CN108254063A - 追踪旋转叶片的振动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种追踪旋转叶片的振动测量装置及方法，属于振动检测技术领域，该装置包括：激光源，所述激光源能够发射激光；X‑Y导向镜片，所述X‑Y导向镜片设置于所述激光源之外，用于引导所述激光源发射的激光；高速摄像机，所述高速摄像机采用低分辨率模式实时捕捉所述旋转叶片的旋转图像；控制器，所述控制器分别与所述X‑Y导向镜片及所述高速摄像机通信连接，所述控制器通过所述旋转图像实时的确定所述旋转叶片的振动测试位置，并控制所述X‑Y导向镜片引导激光实时的跟踪所述振动测试位置。通过本申请的方案，提高了振动检测的准确性。

Description

追踪旋转叶片的振动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及振动检测技术领域，尤其涉及一种利用高速摄像机和激光多普勒测振仪的振动测量处理技术。

背景技术

机械设备的振动信息常被用于评估机械的运行状态，诊断机械运行故障，或者校正机械的计算机仿真模型。因此，准确测量机械设备的振动信息显得尤为重要。振动的测量可分为接触式和非接触式。接触式测量方法需要把振动传感器附着于待测物体表面，但附加的质量往往会破坏被测物体原有的振动状态，影响测量精度。因此，接触式测量方法不适合测量薄壁、轻质物体的振动。非接触测量包括利用金属感应的位移传感器，其局限是安装要求高，探头需要靠近被测物体表面，且测量精度有限。

近年来，高速摄像机常被当做一种非接触测量方法，用于测量物体的振动。其原理是连续采集数万甚至数十万帧高分辨率图像，利用图像识别算法，计算连续两帧图像中物体的位置差别，从而获得物体的振动信息。此种测量方法的优点是试验设置简单，可以追踪运动中的物体的振动(如正在工作的风能发电机叶片)。其缺点是测量精度取决于图像的分辨率(像素大小)和拍照的频率。因此，对摄像机与被测物体的距离，以及摄像机的内存大小都有较高的要求，且振动信息提取需要离线处理。

激光多普勒测振仪也是近年来使用较多的非接触式测量设备，其测量精度高，不受被测物体的尺寸、温度、振动频率等限制。使用控制信号驱动一对导向镜片(高速响应扫描镜片)，可以引导激光在被测物体上进行单点依次扫描或者连续扫描，实现快速振动测量。与高速摄像机相比，激光多普勒测振仪的优点是测量精度高，缺点是不能追踪运动物体。以旋转的涡轮叶片或者风能发电机叶片为例，若要采用激光多普勒测量叶片在运行状态下的振动，现行的做法是利用转速编码器获得叶片的转速/位置，将叶片的转速/位置信号通过一系列数学运算转换为镜片的控制信号，引导激光追踪转动的叶片。这种追踪测量方法要求激光源放置在旋转中心的轴线上，同时，由于叶片通常会在旋转平面内的摆动，若摆动幅度过大，激光点甚至会落到叶片表面以外，影响测量精度。由于风机叶片通常安装在几十米甚至上百米的高空，而激光源通常放在地面，因此激光源无法在叶片旋转轴线上，从而无法测量工作状态下的风机叶片的振动。

因此，亟待一种全新的振动检测技术。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种追踪旋转叶片的振动测量装置及方法，至少部分的解决现有技术中存在的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种追踪旋转叶片的振动测量装置，包括：

激光源，所述激光源能够发射激光；

X-Y导向镜片，所述X-Y导向镜片设置于所述激光源之外，用于引导所述激光源发射的激光；

高速摄像机，所述高速摄像机采用低分辨率模式实时捕捉所述旋转叶片的旋转图像；

控制器，所述控制器分别与所述X-Y导向镜片及所述高速摄像机通信连接，所述控制器通过所述旋转图像实时的确定所述旋转叶片的振动测试位置，并控制所述X-Y导向镜片引导激光实时的跟踪所述振动测试位置。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述控制器内包括可编程逻辑门阵列,所述可编程逻辑门阵列内烧录有针对所述旋转叶片的图像识别算法。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述控制器实时获取所述高速摄像机拍摄的旋转图像，基于所述旋转图像确定所述旋转叶片的边缘位置。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述控制器使用直线扫描方式对所述旋转叶片进行扫描。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述装置还包括：

