CN104535787A - 基于单摄像头的动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量方法。在无负载的前提下,同步采集一组图像序列S1-Sn;加载负载后,同步采集一组图像序列A1-Am;取A1-Am中任何一帧图像Ai,对Ai与参考图集S1-Sn相关运算,得到相关性最高的参考图像,记为Si;在Si同一纵坐标处选择距离较远两点P0、Q0处的两个子区,通过相关计算,分别计算两点在Ai中对应的位置P0’(x’0,y’0)、Q’0(x’1,y’1),得到Ai两端在应变前后的整像素位移扭转角扭矩通过获得。本发明具有较高精度,结构简单。
Description
技术领域:
本发明涉及动力装置中轴物理参数的测量方法,进一步涉及动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量方法。
背景技术:
在动力机械中,轴扭矩是反映机械设备动态性能最典型的机械量之一。然而,由于轴质地坚硬,扭矩作用下转轴的应变位移非常微小,对转轴扭矩的测量一直是研究的难点。目前扭矩测量主要分为两个方向,一个是测量轴两端的扭转角位移,这类方法同时可以测量转速信号,但由于这类方法需要轴两端有较大的扭转角,一般适用于长轴扭矩测量。对短轴的扭矩测量,现有方法主要是测量轴上应力应变,如将电阻应变片贴在轴表面,使用磁致伸缩材料,通过将这些应变敏感材料敷在轴表面,检测材料相应的物理量变化来反映扭矩,但该类方法同时需要额外的转速传感器。因此,需要一种非接触式的动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量方法。
发明内容:
本发明的目的在于提供一种动力装置的轴扭矩、转速、功率瞬时测量方法,该方法是非接触式的,对环境要求低,方便安装。为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
基于单摄像头的动力装置轴扭矩、转速、功率测量方法,动力装置4、传动轴6、负载5依次相连;
在传动轴外周面,布置一圈随机标识图案;在随机标识图案处布置对应的摄像头2;摄像头与上位机1相连,上位机内分布图像存储单元,存储摄像头图像数据,且包含拍摄时间信息;工作过程如下:
(一)转速测量:
θ值是灰度值稳定的转角,该值确定,以及每转动θ所对应的轴表面图像位移m像素点确定;
在无负载的前提下,开启摄像头采集传动轴在0-2π转角范围的一组图像序列,存储为参考图集,记为:S1-Sn;
加载负载后,开启摄像头连续采集应变后的轴表面图像,记为A1-Aj;Δt为相邻两帧图像采样时间间隔,取其中ti时刻图像Ai,与参考图像序列S1-Sn相关运算,得到相关度最高的参考图像,记为Si,相应中心点的像素位移记为ui;取ti+1时刻的图像Ai+1,与参考图像序列S1~Sn进行相关运算,得到相关度最高的参考图像Sj,相应中心点的像素位移记为uj;因此在ti+1-ti内传动轴转过像素位移Δu为:
Δu=(j-i)·m+(uj-ui)
相应转速r为:
(二)扭矩测量:
在无负载的前提下,开启摄像头,采集传动轴在0-2π转角范围的图像序列,作为参考图集,记为:S1-Sn;
加载负载后,开启摄像头,采集传动轴的一组图像序列,作为采集图集,记为:A1-Am;
取A1-Am中任何一帧图像Ai,对Ai与参考图集S1-Sn相关运算,得到相关性最高的参考图像,记为Si;
在图像Si和Ai内建立直角坐标系,以传动轴轴线的平行线方向为横坐标,以传动轴转动方向为纵坐标;在Si同一纵坐标y0处选择距离较远两点P0(x0,y0)、Q0(x1,y0)处的两个子区,通过相关计算,分别计算两点在Ai中对应的位置P0 ’(x’0,y’0)、Q’0(x’1,y’1),得到Ai两端在应变前后的整像素位移
(u,v)=(x’0-x0-x’1+x1,y’1-y’0)
进一步计算得到亚像素级别位移(Δu,Δv),然后得到像素位移(u+Δu,v+Δv)对应的实际位移扭转角根据静力学原理,对于两测量点相距为l=x1-x0,d为传动轴的直径,其扭矩为:
式中G为传动轴材料的剪切弹性模量;
(三)功率测量:
有了扭矩和转速值后就可以计算轴功率的大小:
P=(M/r)*(πr*n/30)=(M*π*n)/30
功率单位为瓦,n为传动轴的转速。
作为优选方案之一,在摄像头附近安置一对环形LED光源3,为摄像头提供光照。
作为优选方案之二,所述随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆,形成随机分布的离散斑点,即形成人工数字散斑场。
本发明相对于现有技术,具有如下优点:
