CN104535787B - 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

Abstract

本发明涉及基于单摄像头的动力装置轴扭矩、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‑S_n；加载负载后，同步采集一组图像序列A₁‑A_m；取A₁‑A_m中任何一帧图像A_i，对A_i与参考图集S₁‑S_n相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_i；在S_i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A_i中对应的位置P₀’(x’₀,y’₀)、Q’₀(x’₁,y’₁)，得到A_i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

基于单摄像头的动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量方法

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，θ值确定，以及轴每转动θ所产生的轴面像素位移值m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-S_n；

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-A_j；Δt为相邻两帧图像采样时间间隔，取其中t_i时刻图像A_i，与参考图集S₁-S_n做相关运算，得到相关度最高的参考图像，记为S_i，相应中心点的像素位移记为u_i；取t_i+1时刻的图像A_i+1，与参考图集S₁～S_n进行相关运算，得到相关度最高的参考图像S_j，相应中心点的像素位移记为u_j；因此在t_i+1-t_i内传动轴转过像素位移Δu为：

Δu＝(j-i)·m+(u_j-u_i)

相应转速n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-S_n；

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-A_m；

取A₁-A_m中任何一帧图像A_i，对A_i与参考图集S₁-S_n做相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_i；

在图像S_i和A_i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S_i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A_i中对应的位置P₀’(x’₀,y’₀)、Q’₀(x’₁,y’₁)，得到A_i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能够计算轴功率的大小：

P＝(M/r)*(πr*n/30)＝(M*π*n)/30

功率单位为瓦，n为传动轴的转速，r为传动轴半径。

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，θ值确定，以及轴每转动θ所产生的轴面像素位移值m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-S_n；

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-A_j；Δt为相邻两帧图像采样时间间隔，取其中t_i时刻图像A_i，与参考图集S₁-S_n做相关运算，得到相关度最高的参考图像，记为S_i，相应中心点的像素位移记为u_i；取t_i+1时刻的图像A_i+1，与参考图集S₁～S_n进行相关运算，得到相关度最高的参考图像S_j，相应中心点的像素位移记为u_j；因此在t_i+1-t_i内传动轴转过像素位移Δu为：

Δu＝(j-i)·m+(u_j-u_i)

相应转速n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-S_n；

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-A_m；

取A₁-A_m中任何一帧图像A_i，对A_i与参考图集S₁-S_n做相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_i；

在图像S_i和A_i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S_i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A_i中对应的位置P₀’(x’₀,y’₀)、Q’₀(x’₁,y’₁)，得到A_i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能够计算轴功率的大小：

P＝(M/r)*(πr*n/30)＝(M*π*n)/30

功率单位为瓦，n为传动轴的转速，r为传动轴半径。

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-S_n；

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-A_m；

取A₁-A_m中任何一帧图像A_i，对A_i与参考图集S₁-S_n做相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_i；

在图像S_i和A_i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S_i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A_i中对应的位置P₀’(x’₀,y’₀)、Q’₀(x’₁,y’₁)，得到A_i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，θ值确定，以及轴每转动θ所产生的轴面像素位移值m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-S_n；

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-A_j；Δt为相邻两帧图像采样时间间隔，取其中t_i时刻图像A_i，与参考图集S₁-S_n做相关运算，得到相关度最高的参考图像，记为S_i，相应中心点的像素位移记为u_i；取t_i+1时刻的图像A_i+1，与参考图集S₁～S_n进行相关运算，得到相关度最高的参考图像S_j，相应中心点的像素位移记为u_j；因此在t_i+1-t_i内传动轴转过像素位移Δu为：

Δu＝(j-i)·m+(u_j-u_i)

相应转速n为：

$n=\frac{30\·\mathrm{\Δ}u\·\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}\·m\·(t_{i+1}-t_i)}.$

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值是灰度值稳定的转角，θ值确定，以及轴每转动θ所产生的轴面像素位移值m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-S_n；

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-A_j；Δt为相邻两帧图像采样时间间隔，取其中t_i时刻图像A_i，与参考图集S₁-S_n做相关运算，得到相关度最高的参考图像，记为S_i，相应中心点的像素位移记为u_i；取t_i+1时刻的图像A_i+1，与参考图集S₁～S_n进行相关运算，得到相关度最高的参考图像S_j，相应中心点的像素位移记为u_j；因此在t_i+1-t_i内传动轴转过像素位移Δu为：

Δu＝(j-i)·m+(u_j-u_i)

相应转速n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-S_n；

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-A_m；

取A₁-A_m中任何一帧图像A_i，对A_i与参考图集S₁-S_n做相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_i；

在图像S_i和A_i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S_i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A_i中对应的位置P₀’(x’₀,y’₀)、Q’₀(x’₁,y’₁)，得到A_i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能够计算轴功率的大小：

P＝(M/r)*(πr*n/30)＝(M*π*n)/30

功率单位为瓦，n为传动轴的转速，r为传动轴半径。

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。