CN113758695B - 采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统及方法 - Google Patents

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CN113758695B CN202111008104.3A CN202111008104A CN113758695B CN 113758695 B CN113758695 B CN 113758695B CN 202111008104 A CN202111008104 A CN 202111008104A CN 113758695 B CN113758695 B CN 113758695B
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Abstract

本发明提出一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统及方法，采用人工复合位感条纹作为三维振动传感器和旋转角位移传感器，可以由普通打印机打印，粘贴在轴表面周围。采用高速相机作为检测器，获取复合位感条纹的图像序列，利用所提出的图像处理算法可以同时获得时域三维振动和旋转角位移信号。以实现三维位移和旋转角的同时测量，适用于阶次分析。与传统的基于三个涡流传感器和一个旋转角传感器的系统相比，该系统的效率和鲁棒性都得到了提高。因此，所提出的复合位感条纹和基于视觉的系统可用于实际工程应用中的旋转轴状态监测和故障检测。

Description

采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统及方法
技术领域
本发明属于机器视觉、振动测量技术领域，尤其涉及一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析进行旋转机械的状态监测和故障诊断的系统及方法。
背景技术
转轴的升降速导致其转速和振动信号有明显的非平稳性变化，给旋转机械的故障诊断带来了巨大的困难。轴振动信号包含旋转机械状态监测和故障诊断的重要信息。然而，旋转机械总是以变速运行，这给使用平稳信号分析方法的信号分析带来了巨大的困难。针对此问题，研究人员开发了阶次分析，成为轴承、齿轮箱、和轴故障诊断的有效方法之一。通过将常角递增的信号采样，可以转换为常序特征，从而根据故障特征阶次在序域内获得故障信息。阶次分析的关键是同时获取振动信号和旋转角信息，这需要额外的仪器，如振动传感器和转速计。
许多研究人员提出了不同类型的振动方法，包括机械方法、电磁方法和光学方法，也可以分为接触方法或非接触方法。涡流作为无接触式位移传感器在轴振动测量中得到广泛应用。无接触光学方法，如激光振动测量，也可用于轴振动测量。然而，涡流和激光振动测量都是一维的探测方法。一般需要三个探测传感器来测量三维位移，其中两个传感器用于根本振动，一个传感器用于轴向振动。在某些情况下，由于测量技术或环境中的限制，轴的三维振动信号无法直接获得或难以获得这些信号。因此，使用接触加速度计测量来自非旋转部件，例如轴承座或外壳的振动信号也是一种替代方法。轴旋转角或转速的测量也可分为两类：模拟和数字转速表。模拟转速表通常在一些其他介质中将角度信息转换为类似信号或比例信号。数字转速表是使用编码器测量旋转角度或速度的装置。许多研究人员已经研究了各种使用不同原理的传感器，如光学、磁性、静电等，来直接测量旋转角度或速度。
发明内容
鉴于旋转轴的升降速导致其转速和振动信号的变化，具有明显的非平稳性，给旋转机械的故障诊断带来了巨大的困难。本发明的目的在于提供一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统及方法，采用人工复合位感条纹作为三维振动传感器和旋转角位移传感器，可以由普通打印机打印，粘贴在轴表面周围。采用高速相机作为检测器，获取复合位感条纹的图像序列，利用所提出的图像处理算法可以同时获得时域三维振动和旋转角位移信号。以实现三维位移和旋转角的同时测量，适用于阶次分析。与传统的基于三个涡流传感器和一个旋转角传感器的系统相比，该系统的效率和鲁棒性都得到了提高。因此，所提出的复合位感条纹和基于视觉的系统可用于实际工程应用中的旋转轴状态监测和故障检测。
本发明具体采用以下技术方案：