本发明公开的一种非接触式动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量方法,该方法具有较高精度,结构简单,安装方便,无需拆开被测轴的安装结构,能够完成对动力机械轴功率的实时监测。
附图说明:
图1是本发明测量方法所使用装置的结构示意图。图中,1代表上位机,2代表摄像头,3代表环形LED光源,4代表动力装置,5代表负载,6代表传动轴。
具体实施方式:
结合图1,说明本发明的实施过程:
基于单摄像头的动力装置轴扭矩、转速、功率测量方法,动力装置4、传动轴6、负载5依次相连;
在传动轴外周面,布置一圈随机标识图案,上述随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆,形成随机分布的离散斑点,即人工数字散斑场;在随机标识图案处布置对应的摄像头2,在摄像头附近安置一对环形LED光源3,为摄像头提供光照;摄像头与上位机1相连,上位机内分布图像存储单元,存储摄像头图像数据,且包含拍摄时间信息;上位机采用工业计算机,摄像头采用高速的CCD摄像机;工作过程如下:
(一)转速测量:
θ值是灰度值稳定的转角,该值确定,以及每转动θ所对应的轴表面图像位移m像素点确定;
在无负载的前提下,开启摄像头采集传动轴在0-2π转角范围的一组图像序列,存储为参考图集,记为:S1-Sn;
加载负载后,开启摄像头连续采集应变后的轴表面图像,记为A1-Aj;Δt为相邻两帧图像采样时间间隔,取其中ti时刻图像Ai,与参考图像序列S1-Sn相关运算,得到相关度最高的参考图像,记为Si,相应中心点的像素位移记为ui;取ti+1时刻的图像Ai+1,与参考图像序列S1~Sn进行相关运算,得到相关度最高的参考图像Sj,相应中心点的像素位移记为uj;因此在ti+1-ti内传动轴转过像素位移Δu为:
Δu=(j-i)·m+(uj-ui)
相应转速r为:
(二)扭矩测量:
在无负载的前提下,开启摄像头,采集传动轴在0-2π转角范围的图像序列,作为参考图集,记为:S1-Sn;
加载负载后,开启摄像头,采集传动轴的一组图像序列,作为采集图集,记为:A1-Am;
取A1-Am中任何一帧图像Ai,对Ai与参考图集S1-Sn相关运算,得到相关性最高的参考图像,记为Si;
在图像Si和Ai内建立直角坐标系,以传动轴轴线的平行线方向为横坐标,以传动轴转动方向为纵坐标;在Si同一纵坐标y0处选择距离较远两点P0(x0,y0)、Q0(x1,y0)处的两个子区,通过相关计算,分别计算两点在Ai中对应的位置P0 ’(x’0,y’0)、Q’0(x’1,y’1),得到Ai两端在应变前后的整像素位移
(u,v)=(x’0-x0-x’1+x1,y’1-y’0)
进一步计算得到亚像素级别位移(Δu,Δv),然后得到像素位移(u+Δu,v+Δv)对应的实际位移扭转角根据静力学原理,对于两测量点相距为l=x1-x0,d为传动轴的直径,其扭矩为:
式中G为传动轴材料的剪切弹性模量;
(三)功率测量:
有了扭矩和转速值后就可以计算轴功率的大小:
P=(M/r)*(πr*n/30)=(M*π*n)/30
功率单位为瓦,n为传动轴的转速。
Claims (9)
1.基于单摄像头的动力装置轴扭矩测量方法,动力装置(4)、传动轴(6)、负载(5)依次相连;其特征在于:
在传动轴外周面,布置一圈随机标识图案;在随机标识图案处布置对应的摄像头(2);摄像头与上位机(1)相连,上位机内分布图像存储单元,存储摄像头图像数据,且包含拍摄时间信息;工作过程如下:
在无负载的前提下,开启摄像头,采集传动轴在0-2π转角范围的图像序列,作为参考图集,记为:S1-Sn;
加载负载后,开启摄像头,采集传动轴的一组图像序列,作为采集图集,记为:A1-Am;
取A1-Am中任何一帧图像Ai,对Ai与参考图集S1-Sn相关运算,得到相关性最高的参考图像,记为Si;
在图像Si和Ai内建立直角坐标系,以传动轴轴线的平行线方向为横坐标,以传动轴转动方向为纵坐标;在Si同一纵坐标y0处选择距离较远两点P0(x0,y0)、Q0(x1,y0)处的两个子区,通过相关计算,分别计算两点在Ai中对应的位置P0’(x’0,y’0)、Q’0(x’1,y’1),得到Ai两端在应变前后的整像素位移
(u,v)=(x’0-x0-x’1+x1,y’1-y’0)
进一步计算得到亚像素级别位移(Δu,Δv),然后得到像素位移(u+Δu,v+Δv)对应的实际位移扭转角根据静力学原理,对于两测量点相距为l=x1-x0,d为传动轴的直径,其扭矩为:
式中G为传动轴材料的剪切弹性模量。
2.根据权利要求1所述基于单摄像头的动力装置轴扭矩测量方法,其特征在于:
在摄像头附近安置一对环形LED光源(3),为摄像头提供光照。
