CN107271025B - 一种转轴三维振动同步测量的装置及方法 - Google Patents

一种转轴三维振动同步测量的装置及方法 Download PDF

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    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

Abstract

本发明涉及一种转轴三维振动同步测量的装置及方法，该装置包括条纹传感器、图像采集模块、图像处理软件和计算机，该方法包括以下步骤：将条纹传感器安装于待测转轴；在转轴正前方安装好图像采集模块，使得图像采集模块的成像光轴与转轴垂直并位于同一平面，调整好图像采集模块的成像透镜使得条纹传感器清晰成像于图像采集模块的成像传感器中间位置；当转轴转动时采用图像采集模块对条纹传感器进行实时成像并传输到计算机中进行处理；图像处理软件对采集的条纹图像进行处理获得转轴的三维振动信息。

Description

一种转轴三维振动同步测量的装置及方法
技术领域
本发明涉及机器视觉测量振动技术领域，特别是涉及一种转轴三维振动非接触式同步测量的装置及方法。
背景技术
转轴的轴向振动和径向振动信号对于转轴的状态监测和缺陷检测具有非常重要的意义，因为这些振动信号与旋转机械的动态特性息息相关。例如，转轴不对中是旋转机械转轴的一种常见故障，引起转轴不对中的主要因素主要由装配误差，热变形或载荷不平衡等。过大的转轴不对中误差可能引起转轴的强烈振动，进而对旋转机械造成损伤和危害。因此对转轴的振动信号进行实时的监测对于转轴的健康状态和故障诊断具有非常重要的意义。
目前，转轴振动测量技术主要可分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量主要通过接触式传感器来获得振动数据。但是因为转轴在工作过程需要旋转，导致接触式传感器不能直接对转轴进行测量，往往通过对转轴的支撑架或者其他非旋转部件的振动进行测量来间接获得转轴的振动。通过间接测量方法测量转轴的振动往往受到其他因素的影响，比如受到转转部件和非旋转部件之间的传递效率的影响。因此采用非接触测量方法对转轴进行直接测量能够更加准确地获得转轴的振动参数。现在比较流行的非接触式转轴振动测量方法主要是采用电涡流传感器，但是电涡流传感器对转轴的材料有所要求，对于一些非金属材料的转轴可能并不适用。另一种非接触式的测量方法是激光多普勒测量仪，但是这种设备一般比较昂贵，并不经济。而且，对于电涡流传感器和激光多普勒测量仪而言，一个方向的振动就需要一个传感器或者探头，并不能实现一个传感器或者探头对多维振动的测量。
因此，在对现有转速测量方法进行了解和研究的基础上，本发明设计出一种精确、简单和高效的非接触式转轴三维振动同步测量的装置和方法，该方法只需要在转轴上设置一个条纹传感器就可以实现转轴三个维度的振动测量，相对于现有的测量方法而言，不仅降低了硬件成本，更加提高了转轴振动测量的测量效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种转轴三维振动同步测量的装置和方法，该装置和方法可以从一个条纹传感器中实现转轴三维振动的同步测量，测量装置简单，测量效率高。
本发明采用以下方案实现：一种转轴三维振动同步测量装置，其包括一条纹传感器，安装于待测转轴圆周表面，用以感知转轴的三维空间位移信息；一图像采集模块，用以对所述待测转轴上的条纹传感器进行图像采集与记录，并将采集到的条纹传感器图像信号通过数据传输线传输至计算机；一计算机，用以对所述图像采集模块进行控制；以及一图像处理模块，所述图像处理模块用于对所述的条纹传感器图像信号进行处理，计算转轴的三维振动信息。
在本发明一实施例中，所述条纹传感器制为轻质贴片式传感器；其正面为条纹图像，背面为粘性层；轻质贴片式传感器环贴设于待测转轴表面。
进一步的，轻质贴片式传感器正面为条纹图像的条纹为正弦条纹；条纹强度沿贴片式条纹传感器的长度方向成正弦变化，沿宽度方向条纹强度不变，其宽度与转轴的周长相等。
在本发明一实施例中，所述条纹传感器为轻质套筒式传感器；其内径与转轴一致，其外表面为条纹图像；轻质套筒式传感器套设于待测转轴需要测量的位置。
进一步的，轻质套筒外表面条纹图像沿套筒的轴向条纹强度成正弦变化，沿环周方向条纹强度不变。
在本发明一实施例中，所述图像采集模块的采样帧率根据所测振动的最高频率调整，其成像范围根据条纹传感器实际的成像大小进行调整，以减小采集的条纹图像的数据量。