一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统，其特征在于，包括：
复合位感条纹，用于设置在旋转轴的表面上，以感知三维振动和旋转角度位移；
高速相机，作为检测器，用于获取复合位感条纹的图像序列信号并传输至上位机；其一般采用相机控制线，用以线阵相机与上位机之间的通讯、控制与数据传输；
上位机，用于对所述高速相机进行控制，并通过图像处理同时获得旋转轴的时域三维振动和旋转角位移信息。上位机一般可以采用计算机。
进一步地，所述复合位感条纹由三组正弦条纹图案组成，其左右正弦条纹组中心平行，中间正弦条纹的中心位置呈正弦变化。
复合位感条纹一般可以制作成轻质贴片，正面为正弦条纹图像组，背面为粘性层；可直接粘贴于结构表面，用以结构三维振动位移信息的感知。
进一步地，所述复合位感条纹三组条纹图像沿轴向的条纹密度相同。
进一步地，所述高速相机对复合位感条纹进行拍摄时其成像光轴与位感条纹对应的切面垂直且尽量使复合位感条纹中心成像于高速相机，其采样帧率根据所测振动的最高频率进行调整，以确保从复合位感条纹图像序列的每一帧都可以同时得到旋转轴的三维振动和旋转角位移。
进一步地，设沿光轴的方向为X轴，垂直方向为Y轴，沿轴的水平方向为Z轴；
通过成像复合位感条纹左右平行条纹组定位轴的轴线位置从而获得轴沿Y轴的位移；
通过成像复合位感条纹左右平行条纹组轴线处中心位置距离的变化获得轴沿X轴方向的位移；
通过成像复合位感条纹左右平行条纹组对称中心位置的变化获得轴沿Z轴方向的位移；
通过成像复合位感条纹中间条纹中心和左侧条纹中心距离与左右平行条纹组中心距离的比值获得转轴的转角信息。
计算转轴三维位移和转角信息的关键是找到每帧成像复合位感条纹的三个条纹组的中心位置变化曲线。
进一步地，通过一维条纹信号与成像位感条纹卷积后每行卷积序列的三个最大峰位置定位三组条纹的成像中心位置。可以根据所提取的中心位置曲线计算三维振动和旋转角位移。通过定位卷积所示的阵列的最大峰来获得三组条纹成像的相对中心位置。
将采集得到的转轴连续变化的转角△θ曲线进行拟合平滑，以减小由于转轴振动引起的角度误差；
采用拟合插值方法对平滑后的角度变化曲线进行等角度重采样，得到等角度采样的时间序列；其中，假设角度采样间隔为△θ等角度采样频率为Os即Os＝2π/△θ；
对转轴三维时域振动信号的幅值曲线在等角度采样时间序列上进行插值，得到各等角度时刻的振动幅值大小，以实现三维振动信号的等角度重采样；
对重采样的三维振动信号可看作平稳信号，采用傅里叶变换进行频谱分析，得到转轴三维振动的阶次谱；
采用频谱校正法对重采样后的三维振动信号进行频率、幅值和相位的校正，得到振动信号准确的信息，再进行全息谱的合成，实现对转轴全息谱分析。利用提出的复合位感条纹测量系统可实现转轴振动及转动信号的同步测量，再根据以上步骤即可实现转轴的阶次分析，进而实现转轴的故障诊断与状态监测。
图像复合位感条纹参考轴的中心线，如果轴沿Y轴有位移，则可以通过定位轴的位置变化来获得位移分量。
如果轴沿X轴方向有位移，则轴位置的中心距离Llr也会改变成像对象距离。
进一步地，旋转轴沿成像光轴方向的位移数学关系式为：
Figure BDA0003236096740000031
其中，△t是两个相邻帧之间的时间，i是图像序列的序列号，D1是复合位感条纹与成像透镜之间的初始对象距离，
Figure BDA0003236096740000045
和
Figure BDA0003236096740000046
是从内部框架和参考框架中获得的左右条纹之间的中心距离；
旋转轴沿垂竖直方向的位移数学关系式为：
Figure BDA0003236096740000041
其中，mi和mr是参考坐标系中，中心位置曲线的零斜率点的精确坐标；L是沿设置复合位感条纹的轴方向的左部条纹成像设置的物理长度，NL是位于参照系的轴位置的左部条纹成像设置覆盖的像素数；
旋转轴沿水平方向的位移数学关系式为：
Figure BDA0003236096740000042
其中，ni和nr是来自ith坐标系和参考坐标系的左右条纹成像的对称中心点的精确坐标，左右条纹成像的对称中心点表示为：
n＝(Pr-Pl)/2 (4)
其中，Pr和Pl是左右条纹成像的中心位置曲线的零斜率点的精确坐标。
为了消除X轴振动对旋转角计算的影响，利用Llc/Llr(即R＝Llc/Llr)的距离比计算旋转角，也随正弦函数而变化，但不随X轴的位移而变化。如果能得到相同旋转角度的余弦函数，则将确定在[0,2π]范围内的轴的旋转角。
