CN111854924A - 一种机械振动频率可视化测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械振动频率可视化测量装置及其方法，该装置包括依次连接的光学镜头、光强变化感知模块、数据处理模块以及显示模块，光强变化感知模块、数据处理模块和显示模块分别连接至直流电源，光学镜头用于将物体表面的反射光传输给光强变化感知模块；光强变化感知模块根据物体表面的反射光，输出物体表面对应的光强变化矩阵给数据处理模块；数据处理模块用于对光强变化矩阵进行解码处理，以得到物体表面对应的振动频率值；显示模块按照RGB值与振动频率值的对应关系，将物体表面的振动频率以彩色图像的方式进行显示。与现有技术相比，本发明通过感知物体表面光强变化，以实现简单、快速、准确测量机械振动频率的目的，且具有可视化特点。
Description
技术领域
本发明涉及机械振动的测量技术领域，尤其是涉及一种机械振动频率可视化测量装置及其方法。
背景技术
设备振动信号与设备自身状态具有良好的对应表达关系，振动诊断方法是一种利用传感器采集设备表面振动信号，再进一步应用相关系统分析监测信号以诊断设备内部缺陷、评估设备运行状态的监测分析手段。
目前常见的振动测量方法主要有接触和非接触振动测量两大类，其中接触式测量方法主要是指电测量方法，即通过传感器将机械信号转换为电信号，以对电信号进行处理，进而得到振动参数，传统的接触式传感器主要分为磁电式、压电式、应变片式。接触式振动信号测量方法需要与被测设备直接接触，且需要在设备表面粘贴大量传感器，无论是工程实施的便利性，还是测量密度均受限，对于旋转部件、带电设备工程实施的难度更大。
随着传感技术的发展，非接触测量技术的种类越来越多，主要以光电、电磁、超声波技术为基础，尤其以电涡流测量法、激光测距法、机器视觉法、超声波测距法为代表的非接触测量方法在工业现场得到了广泛应用。电涡流测量法已被广泛应用于电动机、发电机类设备振动在线监测场景，但其非接触测量的距离有限，通常为厘米级，这显然不适用于带电设备的振动测量场景；基于多普勒激光的振动测量技术可实现物体振动的速度、加速度、位移、运动轨迹、频率等信号感知，具有精度高的特点，但其价格昂贵，属于精密高端设备，不具备大面积装备应用的技术经济性；基于机器视觉的振动测量技术，具有图形可视化观测，形象直观的优点，尤其近年随着高速相机与图像智能处理算法的进步，逐渐得到了关注和应用，该方法对算法要求极高，稳定性和可靠性仍存在瓶颈亟需突破，另外，还存在系统成本和使用外部环境要求较高的不足。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种机械振动频率可视化测量装置及其方法，通过测量物体表面光强度的变化，以实现便捷、准确测量物体表面机械振动的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种机械振动频率可视化测量装置，包括依次连接的光学镜头、光强变化感知模块、数据处理模块以及显示模块，所述光强变化感知模块、数据处理模块和显示模块分别连接至直流电源，所述光学镜头用于将物体表面的反射光传输给光强变化感知模块；
所述光强变化感知模块根据物体表面的反射光，输出物体表面对应的光强变化矩阵给数据处理模块；
所述数据处理模块用于对光强变化矩阵进行解码处理，以得到物体表面对应的振动频率值；
所述显示模块按照RGB值与振动频率值的对应关系，将物体表面的振动频率以彩色图像的方式进行显示；
所述直流电源用于分别提供电能给光强变化感知模块、数据处理模块以及显示模块。
进一步地，所述数据处理模块通过通信模块分别与光强变化感知模块、显示模块连接。
进一步地，所述通信模块采用USB协议或TCP/IP协议。
进一步地，所述数据处理模块连接有存储模块，所述存储模块用于存储数据处理模块输出的所有数据。
进一步地，所述存储模块具体为SD存储卡。
进一步地，所述光强变化感知模块包含多个像素感知单元，每个像素感知单元对应于物体表面的一个区域。
进一步地，所述光强变化感知模块具体为CeleX-V感光器件。
一种机械振动频率可视化测量方法，包括以下步骤：
S1、光学镜头将物体表面的反射光传输至光强变化感知模块；
