CN113253561B - 叶片追光及摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种叶片追光及摄像装置，涉及仪器仪表技术领域。叶片追光及摄像装置包括依次设置的：光源模块、光斑整形及分光模块、叶片追踪模块、叶片驱动模块、追踪控制模块以及摄像模块，其中，光源模块用于发出光斑，光斑整形及分光模块用于调整光斑的大小，并实现叶片图像信息的分光；叶片追踪模块用于调整光斑的光路，叶片驱动模块包括叶片、电机和编码器，叶片用于接收光斑，并形成叶片图像信息，电机驱动叶片旋转，编码器用于获取叶片的角位移信息，追踪控制模块用于根据角位移信息、获得叶片转速信息，并控制叶片追踪模块使光斑与叶片的角位移同步，摄像模块用于接收叶片图像信息。该装置能够实现全周期地对叶片表面动态同步追光和摄像。
Description
技术领域
本发明涉及仪器仪表技术领域，具体而言，涉及一种叶片追光及摄像装置。
背景技术
运动机械模型表面压力场分布测定是设计各种新型运动机械时选定材料的基础，光学压敏测压方法利用发光压敏涂料的光学特性，将压力大小转化为光度强弱后再进行数字化处理。光学压敏测压方法需强度高、稳定性好的激发光源，以持续照射并采集涂料发光强度，由于拍摄角度、拍摄距离的不同，以及光源、涂层厚度和发光探针浓度不同导致空间不均匀照射，得到的光强场不能直接转化为压力数据。特别的，在高速旋转叶片压力场分布测定场景中，叶片转数通常在1000rpm以上，激光光源与叶片的相对运动，造成光强周期性变化，对光学压敏测压方法的精度提出了很大的挑战。
现有技术中，一种测压方法是：在模型表面喷涂压力敏感材料，放置于待测流场中，通过相机采集发射光获得全流场压力分布情况。该方法适用于模型空间静止的被动压力测定场景，当模型高速运动时，激发光源和模型存在较大的相对运动，导致光强不稳定的问题。另一种测压方法是：基于相位锁定法的转子叶片表面全域动态压力测量装置及方法，激光光源固定于涂有光学压敏涂料的被测叶片前端并对准，编码器获取叶片角位移信息，使信号发生板卡与相机触发器相连并控制相机拍摄。该方法只有在激发光源照射叶片表面的特定相位进行拍摄，无法获取叶片全周期压力测定图像。
发明内容
本发明的目的包括提供一种叶片追光及摄像装置，其能够实现全周期地对叶片表面动态同步追光和摄像。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种叶片追光及摄像装置，叶片追光及摄像装置包括依次设置的：光源模块、光斑整形及分光模块、叶片追踪模块、叶片驱动模块、追踪控制模块以及摄像模块，其中，光源模块用于发出光斑，光斑整形及分光模块用于调整光斑的大小，叶片追踪模块用于调整光斑的光路，使光斑照向叶片驱动模块，叶片驱动模块包括叶片、电机和编码器，叶片用于接收光斑，并形成叶片图像信息，电机驱动叶片旋转，编码器用于获取叶片的角位移信息，追踪控制模块用于根据角位移信息、获得叶片转速信息，并控制叶片追踪模块使所述光斑与所述叶片的角位移同步，光斑整形及分光模块还用于实现叶片图像信息的分光、并传递叶片图像信息至摄像模块。
在可选的实施方式中，光斑整形及分光模块包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第一分光镜，其中，第一透镜组、第一分光镜和第二透镜组依次同轴设置，调整第一透镜组与第二透镜组之间的距离，以调整光斑的大小，第二透镜组、第一分光镜和第三透镜组沿光路依次设置，叶片图像信息依次经过第二透镜组、第一分光镜和第三透镜组，并传递至摄像模块。
在可选的实施方式中，第一分光镜位于第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组的光路交叉点。
在可选的实施方式中，光斑整形及分光模块包括第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组、第七透镜组和第二分光镜，其中，第四透镜组、第五透镜组和第二分光镜依次同轴设置，调整第四透镜组与第五透镜组之间的距离，以调整光斑的大小，第二分光镜、第六透镜组和第七透镜组沿光路依次设置，叶片图像信息依次经过第二分光镜、第六透镜组和第七透镜组，并传递至摄像模块。
在可选的实施方式中，第二分光镜位于第四透镜组、第五透镜组、第六透镜组和第七透镜组的光路交叉点。
在可选的实施方式中，叶片追踪模块包括第一反射镜面、第二反射镜面、第一驱动电机和第二驱动电机，第一驱动电机连接第一反射镜面、以驱动第一反射镜面旋转，第二驱动电机连接第二反射镜面、以驱动第二反射镜面旋转。
在可选的实施方式中，追踪控制模块包括转速信息处理模块、锁相模块和运动分解模块，转速信息处理模块用于根据角位移信息，计算出叶片转速信息，锁相模块用于按照指定相位差控制光斑的角位移，实现指定的叶片同步追光，运动分解模块用于根据光斑的旋转运动，生成针对第一驱动电机和第二驱动电机的电压信号，以实现光斑进行圆周运动。
在可选的实施方式中，锁相模块用于调整第一反射镜面和第二反射镜面的角度，以实现光斑与叶片的角速度同步，还用于通过调整相位信号幅值以控制光斑的旋转半径，以使光斑照射在叶片的指定位置。