已知，正弦函数的导数是余弦函数。因此，余弦函数随着可以从位置轴轴及其相邻轴处的距离比的差来获得旋转角而变化。然后，利用(5)和(6)的公式可以计算正弦函数和余弦函数的相位曲线。
计算相位曲线的公式为：
Figure BDA0003236096740000043
Figure BDA0003236096740000044
其中，
Figure BDA0003236096740000051
是Llc/Llr的标准化时域距离比，
Figure BDA0003236096740000052
是Rc和Rc1的归一化距离比差，其中Rc是轴轴位置Llc/Llr的距离比，Rc1是相邻的；确定旋转角的公式为：
Figure BDA0003236096740000053
以及，一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将复合位感条纹设置(比如粘贴)在旋转轴的表面上，调整高速照相机的镜头，使其聚焦在轴的表面；
步骤S2：在旋转轴的旋转过程中对图像序列进行连续成像；旋转轴的成像将随着轴的旋转而变化，在高速相机中成像的图像序列也随之变化；
步骤S3：将采集到的图像序列传输至上位机，以对图像序列进行处理，计算三维位移和旋转角。
进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：定义测量坐标，其中沿光轴的方向为X轴，垂直方向为Y轴，沿轴的水平方向为Z轴；
步骤S32：选取第一组复合位感条纹作为参考帧，记录相对中心位置线，左右条纹成像之间的中心距离Llr左部和中心之间的中心距离Llc；
步骤S33：用R表示的Llc/Llr的距离比，通过R的距离比的变化，得到轴的时域旋转角；
步骤S34：提取下一帧图像序列，分析图像参考轴的中心线，通过一维条纹信号与成像位感条纹卷积后每行卷积序列的三个最大峰位置来定位三组条纹的成像中心位置；
步骤S35：重复步骤S34，计算每帧图像序列旋转轴的三维振动和旋转角位移。
与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下优势：(1)本发明只需要一个复合位感条纹作为传感器，一个高速相机作为探测器即可感知结构三维振动和旋转角位移的信息，不需要如单维传感器那样在每个振动方向上都布置一路传感器。(2)本发明的复合位感条纹成本低廉，其几乎不引入附加质量，不会对结构引入附加质量，不会改变结构的模态参数。(3)本发明采用基于视觉的系统来实现同时测量径向和轴向位移，相对于基于面阵传感器的单目或双目视觉三维振动测量方法，其更加节约成本，测量效率更高。(4)成像光轴与图像传感器互相垂直,可确保采集的径向振动信号为相互垂直的两通道信号；(5)三维振动信号和转角信号同步采集，可保证信号的起始采样时间与采样率相同。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例装置结构示意图；
图中，1-复合位感条纹，2-振动结构，3-高速相机，4-相机控制线，5-计算机。
图2为本发明实施例针对三维位移和旋转角度的图像处理流程示意图；
图3为本发明实施例采用SOLIDWORKS软件的运动仿真及成像模块进行模拟的结果图；
图中，(a)X方向位移；(b)Y方向位移；(c)Z方向位移；(d)拟合平滑后的角位移曲线。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本发明实施例的装置结构示意图。图1为拟定阶次分析系统的示意图，仅由复合位感条纹、高速相机和计算机组成。
如图1所示，本实施例提供一种复合位感条纹和基于视觉的系统的三维振动位移测量和阶次分析的装置，包括复合位感条纹1、振动结构2、高速相机3、相机控制线4、计算机5。复合位感条纹1粘贴或喷涂于振动结构2的表面，用以感知振动结构2的三维空间位移信息。高速相机3用以对振动结构2表面的复合位感条纹1进行图像采集与记录，并将采集到的条纹信号序列通过相机控制线4传输到计算机5进行存储与处理。计算机5用以控制高速相机的启停与参数设置，并且在计算机5中安装有条纹序列处理软件模块，可对传输至计算机的条纹序列进行实时处理以提取结构的时域三维振动信号。
三维位移测量原理