在本发明一实施例中，所述图像采集模块包括控制电路及与其相连接的成像传感器、成像镜头。
本发明还提供一种转轴三维振动同步测量的方法，其包括以下步骤：步骤S1：在待测振动转轴上安装正弦条纹传感器，并调整好图像采集模块的成像位置，使条纹成像于成像传感器的中间位置；步骤S2： 随着待测转轴的振动，贴覆其表面的正弦条纹传感器也随之转动和振动，采用图像采集模块对条纹传感器进行连续成像和记录；步骤S3：将采集到的条纹图像传输到计算机，再采用图像处理模块进行条纹信号的处理，获得转轴的三维振动信息。
在本发明一实施例中，所述图像处理模块的处理流程为：步骤S31：选取第一帧条纹图像为参考帧，逐行求取条纹的精确密度信息，得到转轴表面的包络线；步骤S32：对获得的包络线进行插值重采样，提高曲线的采样点数；再采用二次样条曲线对包络线进行拟合平滑；然后求取平滑后包络线的斜率曲线，再通过线性插值函数求取斜率曲线斜率值为零的坐标值；则该斜率为零的坐标点即为转轴轴线位置；如果转轴在垂直于成像光轴和转轴轴线的方向有位移，那么通过求取转轴轴线在成像传感器垂直方向上相对于参考帧轴线位置的相对改变获得转轴在垂直于成像光轴和转轴轴线方向的位移信号；步骤S33：通过样条曲线插值法求取步骤S32中平滑后的包络线在转轴轴线坐标处的条纹密度信息；如果转轴在成像光轴方向有位移，那么该条纹轴线处的条纹信号的条纹密度也随着转轴在成像光轴方向的位移变化而变化，从该密度信息的变化即可获得转轴在成像光轴方向的振动信息；步骤S34：提取出每帧条纹图转轴轴线处的条纹强度信号并通过样条曲线进行插值处理，以提高条纹的采样分辨率；将参考帧条纹强度信号并作自相关运算，通过峰值寻找方法找到自相关序列最大峰值点的坐标作为转轴轴向位移的参考点；再通过各帧条纹图转轴轴线处的条纹强度信号与参考帧条纹强度信号并作互相关运算并求取各互相关序列的最大峰值点坐标值；如果转轴在转轴的轴线方向有位移，那么通过互相关运算获得的最大峰值点坐标值将与参考坐标有相对坐标变化，因此转轴轴向位移信息可以通过求取该坐标的相对变化计算获得。
在本发明一实施例中，转轴沿成像光轴方向的位移数学关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为转轴在
Figure DEST_PATH_IMAGE006
时刻的位移，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为成像镜头和条纹传感器之间的成像物距，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为在
Figure 396618DEST_PATH_IMAGE006
时刻转轴轴线处条纹的密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为参考帧转轴轴线处条纹的密度；转轴沿垂直于成像光轴和转轴轴线方向的位移数学关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为转轴在
Figure 954506DEST_PATH_IMAGE006
时刻沿垂直于成像光轴和转轴轴线方向的位移，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为转轴轴线坐标的相对坐标差值，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为条纹传感器条纹的实际宽度，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为参考帧转轴轴线位置条纹覆盖的像素点数；转轴沿转轴轴线方向的位移数学关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为转轴在
Figure 701619DEST_PATH_IMAGE006
时刻沿转轴轴线方向的位移，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为转轴在
Figure 237774DEST_PATH_IMAGE006
时刻轴线条纹强度与参考帧轴线条纹强度互相关序列的最大峰值点的坐标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为参考帧轴线条纹强度自相关序列的最大峰值点的坐标值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）本发明只需要一个轻质条纹传感器即可实现对转动轴三维振动的同步测量，不需要如电涡流传感器那样在转轴的每个振动方向上都要布置一路传感器。（2）本发明的条纹传感器对测量对象没有材质要求，可适用于任何材料的对象。（3）本发明的条纹传感器成本低廉，采用普通的打印机和不干胶纸即可打印制作成功。