在可选的实施方式中，转速信息处理模块通过数据线与编码器连接，锁相模块的信号输入端口与转速信息处理模块的信号输出端口连接，锁相模块的信号输出端口与运动分解模块的输入端口连接，运动分解模块的输出端口通过信号线与第一驱动电机和第二驱动电机连接。
在可选的实施方式中，光源模块为激光光源，并用于发出所需波段的激发光，或者，光源模块为补光光源，以提高目标周围的亮度。
本发明实施例提供的叶片追光及摄像装置的有益效果包括：
通过光斑整形及分光模块改变光源模块发出的光斑的光路，并根据叶片的角位移信息，控制所述叶片追踪模块使所述光斑与所述叶片的角位移同步，实现全周期地对叶片表面动态同步追光和摄像。
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，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的叶片追光及摄像装置的结构示意图；
图2为图1中光斑整形及分光模块的一种结构示意图；
图3为图1中光斑整形及分光模块的另一种结构示意图；
图4为图1中叶片追踪模块的组成示意图；
图5为图1中叶片驱动模块的组成示意图；
图6为图1中追踪控制模块的组成示意图；
图7为光斑与叶片同步控制示意图；
图8为通过锁相模块调相实现各叶片特定位置追光切换的示意图；
图9为追踪控制模块的控制流程图。
图标：100-叶片追光及摄像装置；110-光源模块；120-光斑整形及分光模块；121-第一透镜组；122-第二透镜组；123-第三透镜组；124-第一分光镜；125-第四透镜组；126-第五透镜组；127-第六透镜组；128-第七透镜组；129-第二分光镜；130-叶片追踪模块；131-第一反射镜面；132-第二反射镜面；133-第一驱动电机；134-第二驱动电机；140-叶片驱动模块；141-叶片；142-电机；143-编码器；150-追踪控制模块；151-转速信息处理模块；152-锁相模块；153-运动分解模块；160-摄像模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1，本实施例提供了一种叶片追光及摄像装置100，能够实现全周期地对叶片141(图5示出)表面动态同步追光和摄像。叶片追光及摄像装置100包括依次设置的：光源模块110、光斑整形及分光模块120、叶片追踪模块130、叶片驱动模块140、追踪控制模块150以及摄像模块160。
其中，光源模块110、光斑整形及分光模块120和叶片追踪模块130依次同轴布置，光斑整形及分光模块120位于光源模块110的出光侧、且位于光源模块110与叶片追踪模块130之间。叶片驱动模块140无遮挡地放置于叶片追踪模块130的出光侧，使得叶片追踪模块130能够捕获叶片图像信息。追踪控制模块150通过信号线与叶片追踪模块130、叶片驱动模块140连接。摄像模块160放置于光斑整形及分光模块120的出光侧。
请参阅图1，光源模块110用于发出光斑，光源模块110既可作为激光光源发出特定波段的激发光，也可作为补光光源，提高目标周围的光强。
光斑整形及分光模块120用于调整光斑的大小，并实现叶片图像信息的分光。叶片追踪模块130用于调整光斑的光路。
请参阅图5，叶片驱动模块140包括叶片141、电机142和编码器143，叶片141用于接收光斑，并形成叶片图像信息，电机142的主轴与叶片141的旋转中心连接，电机142用于驱动叶片141旋转，编码器143与电机142连接，连接的方式包括但不限于齿轮啮合连接，编码器143用于获取叶片141的角位移信息。
追踪控制模块150用于根据角位移信息、获得叶片转速信息，并控制叶片追踪模块130使光斑与叶片141的角位移同步，摄像模块160用于接收叶片图像信息。
光斑整形及分光模块120的布置方案有两种：
方案一：请参阅图2，光斑整形及分光模块120包括第一透镜组121、第二透镜组122、第三透镜组123和第一分光镜124，其中，第一透镜组121、第一分光镜124和第二透镜组122依次同轴设置，调整第一透镜组121与第二透镜组122之间的距离，以调整光斑的大小，第二透镜组122、第一分光镜124和第三透镜组123沿光路依次设置，叶片图像信息依次经过第二透镜组122、第一分光镜124和第三透镜组123，并传递至摄像模块160。其中，第一分光镜124位于第一透镜组121、第二透镜组122和第三透镜组123的光路交叉点。
方案二：请参阅图3，光斑整形及分光模块120包括第四透镜组125、第五透镜组126、第六透镜组127、第七透镜组128和第二分光镜129，其中，第四透镜组125、第五透镜组126和第二分光镜129依次同轴设置，调整第四透镜组125与第五透镜组126之间的距离，以调整光斑的大小，第二分光镜129、第六透镜组127和第七透镜组128沿光路依次设置，叶片图像信息依次经过第二分光镜129、第六透镜组127和第七透镜组128，并传递至摄像模块160。其中，第二分光镜129位于第四透镜组125、第五透镜组126、第六透镜组127和第七透镜组128的光路交叉点。