S2、光强变化感知模块根据物体表面的反射光，输出物体表面对应的光强变化矩阵，该光强变化矩阵包含多个对应于物体表面不同区域的光强变化数据；
S3、数据处理模块对接收的光强变化矩阵进行解码，得到对应的频率矩阵，该频率矩阵包含多个对应于物体表面不同区域的振动频率值；
S4、存储模块接收并存储光强变化矩阵及对应的频率矩阵；
S5、按照RGB值与振动频率值的对应关系，显示模块将接收的频率矩阵转换为对应的彩色图像进行显示。
进一步地，所述光强变化数据具体为：
a(x，y)＝(x，y，Polarity，Timestamp)
其中，a(x，y)为物体表面像素坐标为(x，y)的区域所对应的光强变化数据，x为像素横坐标，y为像素纵坐标，Polarity为光强极性，Polarity为0时，表示光强由强变弱，Polarity为1时，表示光强由弱变强，Timestamp为光强变化发生的时间戳。
进一步地，所述振动频率值具体为：
ΔTi，j＝Timestampi-Timestampj
其中，f(x，y)为物体表面像素坐标为(x，y)的区域所对应的振动频率值，Sum为ΔTi，j时间内光强极性发生变化的次数，Timestampi和Timestampj分别为光强变化发生的第i个时间戳和第j个时间戳，具体的，在ΔTi，j时间内，从时间戳Timestampi开始，每检测到光强极性发生一次变化，则Sum的数值就累加1，直至到达时间戳Timestampj结束。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明通过光学镜头将物体表面的反射光传输给光强变化感知模块，以得到物体表面对应的光强变化数据，结合光强变化与振动频率的转换，能够准确地获得物体表面对应的振动频率，再利用显示模块将振动频率以彩色图像方式进行显示，实现了非接触、可视化测量机械振动频率的目的，且不受测量距离的限制。
二、本发明采用光学镜头、光强变化感知模块、数据处理模块以及显示模块构建机械振动频率可视化测量装置，只需通过感应物体表面的光强变化，即可简单、快速、直观地测量得到物体表面机械振动频率，相比于现有技术测量物体振动频率时通过测量时域振幅或加速度信号、再经过傅里叶变换、最后获取振动频率的测量方式，本发明具有成本低、测量便捷可靠的优点；同时本发明还区别于传统的图像机器视觉方式，不再依赖于图像帧的识别提取，即可准确地测量得到机械振动频率。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明的方法流程示意图；
图中标记说明：1、光学镜头，2、光强变化感知模块，3、数据处理模块，4、显示模块，5、直流电源，6、通信模块，7、存储模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种机械振动频率可视化测量装置，包括依次连接的光学镜头1、光强变化感知模块2、数据处理模块3以及显示模块4，光强变化感知模块2、数据处理模块3和显示模块4分别连接至直流电源5，光学镜头1用于将物体表面的反射光传输给光强变化感知模块2；
光强变化感知模块2根据物体表面的反射光，输出物体表面对应的光强变化矩阵给数据处理模块3，光强变化感知模块2包含多个像素感知单元，每个像素感知单元对应于物体表面的一个区域；
数据处理模块3用于对光强变化矩阵进行解码处理，以得到物体表面对应的振动频率值；
显示模块4按照RGB值与振动频率值的对应关系，将物体表面的振动频率以彩色图像的方式进行显示；
直流电源5用于分别提供电能给光强变化感知模块2、数据处理模块3以及显示模块4。
本实施例中，光强变化感知模块2具体为CeleX-V感光器件；
数据处理模块3通过通信模块6分别与光强变化感知模块2、显示模块4连接，通信模块6采用USB协议或TCP/IP协议；
数据处理模块3连接有存储模块7，以便存储数据处理模块3输出的所有数据，存储模块7选用SD存储卡；
直流电源5负责测试装置的工作电能的供给，本实施例中采用9V，10000mAh的可充电锂离子电池。
将上述装置应用于实际，其具体工作方法如图2所示，包括以下步骤：
S1、光学镜头将物体表面的反射光传输至光强变化感知模块。
