CN114814274B - 基于图像识别的高分辨率扭振测量方法及系统 - Google Patents

基于图像识别的高分辨率扭振测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于图像识别的高分辨率扭振测量方法及系统。该方法为：于转子系统的传动轴上套设随传动轴同步转动的码盘，所述码盘的圆周上均匀分布有轮齿，设置任何时刻均可被轮齿部分遮挡或完全遮挡的固定视场；根据码盘转动转角求解出每个转角下被轮齿遮挡的视场面积，得到遮挡面积与转角的变化对应图；传动轴工作时，实时采集被轮齿遮挡的视场面积，得到实际的遮挡面积与时间的变化对应图；将实际的遮挡面积与时间的变化对应图映射到遮挡面积与转角的变化对应图中，得到两个时刻之间角度差，计算得到两个时刻中后一时刻的扭振信号。本方法对扭振测试精度的提高有重要作用，提高了扭振测试分辨率。

Description

基于图像识别的高分辨率扭振测量方法及系统
技术领域
本发明涉及旋转机械相关领域，具体涉及一种基于图像识别的高分辨率扭振测量方法及系统。
背景技术
转子系统广泛运用于汽轮机、燃气轮机、风力机等旋转机械，是汽车传动系统的核心。在转子系统运行过程中，扭转振动(扭振)对整个系统的振动与噪声具有重大影响，因此，扭振的测试不可或缺。目前，常用的扭振测试方法主要为脉冲计数方法，通过齿盘或栅格进行脉冲计数，受齿数或栅格数目的限制，分辨率不高，因此，如何提高扭振测试分辨率成为亟待解决的难题。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于图像识别的高分辨率扭振测量方法及系统。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于图像识别的高分辨率扭振测量方法，包括以下步骤：
于转子系统的传动轴上套设随传动轴同步转动的码盘，所述码盘的圆周上均匀分布有轮齿，设置任何时刻均可被轮齿部分遮挡或完全遮挡的固定视场；
根据码盘转动转角求解出每个转角下被轮齿遮挡的视场面积，得到遮挡面积与转角的变化对应图；
传动轴工作时，实时采集被轮齿遮挡的视场面积，得到实际的遮挡面积与时间的变化对应图；
将实际的遮挡面积与时间的变化对应图映射到遮挡面积与转角的变化对应图中，得到两个时刻之间角度差，计算得到两个时刻中后一时刻的扭振信号，其中两个时刻的时间差不大于被轮齿遮挡的视场面积的变化时间周期。
本方法通过被轮齿遮挡的视场面积来确定两个时刻之间的角度差，从而计算得到扭振，而现有的采集被轮齿遮挡的视场面积的设备(如图像采集器)的采样频率高，从而得到的扭振的精度也就高，因此本方法对扭振测试精度的提高有重要作用，提高了扭振测试分辨率。
该基于图像识别的高分辨率扭振测量方法的优选方案：根据码盘转动转角求解出每个转角下被轮齿遮挡的视场面积，得到遮挡面积与转角的变化对应图的步骤为：
根据轮齿个数计算得到被轮齿遮挡的视场面积的变化角度周期，计算一个角度周期内各个角度下被轮齿遮挡的视场面积，绘制出一个角度周期内遮挡视场面积与角度的变化曲线图，得到遮挡面积与转角的变化对应图。这样能更快的得到遮挡面积与转角的变化对应图。
该基于图像识别的高分辨率扭振测量方法的优选方案：一个角度周期内各个角度下被轮齿遮挡的视场面积计算步骤为：
建立坐标系，确定一个角度周期内，各个角度下轮齿与视场相交时的各交点的坐标，再进行积分求出各个角度下的遮挡面积值。该计算被轮齿遮挡的视场面积的方法简单且有效。
该基于图像识别的高分辨率扭振测量方法的优选方案：当视场为圆形时，一个角度周期内各个角度下被轮齿遮挡的视场面积的计算步骤为：
以码盘中心为原点，原点到视场中心点的方向为Y轴，码盘上垂直于y轴的直线为X轴建立坐标系XOY；
