CN106680529A - 一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置及方法，该装置包括双正弦变密度条纹角度传感器、条纹图像采集和传输模块、条纹图像处理软件模块和计算机，该方法包括以下步骤：在待测转轴圆周表面包覆双正弦变密度条纹传感器；条纹图像采集模块对双正弦变密度条纹进行实时采集记录；图像传输模块将采集到的双正弦变密度条纹图像传输到计算机；图像处理软件模块计算每帧图像中的双正弦变密度条纹左侧和右侧条纹的条纹密度信息，然后通过左侧和右侧条纹的密度信息计算出转轴对应的转角，最后通过相邻两帧图像转角差和采样时间间隔计算出转轴的瞬时转动角速度和转速。该装置和方法不仅可以用于转轴绝对转动角度的测量，而且可实现对转轴转角和瞬时转速的非接触测量，测量装置简单，测量速度快，精度高。

Description

一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉测量转动技术领域，特别是涉及一种基于双正弦变密度条纹的转轴转角传感和转速测量装置及方法。

背景技术

对转轴瞬时转角和转速的快速、连续和准确地测量对于旋转机械的状态监测、故障诊断和速度控制具有非常重要的作用和意义。如发电机、泵和电机等转动设备的转轴的转速测量；这类转动设备的状态可以通过测量的转轴的转动参数获得并可用于机器的状态监测和故障诊断。目前转速测量技术大体可分为两类：模拟式转速计和数字式转速计。模拟式转速计主要是将转速信息转换成为模拟信号或者其他类型对应比例的信号，模拟式转速计常应用于反馈回路中以精确控制转速。而数字式转速计相对于模拟式转速计一般不需要数模转化器。该类转速测量计主要通过不同的物理原理的编码器实现转速的测量，如光学编码器、磁场编码器、电磁编码器和霍尔编码器等。编码器的选择主要通过具体使用场合和测量精度要求来进行选择。

近年来，随着图像传感器制造技术的进步，基于机器视觉的振动和转速测量技术也快速发展。这种技术具有高效率、非接触，并且不引入附加质量的特点。许多研究学者采用一些高对比度的黑白图案或者编码图形来标记一些大的结构，然后采用图像传感器进行实时成像，以实现对一些大结构的转角测量。这些方法主要是通过不同图像帧模板图像的特征匹配和跟踪算法来获得结构的转角信息，测量速度和精度很大程度上取决于图像匹配算法的速度和准确度。而且在进行图像采集时需要将测量对象整个测量面内的图像信息进行采集，才能进行局部特征信号的跟踪匹配。大范围的图像采集不仅会使得采集系统负担加重，而且对图像信号的传输速率也提出了比较高的要求。

因此，在对现有转速测量方法进行了解和研究的基础上，设计出一种独特的双正弦变密度条纹以实现对转轴转角和转速精确、简单和高效的非接触式测量，该种方法可以在不增加基于机器视觉的测量系统硬件成本的情况下实现转轴转角和转速的实时测量。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置及方法，该装置和方法可实现对转轴转速的非接触测量，测量装置简单，速度快，精度高。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置，包括：

一双正弦变密度条纹传感器，包覆于待测转轴圆周表面，用以编码所述待测转轴的转角信息；

一条纹图像采集和传输模块，用以对所述待测转轴表面的双正弦变密度条纹传感器进行连续采集记录，并将采集到的条纹图像信号进行传输；所述条纹图像采集和传输模块包括条纹成像传感器、光学镜头、成像控制系统和传输系统；

