CN109060285B - 一种螺旋弹簧动态振动特性的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋弹簧动态振动特性检测装置及方法，属于弹簧测量领域。包括待监测螺旋弹簧、LED光源照明设备、高速相机、三脚架、屏蔽传输线以及计算机。其中，高速相机通过屏蔽传输线与计算机相连，高速相机拍摄的弹簧振动过程保存至计算机并进行图像处理。相较于其他动态检测手段，本发明的检测装置简单，不需要额外的传感器，不侵入待检测系统，安全可靠。本发明采用数字图像处理技术对螺旋弹簧动态振动特性进行检测，检测精度不受传感器数量的影响，检测精度高。

Description

一种螺旋弹簧动态振动特性的检测装置及方法

技术领域

本发明属于弹簧测量技术领域，涉及一种螺旋弹簧动态振动特性的检测装置及方法。

背景技术

螺旋弹簧作为重要的弹性元件，具有储能、减振、控制等功能，被广泛应用于机械和电子工程领域。弹簧性能优劣对于设备运行的可靠性具有十分重要的影响，然而目前对于弹簧质量的检测多集中于静态检测，对于弹簧动态振动特性检测的研究相对较少。

弹簧静态检测主要有测试外形尺寸、材料分析和静态性能等。其中，对外形尺寸的检测主要有钢丝直径、弹簧直径、圈数、端面形状、垂直度等；对材料分析主要有化学成分、金相组织等；对静态性能的检测主要有指定变形量下的负荷、刚度、疲劳寿命等。

当弹簧能量释放或者承受高速冲击载荷时，此时弹簧簧圈高速振动，单纯依靠静态检测手段不能有效测量弹簧动态性能。目前有学者提出一种螺旋弹簧动态性能测试方法，其主要思想是在弹簧振动方向上布置一排光学传感器，通过检测弹簧在振动过程中传感器光路是否被簧圈遮挡，进而判断弹簧各簧圈的运动状态。一方面，该方法的测试精度与传感器的数量相关，如果测试精度较高的话，需要的传感器数量较多；另一方面，大量传感器的使用导致试验装置较为复杂，布置过程费时费力。因此，针对以上不足，亟需发展一种新的方法来实现对螺旋弹簧动态振动特性的检测。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种螺旋弹簧动态振动特性的检测装置及方法，

