CN105333832A - 高速旋转结构件变形及应变的光学测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于旋转机械实验力学领域，特别涉及一种高速旋转结构件变形及应变的光学测量方法与装置，光学测量装置由薄盘形轴对称结构件高速旋转系统、图像获取与信号处理系统和测试辅助系统组成，薄盘形轴对称结构的试验件表面涂覆同心圆图案并组成立式超高速旋转轴系，采用盘式变频电机在真空室中驱动单点支撑的立式超高速旋转轴系，用普通的低速数字相机获取频闪光源照射下的高速旋转薄盘形轴对称结构试验件表面同心圆图案，采用图像识别技术获取图案变化信息并处理得到高速旋转试验件的变形和应变。本发明采用测量同心圆半径的变化获得结构件的应变信息，适用于旋转速度大于10000rpm的高速及超高速旋转结构件机械强度试验领域。

Description

高速旋转结构件变形及应变的光学测量方法与装置

技术领域

本发明属于旋转机械实验力学领域，特别涉及一种高速旋转结构件变形及应变的光学测量方法与装置。

背景技术

旋转结构件的变形和应变测量一直是旋转机械实验力学领域值得关注的问题。有学者提出用“全景莫尔轮廓法”和“狭缝式高速相机”进行旋转物体的变形测量。非接触的红外遥测和超声遥测在高速旋转构件应力应变测量中也有尝试。国外学者在旋转盘表面绘制图案，形成特殊的“光电传感器”反射层，高速旋转下不同径向位置占空比的变化反映了变形特征。基于光纤光栅(FBG)测量旋转叶片应力应变，转速达到4000rpm。光纤传感器用于旋转叶片应力应变测量和状态监测已经有多项专利，典型的如CN1844872-A、DE10159990-A1、WO2009095025-A1和US2009324409-A1等等。

1980s以来，以数字图像相关方法(DigitalImageCorrelation，简称DIC)为代表的光测力学方法逐渐完善，特别是2007年以来，国内外成熟的DIC设备逐步投入市场，基于DIC方法测量全场应变技术得到了快速发展和应用。但是，传统DIC算法难以应对大角度转动和大变形情况，转动角大于7°时，引发“退相关”。商用DIC设备方面，美国CSI公司的Vic-3D非接触应变测量系统采用优化的3D-DIC算法，能够测量螺旋桨叶转动变形及应变。

目前实现的旋转结构件变形/应变光学测量方法及装置适用的旋转速度普遍较低，不能满足10000rpm以上的高速和30000rpm以上的超高速旋转的储能飞轮、动力涡轮和电主轴的测量要求。在实验设备上，往往采用短时快门和高帧频工业相机抓取转动工件图像，设备要求高，成本高。因此为了满足10000rpm以上的高速和30000rpm以上的超高速旋转的储能飞轮、动力涡轮和电主轴的测量要求，需要一种采用盘式变频电机驱动单点立式支撑的薄盘试验件轴系，利用普通数字相机获取频闪光源照射下的高速旋转试验件表面图案，采用图像处理技术获取图案变化信息并计算得到旋转试验件的变形和应变的光学测量方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术所述的高速旋转结构件动态变形和应变测量，特别针对转速10000rpm以上的高速和超高速旋转的轴对称结构件端面变形和应变测量。

高速旋转结构件变形及应变的光学测量方法的技术方案如下：试验件表面涂覆同心圆图案并组成立式超高速旋转轴系，采用盘式变频电机在真空室中驱动单点支撑的立式超高速旋转轴系，用普通的低速数字相机获取频闪光源照射下的高速旋转薄盘形轴对称结构试验件表面同心圆图案，采用图像处理技术获取图案变化信息并计算得到高速旋转试验件的变形和应变；所述试验件为薄盘形轴对称结构件；

薄盘形轴对称结构件的材料弹性参数、几何结构参数和旋转角速度给定后，面内应力、应变和位移分布仅是薄盘形轴对称结构件上同心圆半径位置的函数，同心圆图案中各个标记同心圆的半径依次为r₁,r₂,r₃,…r_n，用图像识别和处理程序获得从10000rpm到60000rpm不同测试转速下各标记圆随试验件变形后的半径r1',r2',r3',…rn'；

同心圆处的径向位移，即高速旋转薄盘形轴对称结构件的变形：uj＝rj'-rj；

高速旋转薄盘形轴对称结构件的环向应变：ε_θ＝u_j/r_j；

高速旋转薄盘形轴对称结构件的径向应变：ε_r＝(u_j+1-u_j)/(r_j+1-r_j)；

其中j＝1,2,…,n；

测试步骤：

步骤一、试验件表面进行同心圆图案设计，喷涂黑白同心圆图案，同心圆图案各个标记同心圆的半径依次为r₁,r₂,r₃,…r_n，n为1～50的整数；封闭的同心圆图案降低图像获取难度，缓解了光源同频精度和相机帧频率的要求，避免了径向纹理的图像畸变；所述试验件为薄盘形轴对称结构试验件；

步骤二、组装单点支撑的立式超高速旋转轴系，转子连接轴为阶梯轴，试验件轴向固定在转子连接轴的上部，喷涂同心圆图案的试验件表面为上表面，盘式电机转盘轴向固定在转子连接轴的中部，弹性小轴的上端插装在转子连接轴的轴中心通孔中，下端焊接微型螺旋槽球轴承，弹性小轴上部的轴肩使弹性小轴在转子连接轴上轴向定位；

步骤三、将立式超高速旋转轴系放置在真空室内，真空室由真空室腔体、具有观察窗的真空室端盖、电机冷却水套、弹性阻尼器组成，在真空室内，盘式电机定子绕组置于电机冷却水套的上凹槽内，立式超高速旋转轴系支承在弹性阻尼器中的螺旋槽球轴承球窝上，螺旋槽球轴承球窝、微型螺旋槽球轴承与弹性小轴组成枢轴承；微型螺旋槽球轴承与螺旋槽球轴承球窝的接触部分浸没在阻尼润滑油中，高速旋转中螺旋槽搅动球窝内润滑油，在流体动压润滑作用下使整个轴系悬浮；

