CN103543163A - 一种图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法，包括如下步骤：在被测机械齿轮的齿根部设有应变片；在齿轮的齿部上设有对射孔洞，对射孔洞的正前方与正后方可接收信号的位置设有激光对射管；在被测机械齿轮动态工作情况下，同步采集所述应变片受碰撞后的形变信号和激光对射管的激光信号，由处理器通过所述形变信号和激光信号的实时监测和同步触发控制，控制高速摄像机进行实时摄像；再根据高速摄像机摄取的图像，分析齿轮碰撞/损伤形变的情况。本发明通过同步采集的外部触发系统控制高速摄像机，能够适时地记录机械齿轮工作形变的动态过程，通过对动态记录中每帧图片进行直观的观察分析，可以清楚、直观地得到齿轮碰撞/损伤形变过程的情况，可信度更高。本发明还提供实现所述方法的系统，具有结构简单、成本低，并且操作可控等优点。

Description

一种图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法及系统

技术领域

本发明涉及图像分析用高速摄像方法及设备，尤其涉及用图像来分析齿轮碰撞或损伤形变发生过程的方法，以及一种同步触发高速摄像系统。

 

背景技术

在大型机械需要齿轮互相耦合带动转动时，由于材料、设计不合理等原因，齿轮用了一段时间就容易出现损伤或断裂。目前分析齿轮碰撞或损伤形变发生过程的方法主要是用传统的机械诊断技术或采用传感器等采集信号进行分析的方法。

但是，传统的机械诊断技术存在以下问题或缺陷：在对许多机械部件进行状态检测及故障诊断时，被检测部件往往不是直接观察和测量的，只能通过远离待测部件的测点来测量带有该部件状态信息的相关信号，这样在待测部件与测点之间就不可避免地存在着传输介质，即存在检测点不精确的问题。故障信号的特征提取是机械诊断技术中的关键问题，而噪声的干扰是影响故障信号特征正确识别的重要因素，机械系统因故障引起的异常信号一般都很微弱，通常被淹没在很强的背景噪声中，即存在的干扰噪声严重影响有效信号识别。另外，从传感器获取的信号往往需要进行转换，由于信号转换或者信号处理产生的延时特性，也造成传统的机械诊断技术的实时检测的准确定和精确度不够。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明解决常规方法检测精度低，获取的结果不直观等问题，提供一种用图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法。

本发明还提供实现上述方法的同步触发高速摄像系统。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在被测机械齿轮的齿根部设有应变片；在齿轮的齿部上设有对射孔洞，对射孔洞的正前方与正后方可接收信号的位置设有激光对射管；

2）在被测机械齿轮啮合工作情况下，同步采集所述应变片受碰撞后的形变信号和激光对射管的激光信号，由处理器通过所述形变信号和激光信号的实时监测和同步触发控制，控制高速摄像机进行实时摄像；

3）再根据高速摄像机摄取的图像，分析齿轮碰撞/损伤形变的情况；

其中，应变片受碰撞后的形变信号设定阈值V，激光对射管的激光信号为穿过对射孔洞的信号。

进一步，所述形变信号和激光信号采用多通道、多激光对管的多路触发信号方式。

进一步，所述应变片和对射孔洞的数量，为1~3个。即在被测齿轮的1~3个齿根部分别设有应变片，和/或在齿轮的1~3个齿部上分别设有对射孔洞，以获取可靠的形变信号和激光信号。

本发明还提供一种同步触发高速摄像系统，包括高速摄像设备，其特征在于，还包括应变片触发电路、激光型光电开关和处理器；处理器同步采集设于被测机械齿轮齿根部的应变片受碰撞后的形变信号，和齿轮齿部两侧激光对射管的激光信号，对高速摄像设备进行摄像控制；

其中，所述应变片的触发电路由依次电连接的应变片、桥电路、调理电路、A/D采样电路、处理器和光耦控制电路构成；应变片碰撞形变的程度表现为其阻值的变化；

所述激光对射管通过机械齿轮孔洞对准后，即齿轮没有发生碰撞，此时控制端为高电平，光耦开关不工作；发生碰撞后，对射激光信号被阻断，此时控制端为低电平，光耦开关给处理器高输出触发信号。

所述高速摄像设备可以采用基恩士的VW6000高速摄像机或类似设备。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过同步采集的外部触发系统控制高速摄像机，能够适时地记录机械齿轮工作形变的动态过程，通过对动态记录中每帧图片进行直观的观察分析，可以清楚、直观地得到结论，可信度更高。

2、本发明通过应变片受碰撞后的形变信号是否到达设定的阈值，以及激光对射管的激光信号是否通过机械齿轮的对射孔洞信号，通过这两种信号的实时监测和同步触发控制，大大提高了本设计方案的可信可靠程度。