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种螺旋弹簧动态振动特性的检测方法，包括以下步骤：

1)在待检测的螺旋弹簧各个簧圈分别布置标记点，共计h个，以检测簧圈动态振动过程；

2)将待检测螺旋弹簧沿与地面垂直方向布置，并测量首、尾标记点中心之间的距离l；

3)调节高速相机下方的三脚架高度，将高速相机调节至与螺旋弹簧等高位置，并使螺旋弹簧在高速相机中间位置成像，高速相机采样率设置为f，并与计算机相连；

4)调节LED光源照明设备下方的三脚架高度，打开LED光源照明设备，对螺旋弹簧进行补光；

5)释放已储能弹簧自由端或者对弹簧施加冲击载荷，此时弹簧处于振动过程，使用高速相机对该振动过程进行记录并传输至计算机；

6)采用数字图像处理算法对采集到的振动过程图像进行处理，进而得到螺旋弹簧动态振动特性。

优选地，步骤1)中，标记点排布在螺旋弹簧的中轴线上。

优选地，步骤6)中，采用数字图像处理算法对采集到的振动过程图像进行处理的方法，包括如下步骤：

步骤1：将保存的振动过程的视频格式文件转换为图片格式，共计K张；

步骤2：将K张图片中所有的彩色图片转换为灰度图；

步骤3：读取第1张图片并将其转换为二维m×n矩阵；

步骤4：提取首、尾标记点中心所对应像素点的坐标(a₁ b₁)、(a₂ b₂)，确定单个像素点对应的实际长度l₀及两帧图像之间的时间间隔t₀；

步骤5：对步骤4截取后的图像进行二值化处理；

步骤6：基于先验位置信息，对各帧灰度图像进行截取，截取螺旋弹簧簧圈标记点所在区域，按时间先后顺序依次编号为1,2，…，K；

步骤7：读取第1张二值化图像并将其转换为二维矩阵；

步骤8：对步骤7得到的二维矩阵求解连通域，并排除小连通域干扰，进而确定簧圈标记点所在连通域；

步骤9：计算各个标记点所在连通域的高度位置，排序后得到当前图像中簧圈高度信息；

步骤10：读取下一张二值化图像并将其转换为二维矩阵，直至处理完全部的K张图片；

步骤11：将全部图片中的簧圈高度信息按时间顺序排列，得到螺旋弹簧动态振动特性。

进一步优选地，步骤4中，单个像素点对应的实际长度l₀的计算公式为：

其中，l为实际测量的首、尾标记点中心之间的距离；(a₁ b₁)、(a₂ b₂)分别为图像中首、尾标记点中心位置像素点的坐标。

进一步优选地，步骤8中，求解连通域的方法，包括以下步骤：

步骤a：对二值化图像矩阵求解连通域，此时连通域包括标记点区域与簧圈表面反光区域，且反光区域连通域面积相对较小；

步骤b：计算各个连通域像素点数目，并按由大到小的顺序将连通域排序；

步骤c：提取前h个连通域代表h个标记点区域，并将其他连通域区域的像素值设置为0；

步骤d：图像矩阵中剩余连通域即为标记点连通域。

进一步优选地，步骤9中，标记点高度位置计算公式为：

式中，H_i表示第i个标记点的高度；Num表示第i个标记点所在连通域的像素点个数；h_ij表示第i个标记点所在连通域的第j个像素点的高度；l₀为单个像素点对应的实际长度。

本发明还公开了实现上述的检测方法的检测装置，包括LED光源照明设备和高速相机，在LED光源照明设备和高速相机下方均设有高度可调的三脚架；

待检测的螺旋弹簧设置在高速相机的拍摄范围以及LED光源照明设备的补光范围内；还包括与高速相机相连的计算机，用于将拍摄的弹簧振动过程传输至计算机并进行图像处理。

优选地，高速相机通过屏蔽传输线与计算机相连。

优选地，高速相机的采样频率不低于所检测的螺旋弹簧最大振动频率的2倍。

优选地，LED光源照明设备发出的光线均匀、无频闪现象且具亮度满足检测需求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的螺旋弹簧动态振动特性的检测方法，通过所设计的数字图像处理算法实现对螺旋弹簧各个簧圈标记点的定位，进而实现对螺旋弹簧动态特性的检测，本方法对待检测系统无侵入性，不受待检测装置或系统所处环境的影响，可实现远距离实时检测，检测精度不受传感器数量的影响，检测精度高。

本发明公开的螺旋弹簧动态振动特性的检测装置，包括LED光源照明设备、高速相机、三脚架以及计算机，相较于其他动态检测设备，本发明的检测装置结构设计合理，组装简单，不需要额外的传感器，不侵入待检测系统，使用方便，安全可靠。

附图说明

图1为本发明提出的螺旋弹簧动态振动特性检测方法的流程框图；

图2为本发明提出的螺旋弹簧动态振动特性的检测装置示意图；

图3为本发明中螺旋弹簧动态振动过程中某一时刻图像的数字处理过程示意图；

图4所示为处理得到的拉伸状态下螺旋弹簧能量释放后的动态振动特性。

其中：1-螺旋弹簧；2-LED光源照明设备；3-高速相机；4-计算机；5-三脚架；6-屏蔽传输线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2，为本发明公开的用于检测螺旋弹簧动态振动特性的检测装置，包括：LED光源照明设备2和高速相机3在LED光源照明设备2和高速相机3下方均设有高度可调的三脚架5；