S2、光强变化感知模块根据物体表面的反射光，输出物体表面对应的光强变化矩阵，该光强变化矩阵包含多个对应于物体表面不同区域的光强变化数据，其中，由于光强变化感知模块每个像素感知单元对应物理世界物体表面的一个区域，因此，光强变化感知模块在感知到物体表面发生光强变化时，会对应输出光强变化数据：
a(x，y)＝(x，y，Polarity，Timestamp) (1)
其中，(x，y)为物体表面发生光强变化区域的像素坐标，Polarity为光强极性，Polarity为0时，表示光强由强变弱，Polarity为1时，表示光强由弱变强，Timestamp为光强变化发生的时间戳；
该模块具体实现中采用视觉仿生芯片实现，比如PROPHESEE的GEN3、CelePixel的Celex4。该类型仿生芯片可灵敏感知光强度变化触发事件，当感知的像素值从其先前的强度改变为较高值或较低值时分别被定义为正极性事件或负极性事件。芯片通过连续感知光强变化，定义当光强变化ΔI且持续时间Δt超过触发阈值时，才输出触发极性事件或负极性事件，视为一个有效的振动事件，即：
式中，A为光强变化阈值，B为持续时间阈值。其中A与芯片的光强变化感知灵敏度指标参数相关，B为工程中设置的参数，需根据具体的测量环境与被测对象的振动行为相关。
另外由于像素值限制，实施中，还需注意像平面(像素点)坐标(X，Y)与实际被测对象物体表面坐标的(X’，Y’)坐标的对应映射关系：
式中，m和n均为对应于一个像素点的实际物体表面上一个区域内的点，且实际物体表面上该区域内的点的数量大于或等于1，
为实际物体表面上该区域内所有点的横坐标之和，
为实际物体表面上该区域内所有点的纵坐标之和，(m-n)为实际物体表面上该区域内包括的点的数量，即测量中需要统计不少于1个像素点的振动事件，作为等效振动事件，以此提高测量数据的稳定性和抗干扰性能，统计像素点个数的选择设置与被测对象的表面的大小、测量距离等相关，合理进行选择。
S3、数据处理模块对接收的光强变化矩阵进行解码，得到对应的频率矩阵，该频率矩阵包含多个对应于物体表面不同区域的振动频率值，当物体发生机械振动，a(x，y)参数中Polarity会因为机械振动而持续发生数值变化，即光强发生连续变化，那么通过在ΔTi，j时间内记录发生光强变化的总次数Sum，就能够得到物体表面不同区域对应的振动频率值：
ΔTi，j＝Timestampi-Timestampj (4)
其中，f(x，y)为物体表面像素坐标为(x，y)的区域所对应的振动频率值，Timestampi和Timestampj分别为光强变化发生的第i个时间戳和第j个时间戳，实际测量中，在ΔTi，j时间内，从时间戳Timestampi开始，每检测到光强极性发生一次变化，则Sum的数值就累加1，直至到达时间戳Timestampj结束。
S4、存储模块接收并存储光强变化矩阵及对应的频率矩阵。
S5、按照RGB值与振动频率值的对应关系，显示模块将接收的频率矩阵转换为对应的彩色图像进行显示。
通过上述方法，最终数据处理模块会输出对应于时间序列的连续的频率矩阵：
其中，AT0表示T0时间时物体表面对应的频率矩阵，ATn则表示Tn时间时物体表面对应的频率矩阵，频率矩阵中的每个元素即为对应于物体表面不同区域的频率振动值，由此，显示模块将持续输出对应于时间序列的彩色图像。
综上所述，本发明中，光学镜头用于实现被测对象成像于光强变化感知模块，实际使用中应根据被测对象的特点选定型号；
光强变化感知模块用于实现被测对象表面光强因振动引起的色差变化的传感变换，输出带时间坐标、位置坐标、变化极性的多维矩阵数据，本实施例中选用了celePiXel公司生产的CeleX-V感光器件；
数据处理模块、存储模块以及通信模块：数据处理模块主要实现光强变化感知模块输出数据的解码，并根据式(2)解算观测点a的振动频率值，并把振动频率f值与物体表面a观测点对应(x，y)坐标关联，利用存储模块存储原始数据及解算结果；同时通过通信模块，实现测试数据及解算结果与外设设备或存储设备的数据交互；
显示模块用于实现测试结果数据点阵的显示，并根据观测窗包括的频率数据确定最小值与最大值，基于RGB色彩模型为图像中每一个像素的RGB分量分配一个0-255范围内的强度值，通过使用不同强度的三原色，红、绿、蓝色的来组合成不同的色彩，实现被测对象频率振动的彩色图形化显示。