附图说明
图1是本发明实施例的装置结构示意图。
图2是转轴在不同径向位移时图像传感器采集的条纹图。
图3为图2中不同条纹图的获得的转轴表面密度变化曲线，即转轴表面包络线。图4为图3中各条纹密度曲线的斜率曲线。
图5是转轴轴向位移计算的处理流程图。
图6是本发明实施例中转轴径向位移测量原理图。
图中，1-计算机，2-数据传输线，3-图像采集模块，4-成像镜头，5-轴承座，6-条纹传感器，7-转轴，8-面阵图像传感器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例的装置结构示意图。如图1所示，本发明提供一种转轴三维振动同步测量装置，包括计算机1、图像采集模块3、条纹传感器6。条纹传感器6安装于待测转轴7圆周表面，用以感知转轴7的三维空间位移信息。图像采集模块3用以对待测转轴7上的条纹传感器6进行图像采集与记录，并将采集到的条纹传感器图像信号通过数据传输线2传输至计算机1。计算机1用以对图像采集模块3进行控制，并对传输到计算机1的条纹图像信号进行处理分析以获得转轴的三维振动信息。
在本发明一实施例中，所述条纹传感器制为轻质贴片式传感器；其正面为条纹图像，背面为粘性层；轻质贴片式传感器环贴设于待测转轴表面。
进一步的，轻质贴片式传感器正面为条纹图像的条纹为正弦条纹；条纹强度沿贴片式条纹传感器的长度方向成正弦变化，沿宽度方向条纹强度不变，其宽度与转轴的周长相等。
在本发明另一实施例中，所述条纹传感器为轻质套筒式传感器；其内径与转轴一致，其外表面为条纹图像；轻质套筒式传感器套设于待测转轴需要测量的位置。
进一步的，轻质套筒外表面条纹图像沿套筒的轴向条纹强度成正弦变化，沿环周方向条纹强度不变。
在本发明一实施例中，所述图像采集模块的采样帧率根据所测振动的最高频率调整，其成像范围根据条纹传感器实际的成像大小进行调整，以减小采集的条纹图像的数据量。
在本发明一实施例中，所述图像采集模块包括控制电路及与其相连接的成像传感器、成像镜头。
本发明实施例转轴在不同径向位移时的采集的条纹图及其处理说明图参见图2-4。图2中F1为参考帧条纹图，F2为转轴在垂直于成像光轴和转轴轴线方向上有正向位移时采集的条纹图，F3为转轴在垂直于成像光轴和转轴轴线方向上有负向位移时采集的条纹图。
如图2-4所示，所采集的条纹图像在待测转轴7表面不同位置沿轴心方向的 条纹密度将发生变化，位于转轴轴心位置的条纹密度变化最小，往轴心两侧越远 位置的条纹密度变化越大。因此可以根据变密度条纹图像的条纹密度变化规律求 取转轴的表面包络线，并通过求得的转轴包络线确定转轴在图像中的待测转轴7 轴线位置，通过求取不同帧条纹图像转轴轴线的中心位置即可获得转轴在垂直于 成像光轴和转轴轴线方向的位移信息。转轴的表面包络线可以根据沿成像光轴方 向每行条纹的条纹密度信息的提取。处理后的不同帧条纹图获得的转轴条纹密度 变化曲线，即转轴包络线如图3所示。对获得的包络线进行插值重采样，提高曲 线的采样点数；再采用二次样条曲线对包络线进行拟合平滑；然后求取平滑后包 络线的斜率曲线，再通过线性插值函数求取斜率曲线斜率值为零的坐标值。该斜 率为零的坐标点即为转轴轴线位置，如图4所示。如果转轴7在垂直于成像光轴 和转轴轴线的方向有位移，那么通过求取转轴轴线在成像传感器8垂直方向上相 对于参考帧轴线位置的相对改变获得转轴7在垂直于成像光轴和转轴轴线方向的 位移信号。通过样条曲线插值法求取平滑后的包络线在转轴轴线坐标处的条纹密 度信息。如果转轴7沿成像光轴方向有位移，那么该条纹轴线处的条纹信号的条 纹密度也随着转轴7在成像光轴方向的位移变化而变化，从该密度信息的变化即 可获得转轴7在成像光轴方向的振动信息。
一种转轴三维振动同步测量的方法，其包括以下步骤：步骤S1：在待测振动转轴上安装正弦条纹传感器，并调整好图像采集模块的成像位置，使条纹成像于成像传感器的中间位置；步骤S2： 随着待测转轴的振动，贴覆其表面的正弦条纹传感器也随之转动和振动，采用图像采集模块对条纹传感器进行连续成像和记录；步骤S3：将采集到的条纹图像传输到计算机，再采用图像处理模块进行条纹信号的处理，获得转轴的三维振动信息。