待检测的螺旋弹簧1设置在高速相机3的拍摄范围以及LED光源照明设备2的补光范围内；

还包括与高速相机3相连的计算机4，用于将拍摄的弹簧振动过程传输至计算机4并进行图像处理。

优选地，LED光源照明设备2要求光线均匀、无频闪现象，并且具有足够强的亮度。

优选地，高速相机3的采样频率不低于所检测的螺旋弹簧1最大振动频率的2倍。

参见图1，为本发明提出的螺旋弹簧动态振动特性检测方法的流程框图，包括以下步骤：

1)在待检测的螺旋弹簧各个簧圈分别布置标记点，共计h个，以检测簧圈动态振动过程；

2)将待检测螺旋弹簧沿与地面垂直方向布置，并测量首、尾标记点中心之间的距离l；

3)调节高速相机下方的三脚架高度，将高速相机调节至与螺旋弹簧等高位置，并使螺旋弹簧在高速相机中间位置成像，高速相机采样率设置为f；

4)调节LED光源照明设备下方的三脚架高度，打开LED光源照明设备，对螺旋弹簧进行补光；

5)释放已储能弹簧自由端或者对弹簧施加冲击载荷，此时弹簧处于振动过程，使用高速相机对该振动过程进行记录并传输至计算机；

6)采用数字图像处理算法对采集到的振动过程图像进行处理，进而得到螺旋弹簧动态振动特性。

优选地，步骤1)中，标记点排布在螺旋弹簧中轴线上，以便于后续对图像进行处理。

优选地，步骤6)中，具体操作包括以下步骤：

步骤1：将保存的视频格式文件转换为图片格式，共计K张；

步骤2：将所有彩色图片转换为灰度图；

步骤3：读取第1张图片并将其转换为二维m×n矩阵；

步骤4：提取首、尾标记点中心所对应像素点的坐标(a₁ b₁)、(a₂ b₂)，确定单个像素点对应的实际长度l₀及两帧图像之间的时间间隔t₀；

步骤5：对截取后的图像进行二值化处理；

步骤6：基于先验位置信息，对各帧灰度图像进行截取，截取螺旋弹簧簧圈标记点所在区域，按时间先后顺序依次编号为1,2，…，K；

步骤7：读取第1张二值化图像并将其转换为二维矩阵；

步骤8：对矩阵求解连通域，并排除小连通域干扰，进而确定簧圈标记点所在连通域；

步骤9：计算各个标记点所在连通域的高度位置，排序后得到当前图像中簧圈高度信息；

步骤10：读取下一张二值化图像并将其转换为二维矩阵，直到已经处理完全部的K张图像；

步骤11：将全部图像中的簧圈高度信息按时间顺序排列，得到螺旋弹簧动态振动特性。

优选地，步骤4中，单个像素点对应的实际长度l₀计算公式为：

式中，l为实际测量的首、尾标记点中心之间的距离；(a₁ b₁)、(a₂ b₂)分别为图像中首、尾标记点中心位置像素点的坐标。

优选地，步骤8中，求解连通域的方法，包括以下步骤：

步骤a：对二值化图像矩阵求解连通域，此时连通域主要包括标记点区域与簧圈表面反光区域，而反光区域连通域面积相对较小；

步骤b：计算各个连通域像素点数目，并按由大到小的顺序将连通域排序；

步骤c：提取前h个连通域代表h个标记点区域，并将其他连通域区域的像素值设置为0；

步骤d：图像矩阵中剩余连通域即为标记点连通域。

优选地，步骤9中，标记点高度位置计算公式为：

式中，H_i表示第i个标记点的高度；Num表示第i个标记点所在连通域的像素点个数；h_ij表示第i个标记点所在连通域的第j个像素点的高度；l₀为单个像素点对应的实际长度。