3.根据权利要求1所述基于单摄像头的动力装置轴扭矩测量方法,其特征在于,所述随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆,形成随机分布的离散斑点,即形成人工数字散斑场。
4.基于单摄像头的动力装置轴转速测量方法,动力装置(4)、传动轴(6)、负载(5)依次相连;其特征在于:
在传动轴外周面,布置一圈随机标识图案;在随机标识图案处布置对应的摄像头(2);摄像头与上位机(1)相连,上位机内分布图像存储单元,存储摄像头图像数据,且包含拍摄时间信息;工作过程如下:
θ值是灰度值稳定的转角,该值确定,以及每转动θ所对应的轴表面图像位移m像素点确定;
在无负载的前提下,开启摄像头采集传动轴在0-2π转角范围的一组图像序列,存储为参考图集,记为:S1-Sn;
加载负载后,开启摄像头连续采集应变后的轴表面图像,记为A1-Aj;Δt为相邻两帧图像采样时间间隔,取其中ti时刻图像Ai,与参考图像序列S1-Sn相关运算,得到相关度最高的参考图像,记为Si,相应中心点的像素位移记为ui;取ti+1时刻的图像Ai+1,与参考图像序列S1~Sn进行相关运算,得到相关度最高的参考图像Sj,相应中心点的像素位移记为uj;因此在ti+1-ti内传动轴转过像素位移Δu为:
Δu=(j-i)·m+(uj-ui)
相应转速r为:
5.根据权利要求4所述基于单摄像头的动力装置轴转速测量方法,其特征在于:
在摄像头附近安置一对环形LED光源(3),为摄像头提供光照。
6.根据权利要求4所述基于单摄像头的动力装置轴转速测量方法,其特征在于,所述随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆,形成随机分布的离散斑点,即形成人工数字散斑场。
7.基于单摄像头的动力装置轴功率测量方法,动力装置(4)、传动轴(6)、负载(5)依次相连;其特征在于:
在传动轴外周面,布置一圈随机标识图案;在随机标识图案处布置对应的摄像头(2);摄像头与上位机(1)相连,上位机内分布图像存储单元,存储摄像头图像数据,且包含拍摄时间信息;工作过程如下:
(一)转速测量:
θ值确定,以及每转动θ所对应的轴表面图像位移m像素点确定;
在无负载的前提下,开启摄像头采集传动轴在0-2π转角范围的一组图像序列,存储为参考图集,记为:S1-Sn;
加载负载后,开启摄像头连续采集应变后的轴表面图像,记为A1-Aj;Δt为相邻两帧图像采样时间间隔,取其中ti时刻图像Ai,与参考图像序列S1-Sn相关运算,得到相关度最高的参考图像,记为Si,相应中心点的像素位移记为ui;取ti+1时刻的图像Ai+1,与参考图像序列S1~Sn进行相关运算,得到相关度最高的参考图像Sj,相应中心点的像素位移记为uj;因此在ti+1-ti内传动轴转过像素位移Δu为:
Δu=(j-i)·m+(uj-ui)
相应转速r为:
(二)扭矩测量:
在无负载的前提下,开启摄像头,采集传动轴在0-2π转角范围的图像序列,作为参考图集,记为:S1-Sn;
加载负载后,开启摄像头,采集传动轴的一组图像序列,作为采集图集,记为:A1-Am;
取A1-Am中任何一帧图像Ai,对Ai与参考图集S1-Sn相关运算,得到相关性最高的参考图像,记为Si;
在图像Si和Ai内建立直角坐标系,以传动轴轴线的平行线方向为横坐标,以传动轴转动方向为纵坐标;在Si同一纵坐标y0处选择距离较远两点P0(x0,y0)、Q0(x1,y0)处的两个子区,通过相关计算,分别计算两点在Ai中对应的位置P0’(x’0,y’0)、Q’0(x’1,y’1),得到Ai两端在应变前后的整像素位移
(u,v)=(x’0-x0-x’1+x1,y’1-y’0)
进一步计算得到亚像素级别位移(Δu,Δv),然后得到像素位移(u+Δu,v+Δv)对应的实际位移扭转角根据静力学原理,对于两测量点相距为l=x1-x0,d为传动轴的直径,其扭矩为:
式中G为传动轴材料的剪切弹性模量;
(三)功率测量:
有了扭矩和转速值后就可以计算轴功率的大小:
P=(M/r)*(πr*n/30)=(M*π*n)/30
功率单位为瓦,n为传动轴的转速。
8.根据权利要求7所述基于单摄像头的动力装置轴功率测量方法,其特征在于:
在摄像头附近安置一对环形LED光源(3),为摄像头提供光照。
9.根据权利要求7所述基于单摄像头的动力装置轴功率测量方法,其特征在于,所述随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆,形成随机分布的离散斑点,即形成人工数字散斑场。
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