步骤四、移动数字相机，对镜头平面与试验件平面进行平行校准，即要求镜头光路轴线垂直于试验件平面，拍摄静态图像和图像处理，识别出没有变形的各个标记同心圆原始半径r₁,r₂,r₃,…r_n；

步骤五、盘式电机转速设置为低速50～100rps，启动盘式电机，手持锥头细杆插入转子连接轴的上端小孔内，扶持立式超高速旋转轴系逐步加速，直到立式超高速旋转轴系脱离锥头细杆而稳定旋转；

步骤六、立式超高速旋转轴系低速稳定旋转后，盖上真空室端盖，开启电机冷却循环水系统和真空系统，真空室内的压强逐渐降到1Pa以下，立式超高速旋转轴系缓慢升速至与盘式电机电源驱动频率同频；

步骤七、逐步缓慢提高盘式电机电源驱动频率设定值，将立式超高速旋转轴系的试验件转速提高到第一个测量设定值；

步骤八、由接触式振动传感器获取立式超高速旋转轴系振动信号，经多功能数据采集卡调理进入计算机LabVIEW程序，用FFT分析得到转动频率；依据转动频率生成LED驱动信号，调节照明试验件图案面的频闪光源发光频率和占空比，同时触发数字相机工作；所述接触式振动传感器吸附在真空室外壁；

步骤九、频闪光源使高速旋转的试验件实现图像相对静止，数字相机在较长曝光时间拍摄到符合后续处理条件的灰度图像；

步骤十、图像信号经图像信号采集卡调理并接入计算机LabVIEW程序，进行分割剪裁和保存；

步骤十一、将立式超高速旋转轴系的试验件转速提高到第二个测量设定值，重复步骤八至步骤十，完成试验件转速第二个测量设定值，直至试验件转速达到额定转速或者在强度实验中达到破坏转速；

步骤十二、进行数字图像处理，计算试验件的各转速测量设定值下的变形及应变数据：

标记圆随试验件变形后的半径r_j’

高速旋转结构件的变形：u_j＝r_j'-r_j；

高速旋转结构件的环向应变：ε_θ＝u_j/r_j；

高速旋转结构件的径向应变：ε_r＝(u_j+1-u_j)/(r_j+1-r_j)，其中j＝1,2,…,n；

完成用光学测量的方法测量试验件高速旋转的变形及应变。

高速旋转结构件变形及应变的光学测量装置由薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A、图像获取与信号处理系统B和测试辅助系统C组成，薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A使薄盘形轴对称结构试验件高速旋转，图像获取与信号处理系统B获取薄盘形轴对称结构试验件的图像信号和照明光源的触发信号，测试辅助系统C为薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A提供真空电源、盘式电机电源和冷却水，以及为图像获取与信号处理系统B提供相机调节平台控制电源；

所述结构件高速旋转系统A由真空室、立式超高速旋转轴系、电机冷却水套12和弹性阻尼器13组成；所述真空室的真空室腔体11为圆形槽，真空室腔体11壁的下部有2个对称设置的过孔，分别为真空室抽气口117和真空室放气口118，真空室腔体11的底板上有一个中心圆孔，真空室腔体11底板中心圆孔的壁上有一个向下的台阶，圆环形的真空室端盖111用螺栓固接在真空室腔体11的壁上，橡胶密封圈Ⅱ116垫在真空室端盖111和真空室腔体11之间起密封作用，2个提拉把手115对称固接在真空室端盖111上表面的同一条直径上，真空室端盖111内壁上有一个向上的台阶，圆形的观察窗113置于真空室端盖111内壁的台阶上，压环112通过螺栓固接在真空室端盖111上并且把观察窗113压紧在真空室端盖111上，橡胶密封圈Ⅰ114垫在观察窗113和真空室端盖111的内壁台阶之间起密封作用；

所述电机冷却水套12为一种空心旋转体，外围为封闭的空腔体，法兰盘Ⅰ124固接在腔体外壁的中部，法兰盘Ⅰ124以上的腔体外壁有一个向上的台阶，腔体外壁下部有2个过孔，分别安装进水接口121和出水接口122，中隔挡板将电机冷却水套12的中心部分分隔成上下两个凹槽，上凹槽放置盘式电机定子绕组15，下凹槽安装弹性阻尼器13，电机冷却水套12通过法兰盘Ⅰ124和螺栓固接在真空室腔体11底板的下平面上，橡胶密封圈Ⅲ123垫在腔体外壁向上的台阶和真空室腔体11底板中心圆孔的向下的台阶之间起密封作用；

所述弹性阻尼器13为圆柱桶，弹性阻尼器13的外壁的中部固接法兰盘Ⅱ137，法兰盘Ⅱ137有一个向上的凹槽，弹性阻尼器13通过法兰盘Ⅱ137和螺栓固接在电机冷却水套12的腔体底板的下表面，铜垫圈135置于弹性阻尼器13上边沿和电机冷却水套12中隔挡板下表面之间，起密封作用，橡胶密封圈Ⅳ136置于法兰盘Ⅱ137的凹槽内与电机冷却水套12的腔体底板的下表面之间，起密封和缓冲作用；锥形质量体132由上部的圆柱体和下部的倒圆锥体组成，圆柱体和倒圆锥体同轴，倒圆锥体的锥顶顶在弹性阻尼器13的底板中心上，弹性硅胶O圈134套在锥形质量体132的圆柱体上并且与弹性阻尼器13内壁接触，将锥形质量体132直立扶持，螺旋槽球轴承球窝133镶嵌在锥形质量体132的圆柱体上端面中心的圆槽内，阻尼润滑油131灌注在弹性阻尼器13内并将螺旋槽球轴承球窝133浸没；