则视场区域轮廓在XOY坐标系中表示为(x-a)2+(y-b)2＝r2；其中，a,b,r分别为视场的圆心坐标和半径；
码盘上的轮齿一与码盘的交点分别为A1(xA1,yA1)、B1(xB1,yB1)，轮齿一齿顶端点为C1(xC1,yC1)、D1(xD1,yD1)；与轮齿一相邻的轮齿二，其与码盘的交点分别为A2(xA2,yA2)、B2(xB2,yB2)，轮齿二齿顶端点为C2(xC2,yC2)、D2(xD2,yD2)；
码盘转动时，被轮齿遮挡的视场面积循环表示为：
Figure BDA0003607564730000031
其中，
Figure BDA0003607564730000032
此时，点C1、D1均在视场内，E1、F1为轮齿一与视场的两个交点，其坐标为E1(xE1,yE1)、F1(xF1,yF1)，P1、Q1为过点C1、D1作X轴的垂线与交视场圆的交点，其坐标为P1(xP1,yP1)、Q1(xQ1,yQ1)；
Figure BDA0003607564730000033
此时，点C1位于视场内，点D1位于视场外；
Figure BDA0003607564730000041
此时，点C1、点D1均位于视场外，其中，M1为视场圆与线段A1C1的另一交点，M1(xM1,yM1)；
Figure BDA0003607564730000042
此时，点C1、点D2均位于视场外，且视场两侧被相邻的轮齿一和轮齿二遮挡，其中，点D2与点C1相邻，点B2与与点A1相邻，点F2、N2为视场与线段D2B2的两个交点，F2(xF2,yF2),N2(xN2,yN2)；
Figure BDA0003607564730000043
此时，点C2、D2皆位于视场外且视场与轮齿一无交点；
Figure BDA0003607564730000044
此时，点C2位于视场外，点D2位于视场外且视场圆内时，其中，点E2为线段C2D2与视场的交点，E2(xE2,yE2)；
上述中所有点的坐标均为关于转角θ的函数，转角θ不于大
Figure BDA0003607564730000045
η为轮齿个数，α为X轴与OB1之间的夹角，β为OB1与OA1之间的夹角，H为原点到C1D1中点的长度，L为C1D1的长度。
该基于图像识别的高分辨率扭振测量方法的优选方案：将实际的遮挡面积与时间的变化对应图映射到遮挡面积与转角的变化对应图中的步骤为：
以某一时刻的遮挡面积值在遮挡面积与转角的变化对应图中做水平线，交一个面积周期曲线于左右两点，根据实际的遮挡面积与时间的变化对应图中前一时刻与此时刻的面积的大小来判定转角的左右位置。这样能快速实现实际的遮挡面积与时间的变化对应图、遮挡面积与转角的变化对应图之间的映射。
本发明还提出了一种基于图像识别的高分辨率扭振测量系统，包括套设于转子系统的传动轴上随传动轴同步转动的码盘，所述码盘的圆周上均匀分布有轮齿；
还包括设置的任何时刻均可被轮齿部分遮挡或完全遮挡的固定视场以及用于实时采集被轮齿遮挡的视场图像的图像采集模块，所述图像采集模块输出端连接一处理模块；
所述处理模块根据被轮齿遮挡的视场图像计算出各个时刻下被轮齿遮挡的视场面积，并根据上述的基于图像识别的高分辨率扭振测量方法测量该传动轴的扭振。
该基于图像识别的高分辨率扭振测量系统具备上述基于图像识别的高分辨率扭振测量方法的所有优点。
优选的，于所述固定视场内铺设感光材料。
本发明的有益效果是：本发明通过被轮齿遮挡的视场面积来确定两个时刻之间的角度差，从而计算得到扭振，不需要知道两个时刻具体所对应的角度，只需知道两个时刻之间发生的角度差即可，简化了计算。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是码盘、转动轴、视场的相对位置示意图；