一计算机，用以对所述条纹图像采集和传输模块进行控制，并对经传输系统传输到计算机的条纹图像信号进行存储和处理；

一条纹图像处理软件模块，设置于所述计算机中，用以对所述的条纹图像信号进行处理，计算转轴的时域转角和转速曲线。

所述双正弦变密度条纹传感器为轻质贴片，所述双正弦变密度条纹传感器轻质贴片的正面为条纹图像，背面为粘性层，环贴于所述待测转轴的圆周表面。

所述双正弦变密度条纹传感器为轻质圆形套筒，所述双正弦变密度条纹传感器套筒的外圆周表面为条纹图像，套筒内径与所述待测转轴的直径相等，套筒套设于所述待测转轴上。

所述双正弦变密度条纹传感器的形状为长方形，所述长方形的宽度方向为所述双正弦变密度条纹传感器表面条纹图像的条纹密度变化方向，所述宽度与所测转轴的周长相等。

所述双正弦变密度条纹传感器表面的条纹图像沿所述长方形的长度方向分为左右两侧条纹，左右两侧条纹的条纹密度沿宽度方向都按正弦函数变化，右侧条纹的密度变化曲线相对于左侧条纹密度变化曲线相位滞后π/2。

包覆于转轴表面的所述双正弦变密度条纹传感器的左右两侧的条纹密度组合与转轴0-360度转角的不同角度一一对应，通过计算左右两侧条纹密度获得转轴转角信息。

条纹图像采集模块的采集帧率和成像传感器采集像素范围能够调节，条纹图像采集模块放置于包覆在待测转轴上的双正弦变密度条纹传感器的长度方向的中央且与转轴轴心垂直的正前方，以使所述双正弦变密度条纹传感器能够清晰成像于所述条纹图像采集模块的成像传感器中间位置。

所述条纹成像传感器为面阵成像传感器或线阵成像传感器。

本发明通过以下方法实现，该方法包括以下步骤：

步骤S1：根据所述待测转轴的直径计算出转轴的周长，根据转轴的周长设计好双正弦变密度条纹传感器的宽度，所述宽度等于转轴的周长，并打印好条纹；

步骤S2：在待测转轴表面包覆双正弦变密度条纹传感器；调整好条纹图像采集模块的成像位置并调整好光学镜头的成像焦距，使双正弦变密度条纹传感器成像于条纹图像采集模块中成像传感器的中间位置；

步骤S3：采用条纹图像采集模块对双正弦变密度条纹传感器进行实时采集记录，因成像传感器和转轴的位置是固定的，成像条纹的密度也随着转轴转动角度的变化而变化；

步骤S4：条纹图像传输模块将采集到的条纹图像序列实时传输到计算机，再采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

步骤S5：图像处理软件模块计算每帧图像中同一行像素的左侧和右侧条纹信号条纹密度信息；并通过转角与左右条纹密度组合的数学关系获得转轴转动角速度和转速的时域曲线；

步骤S6：通过计算机显示屏显示测量的转角及转速时域曲线，通过信号分析程序对得到的时域曲线作进一步的数据处理和分析，实现机器的状态监测。

进一步地，所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧条纹密度数学变化关系式为：

其中和为设计所述双正弦变密度条纹传感器时的最大和最小条纹密度，为双正弦变密度条纹传感器左侧条纹密度变化曲线，为双正弦变密度条纹传感器右侧条纹密度变化曲线， 为生成双正弦变密度条纹传感器左右两侧条纹密度变化曲线的总点数，为总点数中的第点；

在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧归一化条纹密度计算公式为：

在第帧条纹图像时刻采集到的所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧归一化条纹密度所对应的正弦相位角计算公式为：

其中，Phase1为在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧条纹密度所对应的正弦相位角，Phase2为在第帧条纹图像时刻转轴采集到所述双正弦变密度条纹传感器的右侧条纹密度所对应的正弦相位角；