所述立式超高速旋转轴系由弹性小轴16、微型螺旋槽球轴承161、转子连接轴17、试验件安装螺母172、电机转盘安装螺母173、盘式电机转盘14和试验件18组成，其中，转子连接轴17为阶梯轴，轴中心有轴中心通孔171，试验件安装螺母172将试验件18轴向固定在转子连接轴17的上部，试验件18的上表面为同心圆图案面，电机转盘安装螺母173将盘式电机转盘14轴向固定在连接轴17的中部，弹性小轴16的上端插装在转子连接轴17的轴中心通孔171中，下端焊接微型螺旋槽球轴承161，弹性小轴16上部的轴肩使弹性小轴16在转子连接轴17上轴向定位；

所述试验件18为薄盘形轴对称结构试验件，在试验件上表面绘制如图3所示的同心圆图案，试验件18的内径为r_i，外径为r_o，试验件上表面绘制n个同心圆，从内向外同心圆的半径依次为r₁,r₂,r₃,…r_n，n为1～50正整数；

在真空室内，盘式电机定子绕组15置于电机冷却水套12的上凹槽内，微型螺旋槽球轴承161置于螺旋槽球轴承球窝133中，立式超高速旋转轴系支承在螺旋槽球轴承球窝133上，螺旋槽球轴承球窝133、微型螺旋槽球轴承161与弹性小轴16组成枢轴承。立式超高速旋转轴系的振动通过枢轴承传递给弹性硅胶O圈134和锥形质量体132，振动能量通过阻尼润滑油131得到耗散。微型螺旋槽球轴承161与螺旋槽球轴承球窝133的接触部分浸没在阻尼润滑油131中，高速旋转中螺旋槽搅动球窝内润滑油，在流体动压润滑作用下使整个轴系悬浮；弹性阻尼器13的支承壳体即为阻尼油容器，也同时为弹性阻尼器提供轴向和径向定位；工作时，盘式电机定子绕组15驱动盘式电机转盘14，立式超高速旋转轴系高速旋转并且直立在真空室内；

所述图像获取与信号处理系统B中，数字相机22置于相机调节平台21，数字相机22的镜头向下对准立式超高速旋转轴系上的试验件18的同心圆图案面，数字相机22用CameraLink信号电缆221与安装在计算机25中的图像信号采集卡23连接，白光LED环形阵列27在数字相机22镜头的周围照明试验件18的同心圆图案面，白光LED环形阵列27用LED驱动电缆271与安装在计算机25中的多功能数据采集卡24连接，接触式振动传感器26由内置磁铁吸附在真空室腔体11的外壁上，接触式振动传感器26用振动信号线261与多功能数据采集卡24连接；

所述数字相机22为普通的低速数字相机；

所述测试辅助系统C中，真空计312和抽气阀门313的一端通过三通311与真空室腔体11上的真空室抽气口117连接，抽气阀门313的另一端通过真空管道31与真空泵32的抽气口连接，放气阀门33的一端与真空室放气口118连接，变频电源34通过盘式电机电缆341与盘式电机定子绕组15连接，相机调节平台控制器36通过相机调节平台控制器电缆361与相机调节平台21连接，电机冷却循环水机组35的出水口和回水口通过冷却水管道351分别与电机冷却水套12上的进水接口121和出水接口122连接；

所述调节平台21为市售三维电控调节平台。

高速旋转结构件变形及应变的光学测量时，将试验件18、盘式电机转盘14、转子连接轴17、试验件安装螺母172、电机转盘安装螺母173和顶端焊接微型螺旋槽球轴承161的弹性小轴16组成的立式超高速旋转轴系放置在真空室内，并且试验件同心圆图案面向上，立式超高速旋转轴系立于螺旋槽球轴承球窝133上，启动变频电源34，驱动立式超高速旋转轴系逐步加速；当真空度低于0.01Pa时，风阻忽略不计。立式超高速旋转轴系采用单点支承，减小机械摩擦和磨损，高速旋转下依靠“陀螺效应”自稳定，并以变频电源驱动的盘式电机提供动力，实现0～2000rps转速调节。盘式电机配有冷却水套12，用20℃以下循环水带出高速旋转下的热量。

接触式振动传感器26内置磁铁，直接吸附在真空室外壁上，立式超高速旋转轴系稳定旋转后，依据转子振动信号生成驱动脉冲，控制白光LED环形阵列27，使LED发光频率与转子转速同频，并同步触发数字相机22工作。拍摄图像经图像信号采集卡23调理并接入计算机LabVIEW处理程序，进行分割剪裁和保存。对变形图像进行特征提取和对比计算，最终计算出试验件上的同心圆图案的半径变化，从而按以下各公式计算得到试验件高速旋转时的变形及应变。

本发明的特征和优点在于：

1.将薄盘形轴对称结构试验件和驱动电机转子通过一个中空的连接轴连接，实现试验件受高速电机变频驱动，达到10000rpm的高速和30000rpm以上的超高速旋转，最高试验转速为60000rpm。

2.通过频闪光源的频率与试验件转动频率的同步控制，获得“相对静止”的图像，为普通的低速相机获得高质量的图像提供了必要的条件。

3.试验件的轴系采用单点弹性阻尼支承，并采用微型螺旋槽球轴承，解决了高速旋转驱动轴系振动和轴承技术难题。

4.测量对象薄盘形轴对称结构试验件上有同心圆图案，同心圆图案对旋转相位信息不敏感，降低了频闪光源频率控制精度要求。

5.采用测量同心圆半径的变化获得薄盘形轴对称结构试验件的应变信息。

6.试验件高速旋转时处于真空室内，风阻小，功耗低。

7.本发明的测量方法和装置能应用于高速飞轮、小型超高速涡轮泵、超速离心机、高速电机等旋转部件的强度研究，对提高旋转机械设计水平具有重要的作用。

本发明的有益效果为，本发明为一种利用频闪光源精确“同步”高速旋转的薄盘形结构件的光学变形和应变测试方法和装置，采用频闪光源实现转子同步，使用普通的低速数字相机单次曝光即能获得适宜灰度的图像。频闪频率、转动频率和相机曝光的调控成本远远低于使用高速相机或摄像机等测试装置。利用试验件轴系振动信号及时反馈旋转速度的微变和缓慢的升速过程，能够及时调整驱动信号控制的LED频闪光源的工作频率。本发明适用于旋转速度大于10000rpm的高速及超高速旋转结构件机械强度试验领域。