在本发明一实施例中，所述图像处理模块的处理流程为：步骤S31：选取第一帧条纹图像为参考帧，逐行求取条纹的精确密度信息，得到转轴表面的包络线；步骤S32：对获得的包络线进行插值重采样，提高曲线的采样点数；再采用二次样条曲线对包络线进行拟合平滑；然后求取平滑后包络线的斜率曲线，再通过线性插值函数求取斜率曲线斜率值为零的坐标值；则该斜率为零的坐标点即为转轴轴线位置；如果转轴在垂直于成像光轴和转轴轴线的方向有位移，那么通过求取转轴轴线在成像传感器垂直方向上相对于参考帧轴线位置的相对改变获得转轴在垂直于成像光轴和转轴轴线方向的位移信号；步骤S33：通过样条曲线插值法求取步骤S32中平滑后的包络线在转轴轴线坐标处的条纹密度信息；如果转轴在成像光轴方向有位移，那么该条纹轴线处的条纹信号的条纹密度也随着转轴在成像光轴方向的位移变化而变化，从该密度信息的变化即可获得转轴在成像光轴方向的振动信息；步骤S34：提取出每帧条纹图转轴轴线处的条纹强度信号并通过样条曲线进行插值处理，以提高条纹的采样分辨率；将参考帧条纹强度信号并作自相关运算，通过峰值寻找方法找到自相关序列最大峰值点的坐标作为转轴轴向位移的参考点；再通过各帧条纹图转轴轴线处的条纹强度信号与参考帧条纹强度信号并作互相关运算并求取各互相关序列的最大峰值点坐标值；如果转轴在转轴的轴线方向有位移，那么通过互相关运算获得的最大峰值点坐标值将与参考坐标有相对坐标变化，因此转轴轴向位移信息可以通过求取该坐标的相对变化计算获得。
图5是转轴轴向位移计算的处理流程图。如图5所示，提取出每帧条纹图转轴轴线处的条纹强度信号并通过样条曲线进行插值处理，以提高条纹的采样分辨率；将参考帧条纹强度信号并作自相关运算，通过峰值寻找方法找到自相关序列最大峰值点的坐标作为转轴轴向位移的参考点；再通过各帧条纹图转轴轴线处的条纹强度信号与参考帧条纹强度信号并作互相关运算并求取各互相关序列的最大峰值点坐标值。如果转轴在转轴的轴线方向有位移，那么通过互相关运算获得的最大峰值点坐标值将与参考坐标有相对坐标变化，因此转轴轴向位移信息可以通过求取该坐标的相对变化计算获得。
图6是本发明实施例中转轴径向位移测量原理图。如图4所示，转轴沿成像光轴方向的位移数学关系式为：
Figure 724250DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 749975DEST_PATH_IMAGE004
为转轴在
Figure 708354DEST_PATH_IMAGE006
时刻的位移，
Figure 844937DEST_PATH_IMAGE008
为成像镜头和条纹传感器之间的成像物距，
Figure 185919DEST_PATH_IMAGE010
为在
Figure 648125DEST_PATH_IMAGE006
时刻转轴轴线处条纹的密度，
Figure 746662DEST_PATH_IMAGE012
为参考帧转轴轴线处条纹的密度。
转轴沿垂直于成像光轴和转轴轴线方向的位移数学关系式为：
Figure 418427DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 879496DEST_PATH_IMAGE016
为转轴在
Figure 247023DEST_PATH_IMAGE006
时刻沿垂直于成像光轴和转轴轴线方向的位移，
Figure 426332DEST_PATH_IMAGE018
为转轴轴线坐标的相对坐标差值，
Figure 904717DEST_PATH_IMAGE020
为条纹传感器条纹的实际宽度，
Figure 79347DEST_PATH_IMAGE022
为参考帧转轴轴线位置条纹覆盖的像素点数。
转轴沿转轴轴线方向的位移数学关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
其中
Figure 758721DEST_PATH_IMAGE026
为转轴在
Figure 18801DEST_PATH_IMAGE006
时刻沿转轴轴线方向的位移，
Figure 238561DEST_PATH_IMAGE028
为转轴在
Figure 931012DEST_PATH_IMAGE006
时刻轴线条纹强度与参考帧轴线条纹强度互相关序列的最大峰值点的坐标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为参考帧轴线条纹强度自相关序列的最大峰值点的坐标值。
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 (6)