下面以具体应用实例说明，图3为按照本发明方法检测螺旋弹簧动态振动过程中某一时刻图像的数字处理过程示意图，主要展示了标记点布置、图像二值化处理、目标区域截取、去除小连通域、计算标记点高度等几个环节。其中，小连通域的产生主要是由于簧圈表面光线反射造成的。图4所示为采集并处理得到的拉伸状态下螺旋弹簧能量释放后的动态振动特性。在弹簧簧圈上由高到低布置标记点1～8号，得到了各个标记点中心在弹簧能量释放过程中的动态振动过程。同理，对于冲击载荷，采用本发明的装置与方法也能有效得到螺旋弹簧各簧圈的动态振动特性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种螺旋弹簧动态振动特性的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在待检测的螺旋弹簧各个簧圈分别布置标记点，共计h个，以检测簧圈动态振动过程；

2)将待检测螺旋弹簧沿与地面垂直方向布置，并测量首、尾标记点中心之间的距离l；

3)调节高速相机下方的三脚架高度，将高速相机调节至与螺旋弹簧等高位置，并使螺旋弹簧在高速相机中间位置成像，高速相机采样率设置为f，并与计算机相连；

4)调节LED光源照明设备下方的三脚架高度，打开LED光源照明设备，对螺旋弹簧进行补光；

5)释放已储能弹簧自由端或者对弹簧施加冲击载荷，此时弹簧处于振动过程，使用高速相机对该振动过程进行记录并传输至计算机；

6)采用数字图像处理算法对采集到的振动过程图像进行处理，包括如下步骤：

步骤1：将保存的振动过程的视频格式文件转换为图片格式，共计K张；

步骤2：将K张图片中所有的彩色图片转换为灰度图；

步骤3：读取第1张图片并将其转换为二维m×n矩阵；

步骤4：提取首、尾标记点中心所对应像素点的坐标(a₁ b₁)、(a₂ b₂)，确定单个像素点对应的实际长度l₀及两帧图像之间的时间间隔t₀；

步骤5：对步骤4截取后的图像进行二值化处理；

步骤6：基于先验位置信息，对各帧灰度图像进行截取，截取螺旋弹簧簧圈标记点所在区域，按时间先后顺序依次编号为1,2，…，K；

步骤7：读取第1张二值化图像并将其转换为二维矩阵；

步骤8：对步骤7得到的二维矩阵求解连通域，并排除小连通域干扰，进而确定簧圈标记点所在连通域；

步骤9：计算各个标记点所在连通域的高度位置，排序后得到当前图像中簧圈高度信息；

步骤10：读取下一张二值化图像并将其转换为二维矩阵，直至处理完全部的K张图片；

步骤11：将全部图片中的簧圈高度信息按时间顺序排列，得到螺旋弹簧动态振动特性。

2.根据权利要求1所述的螺旋弹簧动态振动特性的检测方法，其特征在于，步骤1)中，标记点排布在螺旋弹簧的中轴线上。

3.根据权利要求1所述的螺旋弹簧动态振动特性的检测方法，其特征在于，步骤4中，单个像素点对应的实际长度l₀的计算公式为：

其中，l为实际测量的首、尾标记点中心之间的距离；(a₁ b₁)、(a₂ b₂)分别为图像中首、尾标记点中心位置像素点的坐标。

4.根据权利要求1所述的螺旋弹簧动态振动特性的检测方法，其特征在于，步骤8中，求解连通域的方法，包括以下步骤：

步骤a：对二值化图像矩阵求解连通域，此时连通域包括标记点区域与簧圈表面反光区域，且反光区域连通域面积相对较小；

步骤b：计算各个连通域像素点数目，并按由大到小的顺序将连通域排序；

步骤c：提取前h个连通域代表h个标记点区域，并将其他连通域区域的像素值设置为0；

步骤d：图像矩阵中剩余连通域即为标记点连通域。

5.根据权利要求1所述的螺旋弹簧动态振动特性的检测方法，其特征在于，步骤9中，标记点高度位置计算公式为：

式中，H_i表示第i个标记点的高度；Num表示第i个标记点所在连通域的像素点个数；h_ij表示第i个标记点所在连通域的第j个像素点的高度；l₀为单个像素点对应的实际长度。

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