附图说明

图1为高速旋转结构件变形及应变的光学测量装置结构总图；

图2为薄盘形轴对称结构件高速旋转系统结构图；

图2A为图2中D处局部放大图；

图3为试验件表面同心圆图案；

图4为普通光源-高速相机测量旋转试验件照相原理示意图；

图5为频闪光源-普通相机测量高速旋转试验件照相原理示意图；

图6为测量流程图；

图7为数字图像识别处理流程图。

图中，11--真空室腔体，111--真空室端盖，112--压环，113--观察窗，114--橡胶密封圈Ⅰ，115--提拉把手，116--橡胶密封圈Ⅱ，117--真空室抽气口，118--真空室放气口，12--电机冷却水套，121--进水接口，122--出水接口，123--橡胶密封圈Ⅲ，124--法兰盘Ⅰ，13--弹性阻尼器，131--阻尼润滑油，132--锥形质量体，133--螺旋槽球轴承球窝，134--弹性硅胶O圈，135--铜垫圈，136--橡胶密封圈Ⅳ，14--盘式电机转盘，15--盘式电机定子绕组，16--弹性小轴，161--微型螺旋槽球轴承，17--转子连接轴，171--轴中心通孔，172--试验件安装螺母，173--电机转盘安装螺母，18--试验件，21--相机调节平台，22--数字相机，221--CameraLink信号电缆，23--图像信号采集卡，24--多功能数据采集卡，25--计算机，26--接触式振动传感器，261--振动信号线，27--白光LED环形阵列，271--LED驱动电缆，31--真空管道，311--三通，312--真空计，313--抽气阀门，32--真空泵，33--放气阀门，34--变频电源，341--盘式电机电缆，35--电机冷却循环水机组，351--冷却水管道，36--相机调节平台控制器，361--相机调节平台控制器电缆。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

图1为高速旋转结构件变形及应变的光学测量装置结构总图，高速旋转结构件变形及应变的光学测量装置由薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A、图像获取与信号处理系统B和测试辅助系统C组成，薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A使薄盘形轴对称结构试验件高速旋转，图像获取与信号处理系统B获取薄盘形轴对称结构试验件的图像信号和照明光源的触发信号，测试辅助系统C为薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A提供真空电源、盘式电机电源和冷却水，以及为图像获取与信号处理系统B提供相机调节平台控制电源。

如图2所示的薄盘形轴对称结构件高速旋转系统结构图，薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A由真空室、立式超高速旋转轴系、电机冷却水套12和弹性阻尼器13组成。所述真空室的真空室腔体11为圆形槽，真空室腔体11壁的下部有2个对称设置的过孔，分别为真空室抽气口117和真空室放气口118，真空室腔体11的底板上有一个中心圆孔，真空室腔体11底板中心圆孔的壁上有一个向下的台阶，圆环形的真空室端盖111用螺栓固接在真空室腔体11的壁上，橡胶密封圈Ⅱ116垫在真空室端盖111和真空室腔体11之间起密封作用，2个提拉把手115对称固接在真空室端盖111上表面的同一条直径上，真空室端盖111内壁上有一个向上的台阶，圆形的观察窗113置于真空室端盖111内壁的台阶上，压环112通过螺栓固接在真空室端盖111上并且把观察窗113压紧在真空室端盖111上，橡胶密封圈Ⅰ114垫在观察窗113和真空室端盖111的内壁台阶之间起密封作用。

电机冷却水套12为一种空心旋转体，外围为封闭的空腔体，法兰盘Ⅰ124固接在腔体外壁的中部，法兰盘Ⅰ124以上的腔体外壁有一个向上的台阶，腔体外壁下部有2个过孔，分别安装进水接口121和出水接口122，中隔挡板将电机冷却水套12的中心部分分隔成上下两个凹槽，上凹槽放置盘式电机定子绕组15，下凹槽安装弹性阻尼器13，电机冷却水套12通过法兰盘Ⅰ124和螺栓固接在真空室腔体11底板的下平面上，橡胶密封圈Ⅲ123垫在腔体外壁向上的台阶和真空室腔体11底板中心圆孔的向下的台阶之间起密封作用。

弹性阻尼器13为圆柱桶，弹性阻尼器13的外壁的中部固接法兰盘Ⅱ137，法兰盘Ⅱ137有一个向上的凹槽，弹性阻尼器13通过法兰盘Ⅱ137和螺栓固接在电机冷却水套12的腔体底板的下表面，铜垫圈135置于弹性阻尼器13上边沿和电机冷却水套12中隔挡板下表面之间，起密封作用，橡胶密封圈Ⅳ136置于法兰盘Ⅱ137的凹槽内与电机冷却水套12的腔体底板的下表面之间，起密封和缓冲作用；锥形质量体132由上部的圆柱体和下部的倒圆锥体组成，圆柱体和倒圆锥体同轴，倒圆锥体的锥顶顶在弹性阻尼器13的底板中心上，弹性硅胶O圈134套在锥形质量体132的圆柱体上并且与弹性阻尼器13内壁接触，将锥形质量体132直立扶持，螺旋槽球轴承球窝133镶嵌在锥形质量体132的圆柱体上端面中心的圆槽内，阻尼润滑油131灌注在弹性阻尼器13内并将螺旋槽球轴承球窝133浸没。