图2是当视场为圆形时，被轮齿遮挡的视场面积的变化示意图；
图3是实际的遮挡面积与时间的变化对应图、遮挡面积与转角的变化对应图之间的映射图；
图4是本方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1和图4所示，本发明提供了一种基于图像识别的高分辨率扭振测量方法，包括以下步骤：
在转子系统的传动轴上套设随传动轴同步转动的码盘，码盘的圆周上均匀分布有轮齿，设置任何时刻均可被轮齿部分遮挡或完全遮挡的固定视场，即视场是固定不动的，并不随传动轴转动而转动，该视场的形状不限。
根据码盘转动转角求解出每个转角下被轮齿遮挡的视场面积，得到遮挡面积与转角的变化对应图。
由于轮齿是均匀分布在码盘的圆周上，因此被轮齿遮挡的视场面积存在随转角周期性变化的特点，因此根据轮齿个数计算得到被轮齿遮挡的视场面积的变化角度周期，该角度周期为
Figure BDA0003607564730000061
η为轮齿个数。然后计算一个角度周期内各个角度下被轮齿遮挡的视场面积，绘制出一个角度周期内遮挡视场面积与角度的变化曲线图，得到遮挡面积与转角的变化对应图。
一个角度周期内各个角度下被轮齿遮挡的视场面积计算步骤为：
建立坐标系，确定一个角度周期内，各个角度下轮齿与视场相交时的各交点的坐标，再进行积分求出各个角度下的遮挡面积值。
本实施例中提出了一种当视场为圆形时，一个角度周期内各个角度下被轮齿遮挡的视场面积方法：
如图2所示，以码盘中心为原点，原点到视场中心点的方向为Y轴，码盘上垂直于y轴的直线为X轴建立坐标系XOY；
则视场区域轮廓在XOY坐标系中表示为(x-a)2+(y-b)2＝r2；其中，a,b,r分别为视场的圆心坐标和半径。
码盘上的轮齿一与码盘的交点分别为A1(xA1,yA1)、B1(xB1,yB1)，轮齿一齿顶端点为C1(xC1,yC1)、D1(xD1,yD1)；与轮齿一相邻的轮齿二，其与码盘的交点分别为A2(xA2,yA2)、B2(xB2,yB2)，轮齿二齿顶端点为C2(xC2,yC2)、D2(xD2,yD2)。
当点C1、D1均在视场内时，则视场内轮齿的面积为：
Figure BDA0003607564730000071
其中，Ω1为线段E1C1、C1D1、D1F1与圆弧F1E1围成区域，E1、F1为轮齿一与视场的两个交点，其坐标为E1(xE,yE)、F1(xF,yF)，P1、Q1为过点C1、D1作X轴的垂线与交视场圆的交点，其坐标为P1(xP1,yP1)、Q1(xQ1,yQ1)。
当点C1位于视场内，点D1位于视场外时，则视场内轮齿的面积为：
Figure BDA0003607564730000072
其中，Ω2为线段E1C1与圆弧F1E1围成区域。
当点C1、点D1均位于视场外时，则视场内轮齿的面积为：
Figure BDA0003607564730000073
其中，M1为视场圆与线段A1C1的另一交点，M1(xM1,yM1)，Ω3为线段M1E1与圆弧E1M1围成区域。
当点C1、点D2均位于视场外，且视场两侧被相邻的轮齿一和轮齿二遮挡时，视场内轮齿的面积为：
Figure BDA0003607564730000081
其中，点D2为轮齿二的其一齿顶端点，点D2与点C1相邻，点B2为轮齿二与码盘的其一交点，点B2与与点A1相邻，点F2、N2为视场圆与线段D2B2的两个交点，F2(xF2,yF2),N2(xN2,yN2)，Ω4为线段M1E1与圆弧E1M1围成区域，Ω5为线段N2F2与圆弧F2N2围成区域。
当点C2、D2皆位于视场外且视场圆与轮齿一无交点，视场内轮齿的面积为：