方案一的优势在于：成本较低，集成度高。方案二的优势在于：分光镜的尺寸较小，另外，在特殊应用场景下，光源为非可见光波段时，主光路和支光路可采用不同镀膜的透镜，提高光斑亮度和成像质量。
光斑整形及分光模块120采用较小尺寸的镜面反射改变光斑的光路，具有响应速度快的特点，可实现高转速条件下的光斑叶片141同步控制。
调整第三透镜组123或第七透镜组128与摄像模块160的距离，即可获取清晰稳定的叶片图像信息，观察叶片141旋转、变形等细节。
请参阅图4，叶片追踪模块130包括第一反射镜面131、第二反射镜面132、第一驱动电机133和第二驱动电机134，第一驱动电机133连接第一反射镜面131、以驱动第一反射镜面131旋转，第二驱动电机134连接第二反射镜面132、以驱动第二反射镜面132旋转。其中，第一反射镜面131和第二反射镜面132垂直放置。也就是说，第一反射镜面131和第二反射镜面132平行于图4中坐标系中的y轴，第一反射镜面131和第二反射镜面132的轴线平行于x轴。
这样，叶片追踪模块130通过控制电机142旋转角度，调整镜面角度，实现光斑光路调整，使光斑落在叶片141上，并获取叶片图像信息。
请参阅图6，追踪控制模块150包括但不限于转速信息处理模块151、锁相模块152和运动分解模块153，转速信息处理模块151用于根据角位移信息，计算出叶片转速信息，锁相模块152用于按照指定相位差控制光斑的角位移，实现指定的叶片141同步追光，运动分解模块153用于根据光斑的旋转运动，生成针对第一驱动电机133和第二驱动电机134的电压信号，以实现光斑进行圆周运动。
锁相模块152用于调整第一反射镜面131和第二反射镜面132的角度，以实现光斑与叶片141的角速度同步，还用于通过调整相位信号幅值以控制光斑的旋转半径，以使光斑照射在叶片141的指定位置。通过设置相位差，可将光斑稳定照射在其余叶片141的制定位置。
转速信息处理模块151通过数据线与编码器143连接，锁相模块152的信号输入端口与转速信息处理模块151的信号输出端口连接，锁相模块152的信号输出端口与运动分解模块153的输入端口连接，运动分解模块153的输出端口通过信号线与第一驱动电机133和第二驱动电机134连接。
请参阅图7至图9，其中，图7中(a)为在恒定速度下光斑随叶片141同步旋转，实现对叶片141特定位置稳定光强的照射；图7中(b)为当目标加速时，光斑和叶片141出现位移偏差，导致叶片141特定位置光强变化；图7中(c)为通过锁相模块152调整叶片追踪模块130中镜面的旋转速度，消除偏差。
通过追踪控制模块150可以对叶片追光及摄像装置100实现以下控制方法：
S1：控制叶片驱动模块140的编码器143获取叶片141的角位移信息。
S2：判断单位时间内角位移信息是否变化。若发生变化，则执行S3；若无变化，则执行S4。
S3：计算叶片141与光斑的角度偏差，并判断角度偏差与THmin、THmax的大小。
当角度偏差＞THmax时，则执行S31：减小运动分解模式延时；
当角度偏差＜THmin时，则执行S32：增大运动分解模式延时；
当THmin≤角度偏差≤THmax时，则执行S4；
S4：运动分解模式延时，并发出针对第一驱动电机133和第二驱动电机134的电压信号。
S5：判断是否切换追光的叶片141。若切换追光的叶片141，则执行S1；若不切换追光的叶片141，则执行S6。
S6：判断是否收到停止指令。若未收到停止指令，则执行S1；若收到停止指令，则结束。
本发明实施例提供的叶片追光及摄像装置100的有益效果包括：
通过光斑整形及分光模块120改变光源模块110发出的光斑的光路，并根据叶片141的角位移信息，控制叶片追踪模块130使光斑与叶片141的角位移同步，实现全周期地对叶片141表面动态同步追光和摄像。
以上，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)
1.一种叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述叶片追光及摄像装置包括依次设置的：光源模块(110)、光斑整形及分光模块(120)、叶片追踪模块(130)、叶片驱动模块(140)、追踪控制模块(150)以及摄像模块(160)，其中，所述光源模块(110)用于发出光斑，所述光斑整形及分光模块(120)用于调整所述光斑的大小，所述叶片追踪模块(130)用于调整所述光斑的光路，使所述光斑照向所述叶片驱动模块(140)，所述叶片驱动模块(140)包括叶片(141)、电机(142)和编码器(143)，所述叶片(141)用于接收所述光斑，并形成叶片图像信息，所述电机(142)驱动所述叶片(141)旋转，所述编码器(143)用于获取叶片(141)的角位移信息，所述追踪控制模块(150)用于根据所述角位移信息、获得叶片转速信息，并控制所述叶片追踪模块(130)使所述光斑与所述叶片(141)的角位移同步，所述光斑整形及分光模块(120)还用于实现所述叶片图像信息的分光、并传递所述叶片图像信息至所述摄像模块(160)。