计算模块，所述计算模块对获取到的激光信号进行离线处理，从而得到所述旋转叶片的振动信息。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述计算模块对获取到的激光信号进行离线处理，包括：

将所述激光信号分成等时长的子段，采用hanning窗函数对每个子段信号进行防泄漏处理；

将每个子段激光信号转换成频域信号，将子段的频域信号做平均处理，得到平均频域信号；

针对获得的所述平均频域信号，使用滤波器去除与所述旋转叶片旋转频率及其倍数频率相关的信号，获得所述旋转叶片在测量点上的振动信息；

依次测量旋转叶片上不同点的振动信息，进而获得整个旋转叶片的振动信息。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述控制器对所述旋转图像进行边缘识别后，对连续两帧旋转图片中的边缘位置进行比较，获得所述旋转叶片的摆动速度，并利用所述摆动速度对镜片控制信号进行补偿。

第二方面，本发明实施例一种追踪旋转叶片的振动测量方法，包括：

利用高速摄像机采用低分辨率模式实时捕捉所述旋转叶片的旋转图像；

对所述旋转图像进行实时处理，获得所述旋转叶片的边缘信息；

基于所述边缘信息，实时确定所述旋转叶片的振动测试位置；

控制X-Y导向镜片引导激光实时跟踪所述振动测试位置。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，使用直线扫描方式对所述旋转叶片进行扫描。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：

采用计算模块对获取到的激光信号进行离线处理，从而得到所述旋转叶片的振动信息。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述对获取到的激光信号进行离线处理，包括：

将所述激光信号分成等时长的子段，采用hanning窗函数对每个子段信号进行防泄漏处理；

将每个子段激光信号转换成频域信号，将子段的频域信号做平均处理，得到平均频域信号；

针对获得的所述平均频域信号，使用滤波器去除与所述旋转叶片旋转频率及其倍数频率相关的信号，获得所述旋转叶片在测量点上的振动信息；

依次测量旋转叶片上不同点的振动信息，进而获得整个旋转叶片的振动信息。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：

对所述旋转图像进行边缘识别后，对连续两帧旋转图片中的边缘位置进行比较，获得所述旋转叶片的摆动速度，并利用所述摆动速度对镜片控制信号进行补偿。

本发明的装置及方法相比现有技术具有如下明显的优点：

1、由于高速摄像机捕捉工作中叶片的实时图像的目的仅仅是用于采集叶片的位置，因而对拍照频率和照片分辨率的要求大幅降低。

2、利用摄像机捕捉到的位置信息，引导激光追踪运动中的叶片，激光扫描点的位置准确，且不需要激光源放置在叶片旋转中心的轴线上，大大增加了测量方法的可操作性(尤其是对于高度很高的风力发电机叶片测量而言)。

3、通过比较高速摄像机连续两帧图片中的叶片边缘位置，可以计算出叶片在旋转平面内的摆动速度，利用此叶片的摆动速度，可以对镜片控制信号进行补偿，以抵消叶片在旋转平面内的摆动对追踪精度的影响，进一步提高振动的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种追踪旋转叶片的振动测量装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种摄像机获取的原始的旋转叶片图片示意图；

图3为本发明实施例提供的一种边缘识别后的旋转叶片图片示意图；

图4为本发明实施例提供的一种追踪旋转叶片的振动测量方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供了一种追踪旋转叶片的振动测量装置，包括：激光源、X-Y导向镜片、高速摄像机以及控制器。

激光源能够发射激光，该激光用于对旋转叶片进行振动测试，X-Y导向镜片设置于所述激光源之外，用于引导所述激光源发射的激光跟踪所述旋转叶片。高速摄像机采用低分辨率模式实时捕捉所述旋转叶片的旋转图像，所述控制器分别与所述X-Y导向镜片及所述高速摄像机通信连接，所述控制器通过所述旋转图像实时的确定所述旋转叶片的振动测试位置，并控制所述X-Y导向镜片引导激光实时的跟踪所述振动测试位置