立式超高速旋转轴系由弹性小轴16、微型螺旋槽球轴承161、转子连接轴17、试验件安装螺母172、电机转盘安装螺母173、盘式电机转盘14和试验件18组成，其中，转子连接轴17为阶梯轴，轴中心有轴中心通孔171，试验件安装螺母172将试验件18轴向固定在转子连接轴17的上部，试验件18的上表面为同心圆图案面，电机转盘安装螺母173将盘式电机转盘14轴向固定在连接轴17的中部，弹性小轴16的上端插装在转子连接轴17的轴中心通孔171中，下端焊接微型螺旋槽球轴承161，弹性小轴16上部的轴肩使弹性小轴16在转子连接轴17上轴向定位，如图2A所示。

试验件18为薄盘形轴对称结构试验件，在试验件上表面绘制如图3所示的同心圆图案，试验件18的内径为r_i，外径为r_o，试验件上表面绘制n个同心圆，从内向外同心圆的半径依次为r₁,r₂,r₃,…r_n，n为2～20整数。

在真空室内，盘式电机定子绕组15置于电机冷却水套12的上凹槽内，如图2A所示，微型螺旋槽球轴承161置于螺旋槽球轴承球窝133中，立式超高速旋转轴系支承在螺旋槽球轴承球窝133上，螺旋槽球轴承球窝133、微型螺旋槽球轴承161与弹性小轴16组成枢轴承。立式超高速旋转轴系的振动通过枢轴承传递给弹性硅胶O圈134和锥形质量体132，振动能量通过阻尼润滑油131得到耗散。微型螺旋槽球轴承161与螺旋槽球轴承球窝133的接触部分浸没在阻尼润滑油131中，高速旋转中螺旋槽搅动球窝内润滑油，在流体动压润滑作用下使整个轴系悬浮。弹性阻尼器13的支承壳体即为阻尼油容器，也同时为弹性阻尼器提供轴向和径向定位。工作时，盘式电机定子绕组15驱动盘式电机转盘14，立式超高速旋转轴系高速旋转并且直立在真空室内。

图像获取与信号处理系统B中，数字相机22置于相机调节平台21，数字相机22的镜头向下对准立式超高速旋转轴系上的试验件18的同心圆图案面，数字相机22用CameraLink信号电缆221与安装在计算机25中的图像信号采集卡23连接，白光LED环形阵列27在数字相机22镜头的周围照明试验件18的同心圆图案面，白光LED环形阵列27用LED驱动电缆271与安装在计算机25中的多功能数据采集卡24连接，接触式振动传感器26由内置磁铁吸附在真空室腔体11的外壁上，接触式振动传感器26用振动信号线261与多功能数据采集卡24连接。数字相机22为普通的低速数字相机，如大恒图像DH-GV400UM-M黑白面阵CMOS图像传感器、德国BasleracA2040-180kcCameraLink面阵相机等。

测试辅助系统C中，真空计312和抽气阀门313的一端通过三通311与真空室腔体11上的真空室抽气口117连接，抽气阀门313的另一端通过真空管道31与真空泵32的抽气口连接，放气阀门33的一端与真空室放气口118连接，变频电源34通过盘式电机电缆341与盘式电机定子绕组15连接，相机调节平台控制器36通过相机调节平台控制器电缆361与相机调节平台21连接，电机冷却循环水机组35的出水口和回水口通过冷却水管道351分别与电机冷却水套12上的进水接口121和出水接口122连接。相机调节平台21为市售三维电控调节平台。

高速旋转结构件变形及应变的光学测量时，将试验件18、盘式电机转盘14、转子连接轴17、试验件安装螺母172、电机转盘安装螺母173和顶端焊接微型螺旋槽球轴承161的弹性小轴16组成的立式超高速旋转轴系放置在真空室内，并且试验件同心圆图案面向上，立式超高速旋转轴系立于螺旋槽球轴承球窝133上，启动变频电源34，驱动立式超高速旋转轴系逐步加速。当真空度低于0.01Pa时，风阻忽略不计。立式超高速旋转轴系采用单点支承，减小机械摩擦和磨损，高速旋转下依靠“陀螺效应”自稳定，并以变频电源驱动的盘式电机提供动力，实现0～2000rps转速调节。盘式电机配有冷却水套12，用20℃以下循环水带出高速旋转下的热量。

接触式振动传感器26内置磁铁，直接吸附在真空室外壁上，立式超高速旋转轴系稳定旋转后，依据转子振动信号生成驱动脉冲，控制白光LED环形阵列27，使LED发光频率与转子转速同频，并同步触发数字相机22工作。拍摄图像经图像信号采集卡23调理并接入计算机LabVIEW处理程序，进行分割剪裁和保存。对变形图像进行特征提取和对比计算，最终计算出试验件上的同心圆图案的半径变化，从而按以下各公式计算得到试验件高速旋转时的变形及应变。

标记圆随试验件变形后的半径r_j’

高速旋转结构件的变形：u_j＝r_j'-r_j；

高速旋转结构件的环向应变：ε_θ＝u_j/r_j；

高速旋转结构件的径向应变：ε_r＝(u_j+1-u_j)/(r_j+1-r_j)，其中j＝1,2,…,n。

目前，部分对于低旋转速度叶轮或风扇的DIC技术采取的方案都是选用高性能的工业相机，快门时间短，帧频高，曝光时间短。由于单次曝光进光量少，获得的图片灰度低，需要精确延时，在同一相位再次曝光，如图4所示。为了满足高速旋转工件的测量，快门时间和帧频需要远远大于工件旋转速度。

本发明采用频闪光源实现转子同步，频闪频率、转动频率和相机曝光的调控成本远远低于高速相机或摄像机。普通的低速数字相机单次曝光即能获得适宜灰度的图像，如图5所示。此外，试验件轴系振动信号及时反馈旋转速度的微变和缓慢的升速过程，能够及时调整驱动信号控制的LED频闪光源工作频率。