在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧条纹正弦相位角所对应的转轴角度计算公式为：

在第帧条纹图像时刻转轴瞬时角速度的数学计算公式为：

在第帧图像时刻转轴瞬时转速的数学计算公式为：

其中，为条纹图像采集模块对应的采样频率，为条纹图像采集模块的采样频率的倒数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）该双正弦变密度条纹质量几乎可以忽略，黏贴到转轴上对转轴的动态特性不会产生任何干扰，相对于一些机械式转速测量计来说具有减小对系统干扰的可能性。（2）对于一些光电编码盘式的转速测量计，测量精度会受到码盘分割数的限制，造成固定的误差。而该条纹式的转速测量编码器条纹的密度变化是连续的，只要条纹密度获取的算法足够准确，就可以实现非常小的转角测量，在原理上消除了如编码盘式的转角测量硬件误差。（3）可实现非接触式转速测量，与现有的基于图像跟踪匹配算法的转轴测量方法相比，不需要进行大量的图像跟踪匹配运算，提高了系统测量的运算速度。（4）可实现采样数据的大幅减小，传输帧率的提高。现有的基于图像跟踪匹配算法的转角测量方法，需要对整个编码条纹图像信息进行采集，才能进行局部特征信号的跟踪匹配，加重了采集系统负担，造成硬件资源的浪费。而本发明利用双正弦变密度条纹的条纹密度信息进行转轴角度的编码，最少只需采集一行像素的条纹信息即可实现转轴的转速测量，大幅提高图像传输速率，减小图像的存储空间和计算时间。

附图说明

图1是本发明实施例的装置结构示意图；

图2是本发明实施例中双正弦变密度条纹设计图；

图3（a）是本发明实施例中双正弦变密度条纹左右两侧正弦变密度条纹的条纹密度变化曲线，图3（b）是本发明实施例中双正弦变密度条纹左右两侧正弦变密度条纹归一化密度变化曲线；

图4（a）是本发明实施例中由双正弦变密度条纹左右两侧正弦变密度条纹的归一化密度变化曲线得到的相位角曲线；图4（b）是由本发明实施例中双正弦变密度条纹左右两侧正弦变密度条纹相位角曲线得到的转角曲线。

图中，1-计算机，2-数据传输线，3-所测转轴，4-双正弦变密度条纹传感器，5-轴承座，6-条纹图像采集模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明实施例的装置结构示意图。如图1所示，本实施例提供一种基于双正弦变密度条纹的转角和转速测量装置，包括双正弦变密度条纹传感器4、条纹图像采集模块6、数据传输线2、计算机1、所测转轴3和轴承座5。双正弦变密度条纹传感器4，包覆于所测转轴3的圆周表面，用于编码所测转轴3的转角信息。条纹图像采集模块6，用于对所测转轴3上的双正弦变密度条纹传感器4进行实时采集记录，并将采集到的条纹图像通过数据线2传输到计算机1。安装于计算机1的图像处理软件模块计算每帧图像中的双正弦变密度条纹左侧和右侧条纹的条纹密度信息；然后通过左侧和右侧条纹的密度信息计算出转轴对应的转角，最后通过相邻两帧图像转角差和采样时间间隔计算出转轴的瞬时转动角速度和转速。最后通过计算机1的显示屏显示测量的转角及转速时域曲线，进行进一步的数据处理和分析。

图2为本发明实施例中双正弦变密度条纹传感器4的设计图。本实施例中，双正弦变密度条纹传感器4的形状为长方形，双正弦变密度条纹传感器4的沿条纹密度变化方向的宽度与所测转轴3的周长相等。双正弦变密度条纹传感器4表面的条纹图像分为左右两侧条纹，左右两侧条纹的条纹密度都按正弦函数变化，右侧条纹的密度变化曲线相对于左侧条纹密度变化曲线相位滞后π/2。测量前，将所述双正弦变密度条纹传感器4沿条纹密度变化方向环设于转轴3圆周表面，以编码所测转轴的转动角度。双正弦变密度条纹传感器4的左右两侧的条纹密度组合与所测转轴0-360度转角的不同角度一一对应，通过计算左右两侧条纹密度获得转轴转角信息。

图2是本发明实施例中一种用于测量转轴转动参数的双正弦变密度条纹传感器4的示意图。在实际的工程测量中，可以根据结构的特点设计不同的条纹形式的传感器，如做成条纹形式的转轴套筒或者编码盘，或者采用在转轴上喷涂条纹等，本专利未列出所有各种不同的条纹形式或者粘贴形式，但是基于本发明的方法进行的测量均属于本发明的保护范围。