2.根据权利要求1所述的叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述光斑整形及分光模块(120)包括第一透镜组(121)、第二透镜组(122)、第三透镜组(123)和第一分光镜(124)，其中，第一透镜组(121)、所述第一分光镜(124)和所述第二透镜组(122)依次同轴设置，调整所述第一透镜组(121)与所述第二透镜组(122)之间的距离，以调整所述光斑的大小，所述第二透镜组(122)、所述第一分光镜(124)和所述第三透镜组(123)沿光路依次设置，所述叶片图像信息依次经过所述第二透镜组(122)、所述第一分光镜(124)和所述第三透镜组(123)，并传递至所述摄像模块(160)。
3.根据权利要求2所述的叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述第一分光镜(124)位于所述第一透镜组(121)、所述第二透镜组(122)和所述第三透镜组(123)的光路交叉点。
4.根据权利要求1所述的叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述光斑整形及分光模块(120)包括第四透镜组(125)、第五透镜组(126)、第六透镜组(127)、第七透镜组(128)和第二分光镜(129)，其中，第四透镜组(125)、所述第五透镜组(126)和所述第二分光镜(129)依次同轴设置，调整所述第四透镜组(125)与所述第五透镜组(126)之间的距离，以调整所述光斑的大小，所述第二分光镜(129)、所述第六透镜组(127)和所述第七透镜组(128)沿光路依次设置，所述叶片图像信息依次经过所述第二分光镜(129)、所述第六透镜组(127)和所述第七透镜组(128)，并传递至所述摄像模块(160)。
5.根据权利要求4所述的叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述第二分光镜(129)位于所述第四透镜组(125)、所述第五透镜组(126)、所述第六透镜组(127)和所述第七透镜组(128)的光路交叉点。
6.根据权利要求1所述的叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述叶片追踪模块(130)包括第一反射镜面(131)、第二反射镜面(132)、第一驱动电机(133)和第二驱动电机(134)，所述第一驱动电机(133)连接所述第一反射镜面(131)、以驱动所述第一反射镜面(131)旋转，所述第二驱动电机(134)连接所述第二反射镜面(132)、以驱动所述第二反射镜面(132)旋转。
7.根据权利要求6所述的叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述追踪控制模块(150)包括转速信息处理模块(151)、锁相模块(152)和运动分解模块(153)，所述转速信息处理模块(151)用于根据所述角位移信息，计算出所述叶片转速信息，所述锁相模块(152)用于按照指定相位差控制所述光斑的角位移，实现指定的所述叶片(141)同步追光，所述运动分解模块(153)用于根据所述光斑的旋转运动，生成针对所述第一驱动电机(133)和所述第二驱动电机(134)的电压信号，以实现所述光斑进行圆周运动。
8.根据权利要求7所述的叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述锁相模块(152)用于调整所述第一反射镜面(131)和所述第二反射镜面(132)的角度，以实现所述光斑与所述叶片(141)的角速度同步，还用于通过调整相位信号幅值以控制所述光斑的旋转半径，以使所述光斑照射在所述叶片(141)的指定位置。
9.根据权利要求7所述的叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述转速信息处理模块(151)通过数据线与所述编码器(143)连接，所述锁相模块(152)的信号输入端口与所述转速信息处理模块(151)的信号输出端口连接，所述锁相模块(152)的信号输出端口与所述运动分解模块(153)的输入端口连接，所述运动分解模块(153)的输出端口通过信号线与所述第一驱动电机(133)和所述第二驱动电机(134)连接。
10.根据权利要求1所述的叶片追光及摄像装置，其特征在于，所述光源模块(110)为激光光源，并用于发出所需波段的激发光，或者，所述光源模块(110)为补光光源，以提高目标周围的亮度。
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Citations (10)
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2021
- 2021-05-14 CN CN202110525123.7A patent/CN113253561B/zh active Active
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