具体的，该测量装置可以包括计算机(计算模块)、嵌入式控制器、高速摄像机、激光多普勒测振仪(激光源)和X-Y导向镜片系统，其中，高速摄像机与嵌入式控制器通过信号线进行连接，所述的嵌入式控制器一方面通过信号线与X-Y导向镜片系统连接，另一方面通过信号线与所述的激光多普勒测振仪连接，所述的激光多普勒测振仪与所述的X-Y导向镜片系统之间具有严格的位置关系，以保证激光多普勒测振仪发出的激光能够通过所述的X-Y导向镜片系统照射到相应的测量点，所述的嵌入式控制器还通过连接线与计算机实现互连。

作为一种可选的实施方式，上述追踪旋转叶片的振动测量装置中的嵌入式控制器具有可编程逻辑门阵列(FPGA)，既拥有软件的灵活性，又有硬件的高速处理能力和可靠性，通过将图像识别算法编译后烧录至FPGA，可以大幅提高图像识别处理速度，降低镜片控制信号的延迟，提高激光追踪的位置精确度

通过上面的装置进行振动测量时，首先通过高速摄像机捕捉工作中叶片的实时图像，并将图像信息通过信号线传送给嵌入式控制器，由嵌入式控制器基于图像边缘识别算法，准确计算出叶片的边缘位置，并通过一些列的几何关系变换，将叶片的边缘位置转换成调节X-Y导向镜片的控制信号，从而引导激光多普勒测振仪发出的激光来追踪叶片上的目标点，并将获取的激光信息通过控制器存入计算机，当获取的激光信息满足测量需求后，在线测量结束，然后通过计算机对获取的激光信息进行离线处理从而获得叶片的振动信息。

作为一种可选的实施方式，所述的图像识别算法直接通过烧录的方式固化在嵌入式控制器的可编程逻辑门阵列(FPGA)中，以降低实时图像处理的延迟，提高追踪的精确度，且该图像识别算法的具体的步骤为：先对拍摄的图像进行预处理，然后通过Sobel或Canny等算法，对图像进行进一步地识别，准确获取叶片的边缘位置。

旋转叶片上的振动测量点可以是旋转叶片上的一个固定的点，也可以是一条直线。当振动测量点是固定的点时，控制器引导测量激光在旋转叶片的固定点上进行测量，当振动测量点是一条直线时，控制器引导激光以直线扫描的方式对旋转叶片进行扫描。

作为一种可选的实施方式，当在线测量结束时对获取的激光信号进行离线处理的具体步骤为：将激光信号分成等时间长的小段，采用hanning窗函数对每段信号进行防泄漏处理，然后将每段激光信号转换成频域信号，再将这些小段的频域信号做平均，对获得的平均频域信号使用滤波器去除叶片旋转频率及其倍数频率的部分，即可获得叶片在该测量点上的振动信息，通过依次测量叶片上不同点的振动信息，可以获得整个叶片的振动信息。

作为一种可选的实施方式，对上述高速摄像机拍摄到的叶片通过所述的图像识别算法进行边缘识别后(参见图2及图3)，可以对连续两帧图片中的边缘位置进行比较，进而计算出叶片的摆动速度，利用此叶片的摆动速度，对镜片控制信号进行补偿，以抵消图片处理时间和镜片调整时间等对追踪精度的影响，进一步提高测量的精度。