图3（a）是本发明实施例中双正弦变密度条纹传感器4左右两侧正弦变密度条纹传感器4的条纹密度变化曲线；图3（b）是本发明实施例中双正弦变密度条纹传感器4左右两侧正弦变密度条纹归一化密度变化曲线。

图4（a）是本发明实施例中由双正弦变密度条纹传感器4左右两侧正弦变密度条纹的归一化密度变化曲线得到的相位角曲线；图4（b）是由本发明实施例中双正弦变密度条纹传感器4左右两侧正弦变密度条纹相位角曲线得到的转角曲线。得到的转角信息刚好与转轴转动一周的角度信息一一对应。

本实施例还提供了采用上述装置的转轴转速测量方法，如图1、2、3和4所示，包括以下步骤：

步骤S1：根据所述待测转轴的直径计算出转轴的周长，根据转轴的周长设计好双正弦变密度条纹传感器的宽度，所述宽度等于转轴的周长，并打印好条纹；

步骤S2：在待测转轴表面包覆双正弦变密度条纹传感器；调整好条纹图像采集模块的成像位置并调整好光学镜头的成像焦距，使双正弦变密度条纹传感器成像于条纹图像采集模块中成像传感器的中间位置；

步骤S3：采用条纹图像采集模块对双正弦变密度条纹传感器进行实时采集记录，因成像传感器和转轴的位置是固定的，成像条纹的密度也随着转轴转动角度的变化而变化；

步骤S4：条纹图像传输模块将采集到的条纹图像序列实时传输到计算机，再采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

步骤S5：图像处理软件模块计算每帧图像中同一行像素的左侧和右侧条纹信号条纹密度信息；并通过转角与左右条纹密度组合的数学关系获得转轴转动角速度和转速的时域曲线；

步骤S6：通过计算机显示屏显示测量的转角及转速时域曲线，通过信号分析程序对得到的时域曲线作进一步的数据处理和分析，实现机器的状态监测。

进一步地，所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧条纹沿宽度方向密度数学变化关系式为：

其中和为设计所述双正弦变密度条纹传感器时的最大和最小条纹密度；为双正弦变密度条纹传感器左侧条纹密度变化曲线，为双正弦变密度条纹传感器右侧条纹密度变化曲线， N为生成双正弦变密度条纹传感器左右两侧条纹密度变化曲线的总点数，n为总点数N中的第n点；

在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧归一化条纹密度计算公式为：

在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧归一化条纹密度所对应的正弦相位角计算公式为：

其中，Phase1为在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧条纹密度所对应的正弦相位角，Phase2为在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器右侧条纹密度所对应的正弦相位角；

在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧条纹正弦相位角所对应的转轴角度计算公式为：

在第帧条纹图像时刻转轴瞬时角速度的数学计算公式为：

在第帧图像时刻转轴瞬时转速的数学计算公式为：

其中，为条纹图像采集模块对应的采样频率，为条纹图像采集模块的采样频率的倒数。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置，其特征在于：包括

一双正弦变密度条纹传感器，包覆于待测转轴圆周表面，用以编码所述待测转轴的转角信息；

一条纹图像采集和传输模块，用以对所述待测转轴表面的双正弦变密度条纹传感器进行连续采集记录，并将采集到的条纹图像信号进行传输；所述条纹图像采集和传输模块包括条纹成像传感器、光学镜头、成像控制系统和传输系统；

一计算机，用以对所述条纹图像采集和传输模块进行控制，并对经传输系统传输到计算机的条纹图像信号进行存储和处理；

一条纹图像处理软件模块，设置于所述计算机中，用以对所述的条纹图像信号进行处理，计算转轴的时域转角和转速曲线。

2.根据权利要求1所述的一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置，其特征在于：所述双正弦变密度条纹传感器为轻质贴片，所述双正弦变密度条纹传感器轻质贴片的正面为条纹图像，背面为粘性层，环贴于所述待测转轴的圆周表面。