图6给出了测量流程。

流程601；将试验件18表面进行图案设计和喷涂，图案设计为同心圆结构，如图3所示；亮泽的金属表面作为白底，用细黑油笔画封闭圆形；复合材料试验件表面色泽不均一，先喷涂黑漆或白漆，再用细白油笔或细黑油笔绘制图案；封闭的同心圆图案降低图像获取难度，缓解了光源同频精度和相机帧频率的要求，避免了径向纹理的图像畸变，待喷涂干燥后，进入流程602；

流程602：组装单点支撑的立式超高速旋转轴系，转子连接轴17为阶梯轴，试验件18轴向固定在转子连接轴17的上部，试验件18的上表面为同心圆图案面，盘式电机转盘14轴向固定在转子连接轴的中部，弹性小轴16的上端插装在转子连接轴17的轴中心通孔171中，下端焊接微型螺旋槽球轴承161，弹性小轴上部的轴肩使弹性小轴16在转子连接轴17上轴向定位，进入流程603；

流程603：将立式超高速旋转轴系放置在真空室内，立式超高速旋转轴系支承在弹性阻尼器13中的螺旋槽球轴承球窝133上，移动数字相机22，对镜头平面与试验件平面进行平行校准，即要求镜头光路轴线垂直于试验件平面，拍摄试验件18同心圆图案面的静态图像和图像处理，识别出没有变形的各个标记同心圆原始半径r₁,r₂,r₃,…r_n；，进入流程604；

流程604：设置盘式电机转速设置为低速50～100rps，启动变频电源34，手持锥头细杆插入连接轴的上端小孔171内，扶持立式超高速旋转轴系逐步加速，直到脱离锥头细杆而稳定旋转，进入流程605；

流程605：立式超高速旋转轴系低速稳定旋转后，启动电机冷却循环水机组35，盖上真空室已安装观察窗113的真空室端盖111，关闭放气阀门33，开启抽气阀门313，开启真空计312，启动真空泵32；真空室内的压强逐渐降到1Pa以下，立式超高速旋转轴系缓慢升速至与盘式电机电源驱动频率同频；当真空室内的压强低于0.01Pa时，风阻忽略不计；进入流程606；

流程606：逐步缓慢提高盘式电机的变频电源34驱动频率设定值，将立式超高速旋转轴系的试验件18转速提高到第一个测量设定值，进入流程607；

流程607：接触式振动传感器26获取振动信号，经多功能数据采集卡24调理进入计算机LabVIEW程序，FFT分析得到转动频率，进入流程608；

流程608：依据转动频率生成LED驱动信号，控制白光LED环形阵列27的发光频率和占空比，同时触发数字相机22工作，进入流程609和流程610；

流程609：频闪光源白光LED环形阵列27在转动频率生成LED驱动信号触发下与转子转动频率同步发光照明试验件18的同心圆图案面；

流程610：数字相机22同步拍摄试验件的同心圆图案；

流程611：获取试验件18表面图像，频闪光源使旋转的试验件18实现图像相对静止，普通的低速数字相机22在较长曝光时间能拍摄到符合后续处理条件的灰度图像，进入流程612；

流程612：图像信号经图像信号采集卡:23调理并接入计算机LabVIEW程序，进行分割剪裁和保存，进入流程613；

流程613：判别是否达到试验件18的额定转速，如未达到额定转速，重复流程606至流程612；如达到额定转速，进入流程614；

流程614：进行数字图像处理，用流程615的采用MATLAB语言编写或者用C/C++计算机语言编写的二维图像整像素椭圆拟合程序，求解轴对称试验件同心圆图案，进入流程616；

流程616：计算：

标记圆随试验件变形后的半径r_j’；

高速旋转结构件的变形：u_j＝r_j'-r_j；

高速旋转结构件的环向应变：ε_θ＝u_j/r_j；

高速旋转结构件的径向应变：ε_r＝(u_j+1-u_j)/(r_j+1-r_j)，其中j＝1,2,…,n；

完成试验件18高速旋转的变形及应变光学测量。

数字图像处理采用MATLAB语言编写，或者用C/C++计算机语言编写，图7给出了二维图像整像素椭圆拟合求解轴对称试验件同心圆图案位移和应变的过程为：

导入结构件变形前后的图像，进行图像灰度化处理；

一方面，针对“黑底白纹”图像，进行反色处理，否则不变；另一方面，对灰度图进行二值化处理，提取椭圆边界，用于后续的拟合样本坐标信息；

处理全部灰度图像信息和边界信息；

随机选取每个椭圆边界范围内的6个样本点；

进行椭圆拟合线性方程组构建；

求解方程获得全部的椭圆曲线系数；

遍历单一边界内的全部像素点，求像素点到拟合椭圆的灰度加权残差F；

始终保留多次拟合中的较小值，直到残差小于设定阈值δ，否则重复随机样本提取和拟合过程；得到椭圆拟合系数之后，计算椭圆长半轴a，即为标记圆的半径r’；

根据半径的变化计算出各同心圆图案的位移和应变。

当立式超高速旋转轴系中的试验件18或其它转子零件出现强度失效时，迅速关闭抽气阀门313，关闭真空泵32，待旋转部件碰撞停止后缓慢打开放气阀门33，所有试验件和转子碎片被封锁在真空室内。金属的真空室腔体11和钢化玻璃的观察窗113足够应对转子及其碎片冲击能量，后续清理和恢复实验工作也相对简单。

本发明适用于旋转速度大于10000rpm的高速及超高速旋转结构件机械强度试验领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高速旋转结构件变形及应变的光学测量方法，其特征在于，试验件表面涂覆同心圆图案并组成立式超高速旋转轴系，采用盘式变频电机在真空室中驱动单点支撑的立式超高速旋转轴系，用普通的低速数字相机获取频闪光源照射下的高速旋转薄盘形轴对称结构试验件表面同心圆图案，采用图像处理技术获取图案变化信息并计算得到高速旋转试验件的变形和应变；所述试验件为薄盘形轴对称结构件；

