非接觸式轉(zhuǎn)速測量裝置意義重大，可以在不增加基于機(jī)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，本實用新型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，測量裝置簡單。

本實用新型采用以下方案實現(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(shè)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(jìn)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(jī)；

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

進(jìn)一步地，所述變密度正弦條紋傳感器為專門設(shè)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)軸圓周表面。

進(jìn)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(jìn)一步地，所述粘貼于轉(zhuǎn)軸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(yīng)，通過計算條紋密度即可獲得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角信息。

進(jìn)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(xué)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(jìn)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貼覆有變密度正弦條紋傳感器的待測轉(zhuǎn)軸表面與轉(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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(shè)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(shè)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。

在本實用新型中，一種基于變密度正弦條紋的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量的實現(xiàn)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(jìn)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(jī)，對條紋信號進(jìn)行處理，計算出轉(zhuǎn)軸的瞬時角速度和轉(zhuǎn)速

附圖說明

圖1是本實用新型實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型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是本實用新型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(jī)，2-數(shù)據(jù)傳輸模塊，3-高速圖像采集模塊，4-光學(xué)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實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是本實用新型實施例的裝置結(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(jī)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(shè)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(jìn)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C(jī)1。

圖2為本實用新型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(yīng)。

圖2是本實用新型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(shè)計不同條紋形式的傳感器，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，但是基于本實用新型的方法進(jìn)行的測量均屬于本實用新型的保護(hù)范圍。

圖3為本實用新型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(xué)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(xué)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(biāo)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(shè)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(shè)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)線條標(biāo)記處成像位置進(jìn)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(jī)的采樣頻率得出所測轉(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(jìn)行連續(xù)成像和記錄；因為高速圖像采集模塊3的位置是固定的，所以在圖像傳感器8中成像正弦條紋信號9的密度也隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而變化；

步驟S3：高速圖像傳輸模塊3將采集到的條紋圖像序列傳輸?shù)接嬎銠C(jī)1，對成像正弦條紋信號9進(jìn)行進(jìn)一步處理，計算出轉(zhuǎn)軸的瞬時角速度和轉(zhuǎn)速。

以上是本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本實用新型技術(shù)方案的范圍時，均屬于本實用新型的保護(hù)范圍。