3.根据权利要求1所述的一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置，其特征在于：所述双正弦变密度条纹传感器为轻质圆形套筒，所述双正弦变密度条纹传感器套筒的外圆周表面为条纹图像，套筒内径与所述待测转轴的直径相等，套筒套设于所述待测转轴上。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置，其特征在于：所述双正弦变密度条纹传感器的形状为长方形，所述长方形的宽度方向为所述双正弦变密度条纹传感器表面条纹图像的条纹密度变化方向，所述宽度与所测转轴的周长相等。

5.根据权利要求书4所述的一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置，其特征在于：所述双正弦变密度条纹传感器表面的条纹图像沿所述长方形的长度方向分为左右两侧条纹，左右两侧条纹的条纹密度沿所述长方形宽度方向都按正弦函数变化，右侧条纹的密度变化曲线相对于左侧条纹密度变化曲线相位滞后π/2。

6.根据权利要求5所述的一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置，其特征在于：包覆于转轴表面的所述双正弦变密度条纹传感器的左右两侧的条纹密度组合与转轴0-360度转角的不同角度一一对应，通过计算左右两侧条纹密度获得转轴转角信息。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置，其特征在于：条纹图像采集模块的采集帧率和成像传感器采集像素范围能够调节，条纹图像采集模块放置于包覆在待测转轴上的双正弦变密度条纹传感器的长度方向的中央且与转轴轴心垂直的正前方，以使所述双正弦变密度条纹传感器能够清晰成像于所述条纹图像采集模块的成像传感器中间位置。

8.根据权利要求7所述的一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置，其特征在于：所述条纹成像传感器为面阵成像传感器或线阵成像传感器。

9.一种根据权利要求4-8之一所述的基于双正弦变密度条纹的转速测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：根据所述待测转轴的直径计算出转轴的周长，根据转轴的周长设计好双正弦变密度条纹传感器的宽度，所述宽度等于转轴的周长，并打印好条纹；

步骤S2：在待测转轴表面包覆双正弦变密度条纹传感器；调整好条纹图像采集模块的成像位置并调整好光学镜头的成像焦距，使双正弦变密度条纹传感器成像于条纹图像采集模块中成像传感器的中间位置；

步骤S3：采用条纹图像采集模块对双正弦变密度条纹传感器进行实时采集记录，因成像传感器和转轴的位置是固定的，成像条纹的密度也随着转轴转动角度的变化而变化；

步骤S4：条纹图像传输模块将采集到的条纹图像序列实时传输到计算机，再采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

步骤S5：图像处理软件模块计算每帧图像中同一行像素的左侧和右侧条纹信号条纹密度信息；并通过转角与左右条纹密度组合的数学关系获得转轴转动角速度和转速的时域曲线；

步骤S6：通过计算机显示屏显示测量的转角及转速时域曲线，通过信号分析程序对得到的时域曲线作进一步的数据处理和分析，实现机器的状态监测。

10.根据权利要求9所述的一种基于双正弦变密度条纹的转速测量装置的测量方法，其特征在于：所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧条纹沿所述双正弦变密度条纹传感器宽度方向的密度数学变化关系式为：

其中和为设计所述双正弦变密度条纹传感器时的最大和最小条纹密度，为双正弦变密度条纹传感器左侧条纹密度变化曲线，为双正弦变密度条纹传感器右侧条纹密度变化曲线， 为生成双正弦变密度条纹传感器左右两侧条纹密度变化曲线的总点数，为总点数中的第点；

在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧归一化条纹密度计算公式为：

在第帧条纹图像时刻转轴采集到的所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧归一化条纹密度所对应的正弦相位角计算公式为：

其中，为在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧条纹密度所对应的正弦相位角，为在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器右侧条纹密度所对应的正弦相位角；

在第帧条纹图像时刻采集到所述双正弦变密度条纹传感器左侧和右侧条纹正弦相位角所对应的转轴角度计算公式为：

在第帧条纹图像时刻转轴瞬时角速度的数学计算公式为：

在第帧图像时刻转轴瞬时转速的数学计算公式为：

其中，为条纹图像采集模块对应的采样频率，为条纹图像采集模块的采样频率的倒数。