1.一种转轴三维振动同步测量装置，其特征在于：包括
一条纹传感器，安装于待测转轴圆周表面，用以感知转轴的三维空间位移信息；
一图像采集模块，用以对所述待测转轴上的条纹传感器进行图像采集与记录，并将采集到的条纹传感器图像信号传输至计算机；
一计算机，用以对所述图像采集模块进行控制；
以及一图像处理模块，所述图像处理模块用以对所述的条纹传感器图像信号进行处理，计算转轴的三维振动信息；
所述条纹传感器为轻质贴片式传感器；其正面为条纹图像，背面为粘性层；轻质贴片式传感器环贴设于待测转轴表面；
轻质贴片式传感器正面为正弦条纹图像；条纹强度沿贴片式条纹传感器的长度方向呈正弦变化，沿宽度方向条纹强度不变，其宽度与转轴的周长相等；
该装置的方法，包括以下步骤：
步骤S1：在待测振动转轴上安装条纹传感器，并调整好图像采集模块的成像位置，使条纹成像于成像传感器的中间位置；
步骤S2：随着待测转轴的振动，贴覆其表面的条纹传感器也随之转动和振动，采用图像采集模块对条纹传感器进行连续成像和记录；
步骤S3：将采集到的条纹图像传输到计算机，再采用图像处理模块进行条纹信号的处理，获得转轴的三维振动信息；
所述图像处理模块的处理流程为：
步骤S31：选取第一帧条纹图像为参考帧，逐行求取条纹的精确密度信息，得到转轴表面的包络线；
步骤S32：对获得的包络线进行插值重采样，提高曲线的采样点数；再采用二次样条曲线对包络线进行拟合平滑；然后求取平滑后包络线的斜率曲线，再通过线性插值函数求取斜率曲线斜率值为零的坐标值，则该斜率为零的坐标点即为转轴轴线位置；如果转轴在垂直于成像光轴和转轴轴线的方向有位移，那么通过求取转轴轴线在成像传感器垂直方向上相对于参考帧轴线位置的相对改变获得转轴在垂直于成像光轴和转轴轴线方向的位移信号；
步骤S33：通过样条曲线插值法求取步骤S32中平滑后的包络线在转轴轴线坐标处的条纹密度信息；如果转轴在成像光轴方向有位移，那么该条纹轴线处的条纹信号的条纹密度也随着转轴在成像光轴方向的位移变化而变化，从该密度信息的变化即可获得转轴在成像光轴方向的振动信息；
步骤S34：提取出每帧条纹图转轴轴线处的条纹强度信号并通过样条曲线进行插值处理，以提高条纹的采样分辨率；将参考帧条纹强度信号并作自相关运算，通过峰值寻找方法找到自相关序列最大峰值点的坐标作为转轴轴向位移的参考点；再通过各帧条纹图转轴轴线处的条纹强度信号与参考帧条纹强度信号并作互相关运算并求取各互相关序列的最大峰值点坐标值；如果转轴在转轴的轴线方向有位移，那么通过互相关运算获得的最大峰值点坐标值将与参考坐标有相对坐标变化，因此转轴轴向位移信息可以通过求取该坐标的相对变化计算获得。
2.根据权利要求1所述的转轴三维振动同步测量装置，其特征在于：所述条纹传感器为轻质套筒式传感器；其内径与转轴直径一致，其外表面为条纹图像；轻质套筒式传感器套设于待测转轴需要测量的位置。
3.根据权利要求2所述的转轴三维振动同步测量装置，其特征在于：轻质套筒外表面条纹图像沿套筒的轴向条纹强度呈正弦变化，沿环周方向条纹强度不变。
4.根据权利要求1所述的转轴三维振动同步测量装置，其特征在于：所述图像采集模块包括控制电路及与其相连接的成像传感器、成像镜头。
5.根据权利要求1所述的转轴三维振动同步测量装置，其特征在于：所述图像采集模块的采样帧率根据所测振动的最高频率调整，其成像范围根据条纹传感器实际的成像大小进行调整，以减小采集的条纹图像的数据量。
6.根据权利要求1所述的转轴三维振动同步测量装置，其特征在于：转轴沿成像光轴方向的位移数学关系式为：
Δx(t)＝Z[d(t)-d0]/d0
其中Δx(t)为转轴在t时刻的位移，Z为成像镜头和条纹传感器之间的成像物距，d(t)为在t时刻转轴轴线处条纹的密度，d0为参考帧转轴轴线处条纹的密度；
转轴沿垂直于成像光轴和转轴轴线方向的位移数学关系式为：
Figure FDA0004015438970000021
其中Δy(t)为转轴在t时刻沿垂直于成像光轴和转轴轴线方向的位移，Δm(t)为转轴轴线坐标的相对坐标差值，L为条纹传感器条纹的实际宽度，NL为参考帧转轴轴线位置条纹覆盖的像素点数；
转轴沿转轴轴线方向的位移数学关系式为：
Figure FDA0004015438970000031
其中Δz(t)为转轴在t时刻沿转轴轴线方向的位移，n(t)为转轴在t时刻轴线条纹强度与参考帧轴线条纹强度互相关序列的最大峰值点的坐标值，nr为参考帧轴线条纹强度自相关序列的最大峰值点的坐标值。
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