3、对于信号传输或者信号处理延时影响检测系统实时性能的问题，本发明采用多次碰撞的平均间隔时间为平均碰撞时间间隔，设定的碰撞次数后经过延时时间校准，能够实现高精度的实时跟踪检测性能。

4、将应变片传感器贴于机械齿轮齿根处，信号检测点就是损伤或者断裂处，形变很明显，同时不会受到碰撞的损坏，应变片的细微形变，都能被桥电路捕捉，通过调理放大，高达16位的高精度AD采样，采集的信号可靠度高；因安装点即为监测点，所以噪声比较传统方案降低很多，同时对采集的信号先进行LMS或者RLS相应的滤波处理，并取多次碰撞采样值的平均值作为平均触发阈值，这样可以严格控制噪声的影响。

 

附图说明

图1是本发明同步触发高速摄像系统实施例1的电路原理方框图。

图2是本发明同步触发高速摄像系统的按键模拟触发示意图。

图3是本发明同步触发高速摄像系统激光型光电开关的电路原理图。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

一种图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法，包括如下步骤：

1）在被测机械齿轮的齿根部设有应变片；在齿轮的齿部上设有对射孔洞，对射孔洞的正前方与正后方可接收信号的位置设有激光对射管；

2）在被测机械齿轮啮合工作情况下，同步采集所述应变片受碰撞后的形变信号和激光对射管的激光信号，由处理器通过所述形变信号和激光信号的实时监测和同步触发控制，控制高速摄像机进行实时摄像；

3）再根据高速摄像机摄取的图像，分析齿轮碰撞/损伤形变的情况；

其中，应变片受碰撞后的形变信号设定阈值V，激光对射管的激光信号为穿过对射孔洞的信号。

对于信号传输或者信号处理延时影响检测系统实时性能的问题，本发明还提出：

1、应变信号S1滤波处理后，取多次碰撞的平均值为平均阈值V1，取多次碰撞的平均间隔时间为平均碰撞时间间隔T1；

2、激光信号S2处理后，平均阈值V2，平均碰撞时间间隔T2；

3、根据测得结果，消除延时的影响，最终实现应变信号和激光信号同步触发高速数字摄像系统。

另外，本发明还可以实现扩展：多通道、多激光对管等多路触发信号的方式。

本发明中，应变片受碰撞后的形变信号是否到达设定的阈值，激光对射管的激光信号是否通过机械齿轮的对射孔洞，通过这两种信号的实时监测和同步触发控制，大大提高了本设计方案的可信可靠程度；对于信号传输或者信号处理延时影响检测系统实时性能的问题，本设计方案采用多次碰撞的平均间隔时间为平均碰撞时间间隔，设定的碰撞次数后经过延时时间校准，能够实现高精度的实时跟踪检测性能。本发明尤其适用于需要齿轮互相耦合的大型机械转动时进行拍照，所谓触发就是给出一个信号启动高速摄像仪拍摄。

参见图1，实现上述方法，本发明还提供具有结构简单、成本低，并且操作可控等优点的同步触发高速摄像系统，它包括高速摄像设备，还包括应变片触发电路、激光型光电开关和处理器；处理器同步采集应变片受碰撞后的形变信号和激光型光电开关的激光信号，对高速摄像设备进行摄像控制。

所述应变片触发电路由依次电连接应变片、桥电路、调理电路、A/D采样电路、处理器和光耦控制电路构成。所述高速摄像设备采用基恩士的VW6000高速摄像设备，当有碰撞发生形变时候，通过设定应变片触发电路输出阈值来触发仪器进行拍照摄像。其中，

应变片：碰撞形变，表现为其阻值的变化；

桥电路：四分之一桥，应变片作为四分之一桥臂；

调理电路：差分电路，抑制共模信号，放大；

A/D采样；FLASH存储；

处理器：碰撞信号的采集、处理；

光耦控制：给摄像机触发信号。

本发明中，将应变片贴于机械齿轮齿根处，优点：形变很明显，同时不会受到碰撞的损坏；应变片的细微形变，都能被桥电路捕捉，通过调理放大，AD采样为16位，精度高。

由于高速碰撞的环境十分复杂，处理器采集到的信号噪声很大，因此存在 ①信号滤波，相应的信号噪声处理算法LMS,RLS，②取多次碰撞采样值的平均值作为触发阈值；另外，采取多通道采样，取各通道的平均值作为各路触发阈值。

处理器完成对应变片信号的采集与处理，光耦控制电路通过接收主控输入值控制外部触发输入输出，当控制电路输出为低电平时，超高速光电摄影系统即实现对应功能（触发、暂停、捕捉等）。通过应变片、桥电路输出阈值信号来控制VW6000的连接端子的外部触发输入引脚TRG IN(触发输入)、PAUS（暂停输入）、CAPT（捕捉输入）从而达到触发拍摄，暂停拍摄，捕捉输入的功能，而对应变片信号的处理及达到相应电气特性的控制电平输入输出则由主控板完成，由此可以满足超高速光电摄影系统的正常工作需要。