X轴位移的测量原理如图2(a)所示。当x轴方向上存在正弦振动，根据图像几何理论，轴位置的中心距Llr离L也会随正弦函数而变化。因此，根据的长度Llr变化可以计算时域x轴位移△x：
Figure BDA0003236096740000071
其中，△t是两个相邻帧之间的时间，i是图像序列的序列号，D1是复合位感条纹与成像透镜之间的初始对象距离，
Figure BDA0003236096740000072
和
Figure BDA0003236096740000073
是从内部框架和参考框架中获得的左右条纹成像之间的中心距离。注意，X轴位移计算的中心距离应在轴的位置。
如果轴沿Y轴有位移，轴的位置将在图像传感器上发生变化。因此，可以通过从记录的复合位感条纹定位轴，如图2(b)所示。在得到了每个帧处的左部条纹成像的中心位置曲线的情况下，轴位置可以通过将中心位置曲线的坡度零点定位为来获得轴位置：
Figure BDA0003236096740000074
其中mi和mr是参考坐标系中，中心位置曲线的零斜率点的精确坐标。L是沿粘贴复合位感条纹的轴方向的左部条纹成像设置的物理长度，NL是位于参照系的轴位置的左部分条纹成像设置覆盖的像素数。
旋转轴的X轴和Y轴位移分量都从一个复合位感条纹图像中获得。同时，也可以从复合位感条纹图像中同时得到轴Z轴位移(即轴向位移)。Z轴位移的测量原理如图2(c)所示。左右条纹成像的对称中心点的坐标变化可以用来跟踪轴的轴向振动信息，也可以表示为：
Figure BDA0003236096740000081
其中，ni和nr是来自ith坐标系和参考坐标系的左右条纹成像的对称中心点的精确坐标。左右条纹成像的对称中心点可以表示为：
n＝(Pr-Pl)/2 (4)
其中，Pr和Pl是左右条纹成像的中心位置曲线的零斜率点的精确坐标。
旋转角度测量的原理
如图1(b)和(c)所示，左右条纹成像之间的中心距离Llr保持不变。左部和中心之间的中心距离Llc是正弦变化。从Llc的变化可以推导出旋转角度。然而，在成像系统中，由于图像对象距离的变化，从成像复合位感条纹获得的Llc的中心距离将随x轴位移而变化，其中由振动引起的一些调制误差将被引入旋转角度曲线。为了消除X轴振动对旋转角计算的影响，利用Llc/Llr(即R＝Llc/Llr)的距离比计算旋转角，也随正弦函数而变化，但不随X轴的位移而变化。但是，正弦函数的相位将被包裹在[-π/2,π/2]的范围内，这无法获得[0,2π]范围内的旋转角度。如果能得到相同旋转角度的余弦函数，则将确定在[0,2π]范围内的轴的旋转角。
已知，正弦函数的导数是余弦函数。因此，余弦函数随着可以从位置轴及其相邻轴处的距离比的差来获得旋转角而变化。然后，利用(5)和(6)的公式可以计算正弦函数和余弦函数的相位曲线。
Figure BDA0003236096740000082
Figure BDA0003236096740000083
其中
Figure BDA0003236096740000084
是Llc/Llr的标准化时域距离比，
Figure BDA0003236096740000085
是Rc和Rc1的归一化距离比差，其中Rc是轴位置Llc/Llr的距离比，Rc1是相邻的。最后，可以用(7)的公式来确定旋转角。
Figure BDA0003236096740000086
为了验证复合位感条纹在转轴阶次分析中的作用，采用SOLIDWORKS软件的运动仿真及成像模块进行模拟。模拟中，转轴以公式(8)进行加速旋转，同时在转轴的X、Y和Z三个方向分别设置如公式(9)、(10)和(11)所示的振动。转轴旋转和振动过程中采用成像模块对不同时刻的复合位感条纹图案进行采集，再采用上述提出的算法对转轴的时域三维振动位移和角位移信号进行同步提取与处理，结果如图3所示，图中，(a)X方向位移；(b)Y方向位移；(c)Z方向位移；(d)拟合平滑后的角位移曲线。
θ(t)＝720t3 (8)
Δx(t)＝0.1sin(2π(mod(θ(t),360)/360)) (9)
Figure BDA0003236096740000091
Figure BDA0003236096740000092
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统，其特征在于，包括：
复合位感条纹，用于设置在旋转轴的表面上，以感知三维振动和旋转角度位移；
高速相机，作为检测器，用于获取复合位感条纹的图像序列信号并传输至上位机；
上位机，用于对所述高速相机进行控制，并通过图像处理同时获得旋转轴的时域三维振动和旋转角位移信息；
所述复合位感条纹由三组正弦条纹图案组成，其左右正弦条纹组中心平行，中间正弦条纹的中心位置呈正弦变化；
设沿成像光轴的方向为X轴，垂直方向为Y轴，沿旋转轴的水平方向为Z轴；
通过成像复合位感条纹左右平行条纹组定位轴的轴线位置从而获得轴沿Y轴的位移；
通过成像复合位感条纹左右平行条纹组轴线处中心位置距离的变化获得轴沿X轴方向的位移；
通过成像复合位感条纹左右平行条纹组对称中心位置的变化获得轴沿Z轴方向的位移；
通过成像复合位感条纹中间条纹中心和左侧条纹中心距离与左右平行条纹组中心距离的比值获得转轴的转角信息；
旋转轴沿成像光轴方向的位移数学关系式为：
Figure FDA0003581793660000011
其中，△t是两个相邻帧之间的时间，i是图像序列的序列号，D1是复合位感条纹与成像透镜之间的初始对象距离，
Figure FDA0003581793660000012
和
Figure FDA0003581793660000013
是从内部框架和参考框架中获得的左右条纹之间的中心距离；
旋转轴沿垂直方向的位移数学关系式为：
Figure FDA0003581793660000014
其中，mi和mr是参考坐标系中，中心位置曲线的零斜率点的精确坐标；L是沿设置复合位感条纹的轴方向的左部条纹成像设置的物理长度，NL是位于参照系的轴位置的左部条纹成像设置覆盖的像素数；
旋转轴沿水平方向的位移数学关系式为：
Figure FDA0003581793660000021
其中，ni和nr是来自ith坐标系和参考坐标系的左右条纹成像的对称中心点的精确坐标，左右条纹成像的对称中心点表示为：
n＝(Pr-Pl)/2 (4)
其中，Pr和Pl是左右条纹成像的中心位置曲线的零斜率点的精确坐标；
计算相位曲线的公式为：
Figure FDA0003581793660000022
Figure FDA0003581793660000023
其中，
Figure FDA0003581793660000024
是Llc/Llr的标准化时域距离比，
Figure FDA0003581793660000025
是Rc和Rc1的归一化距离比差，其中Rc是轴轴位置Llc/Llr的距离比，Rc1是相邻的；确定旋转角的公式为：
Figure FDA0003581793660000026
其中，设选取第一组复合位感条纹作为参考帧，记录相对中心位置线，左右条纹成像之间的中心距离为Llr，左部条纹和中心条纹之间的中心距离为Llc。
2.根据权利要求1所述的采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统，其特征在于：所述复合位感条纹三组条纹图像沿轴向的条纹密度相同。
3.根据权利要求1所述的采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统，其特征在于：所述高速相机对复合位感条纹进行拍摄时其成像光轴与位感条纹对应的切面垂直，其采样帧率根据所测振动的最高频率进行调整。
4.根据权利要求1所述的采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统，其特征在于：通过一维条纹信号与成像位感条纹卷积后每行卷积序列的三个最大峰位置定位三组条纹的成像中心位置。
5.根据权利要求4所述的采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统，其特征在于：将采集得到的转轴连续变化的转角△θ曲线进行拟合平滑，以减小由于转轴振动引起的角度误差；
采用拟合插值方法对平滑后的角度变化曲线进行等角度重采样，得到等角度采样的时间序列；其中，假设角度采样间隔为△θ，等角度采样频率为Os，即Os＝2π/△θ；
对转轴三维时域振动信号的幅值曲线在等角度采样时间序列上进行插值，得到各等角度时刻的振动幅值大小，以实现三维振动信号的等角度重采样；
对重采样的三维振动信号采用傅里叶变换进行频谱分析，得到转轴三维振动的阶次谱；
采用频谱校正法对重采样后的三维振动信号进行频率、幅值和相位的校正，得到振动信号准确的信息，再进行全息谱的合成，实现对转轴全息谱分析。
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