本发明通过光强变化感知模块捕捉机械振动行为引起的物体表面色彩亮度变化的频率，应用感知的光强变化频率与机械振动频率具有线性映射关系，实现机器振动频率的测量，并将其转换为与物体表面区域相对应的结构化的密集点数据集，通过显示模块形成与物体外轮廓表面一致的机械振动频率测量数据面，以实现图形化展示。本发明为机械振动频率的非接触、图形化观测提供了新的测量工具及方法，能够实现简单、快速、准确测量的目的。
Claims (10)
1.一种机械振动频率可视化测量装置，其特征在于，包括依次连接的光学镜头(1)、光强变化感知模块(2)、数据处理模块(3)以及显示模块(4)，所述光强变化感知模块(2)、数据处理模块(3)和显示模块(4)分别连接至直流电源(5)，所述光学镜头(1)用于将物体表面的反射光传输给光强变化感知模块(2)；
所述光强变化感知模块(2)根据物体表面的反射光，输出物体表面对应的光强变化矩阵给数据处理模块(3)；
所述数据处理模块(3)用于对光强变化矩阵进行解码处理，以得到物体表面对应的振动频率值；
所述显示模块(4)按照RGB值与振动频率值的对应关系，将物体表面的振动频率以彩色图像的方式进行显示；
所述直流电源(5)用于分别提供电能给光强变化感知模块(2)、数据处理模块(3)以及显示模块(4)。
2.根据权利要求1所述的一种机械振动频率可视化测量装置，其特征在于，所述数据处理模块(3)通过通信模块(6)分别与光强变化感知模块(2)、显示模块(4)连接。
3.根据权利要求2所述的一种机械振动频率可视化测量装置，其特征在于，所述通信模块(6)采用USB协议或TCP/IP协议。
4.根据权利要求1所述的一种机械振动频率可视化测量装置，其特征在于，所述数据处理模块(3)连接有存储模块(7)，所述存储模块(7)用于存储数据处理模块(3)输出的所有数据。
5.根据权利要求4所述的一种机械振动频率可视化测量装置，其特征在于，所述存储模块(7)具体为SD存储卡。
6.根据权利要求1所述的一种机械振动频率可视化测量装置，其特征在于，所述光强变化感知模块(2)包含多个像素感知单元，每个像素感知单元对应于物体表面的一个区域。
7.根据权利要求6所述的一种机械振动频率可视化测量装置，其特征在于，所述光强变化感知模块(2)具体为CeleX-V感光器件。
8.一种应用如权利要求4所述装置的机械振动频率可视化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、光学镜头将物体表面的反射光传输至光强变化感知模块；
S2、光强变化感知模块根据物体表面的反射光，输出物体表面对应的光强变化矩阵，该光强变化矩阵包含多个对应于物体表面不同区域的光强变化数据；
S3、数据处理模块对接收的光强变化矩阵进行解码，得到对应的频率矩阵，该频率矩阵包含多个对应于物体表面不同区域的振动频率值；
S4、存储模块接收并存储光强变化矩阵及对应的频率矩阵；
S5、按照RGB值与振动频率值的对应关系，显示模块将接收的频率矩阵转换为对应的彩色图像进行显示。
9.根据权利要求8所述的一种机械振动频率可视化测量方法，其特征在于，所述光强变化数据具体为：
a(x，y)＝(x，y，Polarity，Timestamp)
其中，a(x，y)为物体表面像素坐标为(x，y)的区域所对应的光强变化数据，x为像素横坐标，y为像素纵坐标，Polarity为光强极性，Polarity为0时，表示光强由强变弱，Polarity为1时，表示光强由弱变强，Timestamp为光强变化发生的时间戳。
10.根据权利要求9所述的一种机械振动频率可视化测量方法，其特征在于，所述振动频率值具体为：
ΔTi，j＝Timestampi-Timestampj
其中，f(x，y)为物体表面像素坐标为(x，y)的区域所对应的振动频率值，Sum为ΔTi，j时间内光强变化发生的次数，Timestampi和Timestampj分别为光强变化发生的第i个时间戳和第j个时间戳，具体的，在ΔTi，j时间内，从时间戳Timestampi开始，每检测到光强极性发生一次变化，则Sum的数值就累加1，直至到达时间戳Timestampj结束。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201030 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |