CN110553716B - 一种基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，使用圆形贴片对成圈叶片结构的转轴和叶片进行标记，利用高速摄影机记录转动状态下成圈叶片结构运动；对视频逐帧分析，构建梯度算子计算图像像素梯度幅值，获取贴片边缘像素坐标，对同一贴片的边缘像素坐标进行圆拟合，计算出贴片中心点的像素坐标；利用各帧转轴上贴片中心点计算转轴旋转中心和旋转速度，利用各帧叶片上贴片中心点计算叶片绝对运动；通过叶片绝对运动和转轴旋转速度获取叶片的振动时域信息；对振动时域信息进行傅里叶变换，最终获得结构固有频率。本发明与现有接触式测量方法相比，测量方式简单、信噪比高，适用于多种旋转类结构，具有适应性强，便于推广等优点。

Description

一种基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量 方法

技术领域

本发明属于机械结构振动测量相关技术领域，特别涉及成圈叶片结构，在旋转状态下振动固有频率的测量方法。

背景技术

大型旋转机械是航空、舰船、电力等工业系统广为应用的关键设备，主要包括航空发动机、燃气轮机、汽轮机、鼓风机等。成圈叶片结构作为各种大型旋转机械的核心部件，工作在高温、高压、高转速等恶劣环境中，容易发生疲劳失效。疲劳失效是在长期交变应力作用下损伤积累的结果，而交变应力归根到底主要是由叶片振动产生的。因此，对成圈叶片结构振动进行测量可以有效的掌握叶片固有振动特性，为成圈叶片结构的设计和安全运行提供可靠的依据。

目前对于成圈叶片结构振动的测量方法主要有应变遥测法、激光多普勒法和叶尖定时法。其中应用最广泛的是应变遥测法和叶尖定时法：应变遥测法即在叶片上粘贴应变片或压电晶体片，把叶片振动时产生的应变，通过机械量—电量的转换，经由发射器发射出来，再由固定在静止部件上的接收天线接收，其限制在于设备安装复杂，电池容量小，测试时间短，信号容易被淹没等。叶尖定时法是一种非接触旋转叶片振动检测技术，其在叶片顶端的机匣上安装叶尖定时传感器，利用传感器感受叶片到来的时间，由于叶片的振动，叶片到来的时间会超前或者滞后，通过不同叶尖定时处理算法对该时间序列进行处理，即可获得叶片振动信息，其主要受制于叶尖定时传感技术和振动参数识别技术的发展，目前测量精度并不高。

目前，基于计算机视觉的运动振动测量主要针对非旋转结构，对成圈叶片结构旋转时的振动测量及固有频率尚未见报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，解决目前对旋转结构振动测量装置安装复杂、易受工频影响等问题，本发明提供一种非接触式的，基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，该测量方式简单、信噪比高，可适用于多种旋转类结构。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，包括以下步骤：

1)使用圆形贴片对成圈叶片结构的转轴和叶片分别进行标记，利用高速摄影机对转动状态下的成圈叶片结构运动进行记录；

2)构建梯度算子，逐帧计算所得图像的像素梯度幅值，获取各帧转轴、叶片上贴片的边缘像素坐标；

3)对同一贴片的边缘像素坐标进行圆拟合，计算转轴、叶片上贴片的中心点像素坐标；

4)对各帧转轴上贴片的中心点像素坐标进行圆拟合，计算转轴轴心坐标，并基于转轴轴心坐标和转轴上贴片的中心点坐标计算转轴的旋转速度；

5)通过逐帧叶片上贴片中心点运动获取叶片的绝对运动，利用叶片的绝对运动和转轴的旋转速度获取叶片的振动的时域信息；

6)对叶片振动的时域信息进行傅里叶变换，计算结构的固有频率。

与现有对成圈叶片结构固有频率测量方法相比，本发明的优点体现在：

1)测量效率高，可同时标记结构多个区域进行测量。

2)高信噪比，不受工频、磁场等工况的影响，实现在各种复杂、极端工况下对旋转结构振动固有频率进行测量。

附图说明

图1是本发明基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的流程示意图。

图2是本发明中成圈叶片结构上贴片的标记方式。

图3是本发明圆形贴片基于边缘点获取中心点的原理示意图。

图4是本发明转轴边缘贴片中心点的运动及其轨迹曲线拟合示意图。

图5是本发明转轴上贴片转过的角度信息示意图。

图6是本发明数值拟合计算结构旋转速度ω示意图。

图7是本发明同一时刻叶片上贴片中心点绝对运动与叶片牵连运动时的位置几何示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，包括以下步骤：

1)使用与原结构表面色彩具有高对比度的圆形贴片对成圈叶片结构的转轴、叶片进行标记，如图2所示，在成圈叶片结构转轴上用贴片做一个标记，在被测叶片上根据需要用贴片做一定数目的标记，利用高速摄影机对恒定转速的成圈叶片结构运动进行记录；

2)通过对逐帧图像进行灰度化处理，构建x方向上的梯度算子H_x和y方向上的梯度算子H_y如下：

逐帧计算图像像素梯度，不同位置的像素在x方向上的梯度

和在y方向上的梯度

计算如下：

式中：f代表图像内像素的灰度值，

代表卷积运算；

通过像素在x、y方向上的梯度，计算像素的梯度幅值

公式如下：

设定边界梯度幅值阈值获取贴片的边缘像素坐标。

3)如图3所示，本发明采用圆形贴片，图中表示出了中心点4和边缘点3，贴片边缘点像素坐标集合为

其中x_i,y_i为贴片边缘点i时刻的像素坐标，M表示同一贴片所检测出的边缘点数目，设其边界曲线方程为x²+y²+ax+by+c＝0，通过对同一贴片的边缘像素坐标进行圆拟合，获取参数a、b、c，即：

从而得到圆形贴片中心点像素坐标

4)如图4所示，转轴上的贴片随着结构做圆周运动，不同时刻转轴上贴片中心点像素坐标集合为

其中

为贴片中心点i时刻的像素坐标，N表示视频序列的帧数，设其圆周运动曲线方程为x²+y²+dx+ey+f＝0，通过对各帧转轴上贴片的中心点像素坐标进行圆拟合获取参数d、e、f，即：

从而得到转轴轴心O的坐标(m,n)，表示为

5)如图5所示，转轴旋转中心点即转轴轴心O的坐标为(m,n)，结构做匀速圆周运动，在0时刻时，转轴上贴片的中心点位置为A₀，其坐标为

在t时刻时，转轴上贴片的中心点位置运动到A_t，其坐标为

其转动角度表示为：

如图6所示，所述步骤4)中，选择结构在转动过程同一圆周内中间隔较大的5帧，计算转轴上贴片的中心点相对于第1帧转动的角度，分别为(θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅)，通过最小二乘拟合方程为θ-ωt＝0，获取结构旋转速度ω；

6)如图7所示，成圈叶片结构在旋转过程中，其运动状态呈现复合运动形式，即：

S＝S_R+S_V (8)

式中，S代表结构的绝对运动，S_R代表结构的牵连运动，S_V代表结构的相对运动(叶片振动)；

转轴旋转中心点即转轴轴心O的坐标为(m,n)，在0时刻，叶片上贴片的中心点位置为B₀，其坐标为

在t时刻，叶片上贴片的中心点运动到为B_t，其坐标为

对于结构的牵连运动，在t时刻时，叶片上贴片的中心点运动到

设其坐标为

其满足关系：

对于结构的相对运动，其在x,y方向的位移分别表示为Δx和Δy，计算如下：

进而可得叶片振动位移为：

7)通过对结构时域振动进行傅里叶变换，测量旋转结构的固有频率S(f)。

S(f)＝FFT(S(t)) (12)

Claims (9)

1.一种基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)使用圆形贴片对成圈叶片结构的转轴和叶片分别进行标记，利用高速摄影机对转动状态下的成圈叶片结构运动进行记录；

步骤2)构建梯度算子，逐帧计算所得图像的像素梯度幅值，获取各帧转轴、叶片上贴片的边缘像素坐标；

步骤3)对同一贴片的边缘像素坐标进行圆拟合，计算转轴、叶片上贴片的中心点像素坐标；

步骤4)对各帧转轴上贴片的中心点像素坐标进行圆拟合，计算转轴轴心坐标和转轴的旋转速度；

步骤5)通过逐帧计算叶片上贴片中心点运动获取叶片的绝对运动，利用叶片的绝对运动和转轴的旋转速度获取叶片的振动的时域信息；

步骤6)对叶片振动的时域信息进行傅里叶变换，计算结构的固有频率。

2.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，其特征在于，所述步骤1)中，在成圈叶片结构转轴上用贴片做一个标记，在被测叶片上根据需要用贴片做一定数目的标记。

3.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，其特征在于，所述贴片与结构表面色彩具有高对比度。

4.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，其特征在于，所述步骤2)中，构建x方向上的梯度算子H_x和y方向上的梯度算子H_y如下：

逐帧计算图像像素梯度，不同位置的像素在x方向上的梯度

和在y方向上的梯度

计算如下：

式中：f代表图像内像素的灰度值，

代表卷积运算；

通过像素在x、y方向上的梯度，计算像素的梯度幅值

公式如下：

设定边界梯度幅值阈值获取贴片的边缘像素坐标。

5.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，贴片边缘点像素坐标集合为

其中x_i,y_i为贴片边缘点i时刻的像素坐标，M表示同一贴片所检测出的边缘点数目，设其边界曲线方程为x²+y²+ax+by+c＝0，通过拟合获取参数a、b、c，即：

从而得到圆形贴片中心点像素坐标

6.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，其特征在于，所述步骤4)中，转轴上的贴片随着结构做圆周运动，不同时刻转轴上贴片中心点像素坐标集合为

其中

为贴片中心点i时刻的像素坐标，N表示视频序列的帧数，设其圆周运动曲线方程为x²+y²+dx+ey+f＝0，通过拟合获取参数d、e、f，即：

从而得到转轴轴心O的坐标(m,n)，表示为

7.根据权利要求6所述的基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，其特征在于，所述步骤4)中，结构做匀速圆周运动，转轴轴心坐标为O，其坐标为(m,n)，在0时刻时，转轴上贴片的中心点位置为A₀，其坐标为

在t时刻时，转轴上贴片的中心点位置运动到A_t，其坐标为

其转动角度表示为：

8.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，其特征在于，所述步骤4)中，选择结构在转动过程同一圆周内中间隔较大的5帧，计算转轴上贴片的中心点相对于第1帧转动的角度，分别为(θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅)，通过最小二乘拟合方程θ-ωt＝0，获取结构旋转速度ω，

9.根据权利要求8所述的基于计算机视觉的成圈叶片结构振动固有频率的测量方法，其特征在于，所述步骤5)中，成圈叶片结构在旋转运动过程中，其运动状态呈现复合运动形式，即：

S＝S_R+S_V

式中，S代表结构的绝对运动，S_R代表结构的牵连运动，S_V代表结构的相对运动即叶片振动；

转轴旋转中心点即转轴轴心O的坐标为(m,n)，在0时刻，叶片上贴片的中心点位置为B₀，其坐标为

在t时刻，叶片上贴片的中心点运动到为B_t，其坐标为

对于结构的牵连运动，在t时刻时，叶片上贴片的中心点运动到

设其坐标为

其满足关系：

对于结构的相对运动，其在x,y方向的位移分别表示为Δx和Δy，计算如下：

进而可得叶片振动位移为：

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