薄盘形轴对称结构件的材料弹性参数、几何结构参数和旋转角速度给定后，面内应力、应变和位移分布仅是薄盘形轴对称结构件上同心圆半径位置的函数，同心圆图案中各个标记同心圆的半径依次为r₁,r₂,r₃,…r_n，用图像识别和处理程序获得从10000rpm到60000rpm不同测试转速下各标记圆随试验件变形后的半径r₁',r₂',r₃',…r_n'；

同心圆处的径向位移，即高速旋转薄盘形轴对称结构件的变形：u_j＝r_j'-r_j；

高速旋转薄盘形轴对称结构件的环向应变：ε_θ＝u_j/r_j；

高速旋转薄盘形轴对称结构件的径向应变：ε_r＝(u_j+1-u_j)/(r_j+1-r_j)；

其中j＝1,2,…,n；

测试步骤：

步骤一、试验件表面进行同心圆图案设计，喷涂黑白同心圆图案，同心圆图案各个标记同心圆的半径依次为r₁,r₂,r₃,…r_n，n为1～50的整数；所述试验件为薄盘形轴对称结构试验件；

步骤二、组装单点支撑的立式超高速旋转轴系，转子连接轴为阶梯轴，试验件轴向固定在转子连接轴的上部，喷涂同心圆图案的试验件表面为上表面，盘式电机转盘轴向固定在转子连接轴的中部，弹性小轴的上端插装在转子连接轴的轴中心通孔中，下端焊接微型螺旋槽球轴承，弹性小轴上部的轴肩使弹性小轴在转子连接轴上轴向定位；

步骤三、将立式超高速旋转轴系放置在真空室内，真空室由真空室腔体、具有观察窗的真空室端盖、电机冷却水套、弹性阻尼器组成，在真空室内，盘式电机定子绕组置于电机冷却水套的上凹槽内，立式超高速旋转轴系支承在弹性阻尼器中的螺旋槽球轴承球窝上，螺旋槽球轴承球窝、微型螺旋槽球轴承与弹性小轴组成枢轴承；微型螺旋槽球轴承与螺旋槽球轴承球窝的接触部分浸没在阻尼润滑油中；

步骤四、移动数字相机，对镜头平面与试验件平面进行平行校准，即要求镜头光路轴线垂直于试验件平面，拍摄静态图像和图像处理，识别出没有变形的各个标记同心圆原始半径r₁,r₂,r₃,…r_n；

步骤五、盘式电机转速设置为低速50～100rps，启动盘式电机，手持锥头细杆插入转子连接轴的上端小孔内，扶持立式超高速旋转轴系逐步加速，直到立式超高速旋转轴系脱离锥头细杆而稳定旋转；

步骤六、立式超高速旋转轴系低速稳定旋转后，盖上真空室端盖，开启电机冷却循环水系统和真空系统，真空室内的压强逐渐降到1Pa以下，立式超高速旋转轴系缓慢升速至与盘式电机电源驱动频率同频；

步骤七、逐步缓慢提高盘式电机电源驱动频率设定值，将立式超高速旋转轴系的试验件转速提高到第一个测量设定值；

步骤八、由接触式振动传感器获取立式超高速旋转轴系振动信号，经多功能数据采集卡调理进入计算机LabVIEW程序，用FFT分析得到转动频率；依据转动频率生成LED驱动信号，调节照明试验件图案面的频闪光源发光频率和占空比，同时触发数字相机工作；所述接触式振动传感器吸附在真空室外壁；

步骤九、频闪光源使高速旋转的试验件实现图像相对静止，数字相机在曝光时间拍摄到符合后续处理条件的灰度图像；

步骤十、图像信号经图像信号采集卡调理并接入计算机LabVIEW程序，进行分割剪裁和保存；

步骤十一、将立式超高速旋转轴系的试验件转速提高到第二个测量设定值，重复步骤八至步骤十，完成试验件转速第二个测量设定值，直至试验件转速达到额定转速或者在强度实验中达到破坏转速；

步骤十二、进行数字图像处理，计算试验件各转速测量设定值下的以下变形及应变数据：

标记圆随试验件变形后的半径r_j’

高速旋转结构件的变形：u_j＝r_j'-r_j；

高速旋转结构件的环向应变：ε_θ＝u_j/r_j；

高速旋转结构件的径向应变：ε_r＝(u_j+1-u_j)/(r_j+1-r_j)，其中j＝1,2,…,n；

完成试验件高速旋转时变形及应变的光学测量。

2.一种高速旋转结构件变形及应变的光学测量装置，其特征在于，高速旋转结构件变形及应变的光学测量装置由薄盘形轴对称结构件高速旋转系统(A)、图像获取与信号处理系统(B)和测试辅助系统(C)组成，薄盘形轴对称结构件高速旋转系统(A)使薄盘形轴对称结构试验件高速旋转，图像获取与信号处理系统(B)获取薄盘形轴对称结构试验件的图像信号和照明光源的触发信号，测试辅助系统(C)为薄盘形轴对称结构件高速旋转系统(A)提供真空电源、盘式电机电源和冷却水，以及为图像获取与信号处理系统(B)提供相机调节平台控制电源；

所述薄盘形轴对称结构件高速旋转系统(A)由真空室、立式超高速旋转轴系、电机冷却水套(12)和弹性阻尼器(13)组成；所述真空室的真空室腔体(11)为圆形槽，真空室腔体(11)壁的下部有2个对称设置的过孔，分别为真空室抽气口(117)和真空室放气口(118)，真空室腔体(11)的底板上有一个中心圆孔，真空室腔体(11)底板中心圆孔的壁上有一个向下的台阶，圆环形的真空室端盖(111)用螺栓固接在真空室腔体(11)的壁上，橡胶密封圈Ⅱ(116)垫在真空室端盖(111)和真空室腔体(11)之间起密封作用，2个提拉把手(115)对称固接在真空室端盖(111)上表面的同一条直径上，真空室端盖(111)内壁上有一个向上的台阶，圆形的观察窗(113)置于真空室端盖(111)内壁的台阶上，压环(112)通过螺栓固接在真空室端盖(111)上并且把观察窗(113)压紧在真空室端盖(111)上，橡胶密封圈Ⅰ(114)垫在观察窗(113)和真空室端盖(111)的内壁台阶之间起密封作用；