参见图2，按键包括1、2、3三档，分别模拟连接端子外部触发输入引脚TRG IN(触发输入)、PAUS（暂停输入）、CAPT（捕捉输入）的触发信号。主控板检测按键1、2、3的触发信号，如果检测不到触发信号，主控板给控制电路发出高电平信号，断开连接端子，超高速光电摄影系统不工作；如果检测到触发信号，则主控板给控制电路的对应通道发送低电平信号，则对应通道的连接端子连接正常，超高速光电摄影系统就可以按照设定的功能工作。

应变触发控制，实现原理类似于开关模拟控制，通过在芯板与外毂的碰撞处标贴应变片，发生碰撞时应变片有一定的形变值，经过信号调理电路转换成电压值，根据电压值的大小、斜率等，主控板对控制电路发出控制信号，控制电路控制超高速光电摄影系统正常工作；当应变片恢复形变或者形变平缓时，控制板可以控制程控电路让超高速光电摄影系统暂停工作，等待下一次的冲击形变。

参见图3，所述激光型光电开关采用激光对射管通过机械齿轮孔洞对准后，即齿轮没有发生碰撞，此时控制端为高电平，光耦开关不工作；发生碰撞后，对射激光信号被阻断，此时控制端为低电平，光耦开关给处理器高输出触发信号。

本发明采用的激光对射管为激光型光电开关，可广泛应适用于机械、化工、造纸、轻工、防盗等行业作限位、定位、检测、计数、测速、人员通过、等其它工业自动化感测用途，性能稳定。与红外线光相比，更精准，发射为可见光，有利于调整，光束小，除可具备红外光电开关性能外，还可检测更小的物体，产品价格易接受。

激光对射开光功耗低，检测距离远，反应速度快，发射的是直线式光束，可检测微小物体，如花生，黄豆，小铁片等，激光束发射的角度小，光束集中且单位光束能量强 ，目标接收激光束的功率密度是红外发光二极管光束的数倍，因而穿透雨、雪、雾、风沙能力强，极大降低了误报率，激光的这些优点使其在工业控制中占据了绝对的优势。

本发明用图像来分析齿轮断裂的形变发生过程借助图像处理的方式来检测、分析齿轮断裂的形变发生过程问题，以为后期优化的齿轮设计提供参考依据。为了设计此系统，必须要同步采集高速齿轮碰撞过程，这个碰撞过程非常快，必须使用高速摄像仪器（高速摄像仪只能采集固定一段时间或固定帧速的图片），而且必须要同步，所谓同步就是在碰撞刚发生的瞬间需要启动拍摄。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在被测机械齿轮的齿根部设有应变片；在齿轮的齿部上设有对射孔洞，对射孔洞的正前方与正后方可接收信号的位置设有激光对射管；

2）在被测机械齿轮动态工作情况下，同步采集所述应变片受碰撞后的形变信号和激光对射管的激光信号，由处理器通过所述形变信号和激光信号的实时监测和同步触发控制，控制高速摄像机进行实时摄像；

3）再根据高速摄像机摄取的图像，分析齿轮碰撞/损伤形变的情况；

其中，应变片受碰撞后的形变信号设定阈值V，激光对射管的激光信号为穿过对射孔洞的信号。

2.根据权利要求1所述图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法，其特征在于，所述形变信号和激光信号采用多通道、多激光对管的多路触发信号方式。

3.根据权利要求1所述图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法，其特征在于，所述应变片和对射孔洞的数量，为1~3个。

4.根据权利要求1所述图像分析齿轮碰撞/损伤形变过程的方法，其特征在于，具体包括：

（1）应变信号S1滤波处理后，取多次碰撞的平均值为平均阈值V1，取多次碰撞的平均间隔时间为平均碰撞时间间隔T1；

（2）激光信号S2处理后，平均阈值V2，平均碰撞时间间隔T2；

（3）根据（1）和（2）测得的结果，采取消除延时的手段，预测下次满足阈值的碰撞发生的时间点，实现应变信号和激光信号同步触发高速数字摄像系统。

5.一种同步触发高速摄像系统，包括高速摄像设备，其特征在于，还包括应变片触发电路、激光型光电开关和处理器；处理器同步采集设于被测机械齿轮齿根部的应变片受碰撞后的形变信号，和齿轮齿部两侧激光对射管的激光信号，对高速摄像设备进行摄像控制；

其中，所述应变片的触发电路由依次电连接的应变片、桥电路、调理电路、A/D采样电路、处理器和光耦控制电路构成；应变片碰撞形变的程度表现为其阻值的变化；

所述激光对射管通过机械齿轮孔洞对准后，即齿轮没有发生碰撞，此时控制端为高电平，光耦开关不工作；发生碰撞后，对射激光信号被阻断，此时控制端为低电平，光耦开关给处理器高输出触发信号。

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