参见图4，本发明实施例一种追踪旋转叶片的振动测量方法，包括：

S101，利用高速摄像机采用低分辨率模式实时捕捉所述旋转叶片的旋转图像；

S102，对所述旋转图像进行实时处理，获得所述旋转叶片的边缘信息；

S103，基于所述边缘信息，实时确定所述旋转叶片的振动测试位置；

S104，控制X-Y导向镜片引导激光实时跟踪所述振动测试位置。

本发明方法实施例中的内容与上述装置实施例中的内容相对应，在此不再赘述。

采用本发明的装置及方法相比现有技术具有如下明显的优点：

1、由于高速摄像机捕捉工作中叶片的实时图像的目的仅仅是用于采集叶片的位置，因而对拍照频率和照片分辨率的要求大幅降低。

2、利用摄像机捕捉到的位置信息，引导激光追踪运动中的叶片，激光扫描点的位置准确，且不需要激光源放置在叶片旋转中心的轴线上，大大增加了测量方法的可操作性(尤其是对于高度很高的风力发电机叶片测量而言)。

3、通过比较高速摄像机连续两帧图片中的叶片边缘位置，可以计算出叶片在旋转平面内的摆动速度，利用此叶片的摆动速度，可以对镜片控制信号进行补偿，以抵消叶片在旋转平面内的摆动对追踪精度的影响，进一步提高振动的测量精度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些。

实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。

在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

虽然比如“第一”、“第二”等的序数将用于描述各种组件，但是在这里不限制那些组件。该术语仅用于区分一个组件与另一组件。例如，第一组件可以被称为第二组件，且同样地，第二组件也可以被称为第一组件，而不脱离发明构思的教导。在此使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的列出的项目的任何和全部组合。

在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。

包括技术和科学术语的在这里使用的术语具有与本领域技术人员通常理解的术语相同的含义，只要不是不同地限定该术语。应当理解在通常使用的词典中限定的术语具有与现有技术中的术语的含义一致的含义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种追踪旋转叶片的振动测量装置，其特征在于，包括：

激光源，所述激光源能够发射激光；

X-Y导向镜片，所述X-Y导向镜片设置于所述激光源之外，用于引导所述激光源发射的激光；

高速摄像机，所述高速摄像机采用低分辨率模式实时捕捉所述旋转叶片的旋转图像；

控制器，所述控制器分别与所述X-Y导向镜片及所述高速摄像机通信连接，所述控制器通过所述旋转图像实时的确定所述旋转叶片的振动测试位置，并控制所述X-Y导向镜片引导激光实时的跟踪所述振动测试位置。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述控制器内包括可编程逻辑门阵列，所述可编程逻辑门阵列内烧录有针对所述旋转叶片的图像识别算法。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：

所述控制器实时获取所述高速摄像机拍摄的旋转图像，基于所述旋转图像确定所述旋转叶片的边缘位置。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：

所述控制器控制所述激光以直线扫描方式对所述旋转叶片进行扫描。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述装置还包括：

计算模块，所述计算模块对获取到的激光信号进行离线处理，从而得到所述旋转叶片的振动信息。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述计算模块对获取到的激光信号进行离线处理，包括：

将所述激光信号分成等时长的子段，采用hanning窗函数对每个子段信号进行防泄漏处理；

将每个子段激光信号转换成频域信号，将子段的频域信号做平均处理，得到平均频域信号；

针对获得的所述平均频域信号，使用滤波器去除与所述旋转叶片旋转频率及其倍数频率相关的信号，获得所述旋转叶片在测量点上的振动信息；

依次测量旋转叶片上不同点的振动信息，进而获得整个旋转叶片的振动信息。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：

所述控制器对所述旋转图像进行边缘识别后，对连续两帧旋转图片中的边缘位置进行比较，获得所述旋转叶片的摆动速度，并利用所述摆动速度对镜片控制信号进行补偿。

8.一种追踪旋转叶片的振动测量方法，其特征在于，包括：

利用高速摄像机采用低分辨率模式实时捕捉所述旋转叶片的旋转图像；

对所述旋转图像进行实时处理，获得所述旋转叶片的边缘信息；

基于所述边缘信息，实时确定所述旋转叶片的振动测试位置；

控制X-Y导向镜片引导激光实时跟踪所述振动测试位置。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

使用直线扫描方式对所述旋转叶片进行扫描。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

采用计算模块对获取到的激光信号进行离线处理，从而得到所述旋转叶片的振动信息。