所述电机冷却水套(12)为一种空心旋转体，外围为封闭的空腔体，法兰盘Ⅰ(124)固接在腔体外壁的中部，法兰盘Ⅰ(124)以上的腔体外壁有一个向上的台阶，腔体外壁下部有2个过孔，分别安装进水接口(121)和出水接口(122)，中隔挡板将电机冷却水套(12)的中心部分分隔成上下两个凹槽，上凹槽放置盘式电机定子绕组(15)，下凹槽安装弹性阻尼器(13)，电机冷却水套(12)通过法兰盘Ⅰ(124)和螺栓固接在真空室腔体(11)底板的下平面上，橡胶密封圈Ⅲ(123)垫在腔体外壁向上的台阶和真空室腔体(11)底板中心圆孔的向下的台阶之间起密封作用；

所述弹性阻尼器(13)为圆柱桶，弹性阻尼器(13)的外壁的中部固接法兰盘Ⅱ(137)，法兰盘Ⅱ(137)有一个向上的凹槽，弹性阻尼器(13)通过法兰盘Ⅱ(137)和螺栓固接在电机冷却水套(12)的腔体底板的下表面，铜垫圈(135)置于弹性阻尼器(13)上边沿和电机冷却水套(12)中隔挡板下表面之间，起密封作用，橡胶密封圈Ⅳ(136)置于法兰盘Ⅱ(137)的凹槽内与电机冷却水套(12)的腔体底板的下表面之间，起密封和缓冲作用；锥形质量体(132)由上部的圆柱体和下部的倒圆锥体组成，圆柱体和倒圆锥体同轴，倒圆锥体的锥顶顶在弹性阻尼器(13)的底板中心上，弹性硅胶O圈(134)套在锥形质量体(132)的圆柱体上并且与弹性阻尼器(13)内壁接触，将锥形质量体(132)直立扶持，螺旋槽球轴承球窝(133)镶嵌在锥形质量体(132)的圆柱体上端面中心的圆槽内，阻尼润滑油(131)灌注在弹性阻尼器(13)内并将螺旋槽球轴承球窝(133)浸没；

所述立式超高速旋转轴系由弹性小轴(16)、微型螺旋槽球轴承(161)、转子连接轴(17)、试验件安装螺母(172)、电机转盘安装螺母(173)、盘式电机转盘(14)和试验件(18)组成，其中，转子连接轴(17)为阶梯轴，轴中心有轴中心通孔(171)，试验件安装螺母(172)将试验件(18)轴向固定在转子连接轴(17)的上部，试验件(18)的上表面为同心圆图案面，电机转盘安装螺母(173)将盘式电机转盘(14)轴向固定在转子连接轴(17)的中部，弹性小轴(16)的上端插装在转子连接轴(17)的轴中心通孔(171)中，下端焊接微型螺旋槽球轴承(161)，弹性小轴(16)上部的轴肩使弹性小轴(16)在转子连接轴(17)上轴向定位；

在真空室内，盘式电机定子绕组(15)置于电机冷却水套(12)的上凹槽内，微型螺旋槽球轴承(161)置于螺旋槽球轴承球窝(133)中，立式超高速旋转轴系支承在螺旋槽球轴承球窝(133)上，螺旋槽球轴承球窝(133)、微型螺旋槽球轴承(161)与弹性小轴(16)组成枢轴承；

所述图像获取与信号处理系统(B)中，数字相机(22)置于相机调节平台(21)，数字相机(22)的镜头向下对准立式超高速旋转轴系上的试验件(18)的同心圆图案面，数字相机(22)用CameraLink信号电缆(221)与安装在计算机(25)中的图像信号采集卡(23)连接，白光LED环形阵列(27)在数字相机(22)镜头的周围照明试验件(18)的同心圆图案面，白光LED环形阵列(27)用LED驱动电缆(271)与安装在计算机(25)中的多功能数据采集卡(24)连接，接触式振动传感器(26)由内置磁铁吸附在真空室腔体(11)的外壁上，接触式振动传感器(26)用振动信号线(261)与多功能数据采集卡(24)连接；

所述测试辅助系统(C)中，真空计(312)和抽气阀门(313)的一端通过三通(311)与真空室腔体(11)上的真空室抽气口(117)连接，抽气阀门(313)的另一端通过真空管道(31)与真空泵(32)的抽气口连接，放气阀门(33)的一端与真空室放气口(118)连接，变频电源(34)通过盘式电机电缆(341)与盘式电机定子绕组(15)连接，相机调节平台控制器(36)通过相机调节平台控制器电缆(361)与相机调节平台(21)连接，电机冷却循环水机组(35)的出水口和回水口通过冷却水管道(351)分别与电机冷却水套(12)上的进水接口(121)和出水接口(122)连接。

3.所述试验件(18)为薄盘形轴对称结构试验件，在试验件上表面绘制同心圆图案，试验件(18)的内径为r_i，外径为r_o，试验件上表面绘制n个同心圆，从内向外同心圆的半径依次为r₁,r₂,r₃,…r_n，n为1～50整数。

4.根据权利要求1所述的速旋转结构件变形及应变的光学测量装置，其特征在于，所述数字相机(22)为普通的低速数字相机。

5.根据权利要求1所述的速旋转结构件变形及应变的光学测量装置，其特征在于，所述相机调节平台(21)为市售三维电控调节平台。