Figure BDA0003607564730000082
其中，点C2为轮齿二的另一齿顶端点，Ω6为线段N2F2与圆弧F2N2围成区域。
当点C2位于视场外，点D2位于视场外且视场圆内时，视场内轮齿的面积为：
Figure BDA0003607564730000083
其中，点E2为线段C2D2与视场的交点，E2(xE2,yE2)，Ω7为线段E2D2、D2F2与圆弧F2E2围成区域。
即码盘转动时，被轮齿遮挡的视场面积循环表示为：
Figure BDA0003607564730000084
上述中所有点的坐标均为关于转角θ的函数，如：
点A1的坐标计算公式为
Figure BDA0003607564730000091
点B1的坐标计算公式为
Figure BDA0003607564730000092
点C1的坐标计算公式为
Figure BDA0003607564730000093
点D1的坐标计算公式为
Figure BDA0003607564730000094
其它点的坐标都可作为关于转角θ的函数，可通过现有技术得知，此处不再详述，转角θ不于大
Figure BDA0003607564730000095
η为轮齿个数，α为X轴与OB1之间的夹角，β为OB1与OA1之间的夹角，H为原点到C1D1中点的长度，L为C1D1的长度,k为斜率。
当视场为其它形状时，被轮齿遮挡的视场面积求解方法可按上述内容的计算思路进行类推即可。
传动轴工作时，实时采集被轮齿遮挡的视场面积，得到实际的遮挡面积与时间的变化对应图，该变化对应图优选为实际遮挡面积与时间的变化的曲线图。
将实际的遮挡面积与时间的变化对应图映射到遮挡面积与转角的变化对应图中。
具体地，以某一时刻的遮挡面积值在遮挡面积与转角的变化对应图中做水平线，交一个面积周期曲线于左右两点，根据实际的遮挡面积与时间的变化对应图中前一时刻与此时刻的面积的大小来判定转角的左右位置，从而实现了将实际的遮挡面积与时间的变化对应图映射到遮挡面积与转角的变化对应图中。以具体实例来介绍，如图3所示，从图3中的左图中得知在0.1s时的遮挡面积为0.5，那么在图3中的右图中纵坐标中找到遮挡面积0.5，并以该点作平行于横坐标的直线，与遮挡面积与转角的变化对应图交于两点，在图3中的左图中得知在0.1s时面积呈增加趋势，因此在图3中的右图中确定左侧交点所对应的角度为0.1s时所对应的角度。
计算某一时刻t2的扭振信号时，选取时刻t2之前的时间点t1，t1时刻和t2时刻之间的时间差不大于被轮齿遮挡的视场面积的变化时间周期，时间周期为
Figure BDA0003607564730000101
例如，当轮齿有12个时，该时间差不大于
Figure BDA0003607564730000102
然后按上述内容确定好t1时刻所对应的角度θ1和t2时刻所对应的角度θ2，得到两个角度的角度差，计算
Figure BDA0003607564730000103
得到t2时刻的扭振信号。
传统的脉冲计数法依赖于码盘齿数，但码盘齿数总是有限的，且数量很难达到1k～10k。但采用上述实施例却可以轻易使采样频率达到1k～10k及以上(现有的图像采集模块的采样频率可轻易达到)，对扭振测试精度的提高有重要作用。
本申请还提出了一种基于图像识别的高分辨率扭振测量系统的实施例，其包括套设于转子系统的传动轴3上随传动轴3同步转动的码盘1，码盘1的圆周上均匀分布有轮齿；还包括设置的任何时刻均可被轮齿部分遮挡或完全遮挡的固定视场2以及用于实时采集被轮齿遮挡的视场图像的图像采集模块(未图示)，图像采集模块输出端连接一处理模块(未图示)。这里的视场可通过支架或其它结构将视场固定并设于如图1所示的位置。
处理模块根据被轮齿遮挡的视场图像计算出各个时刻下被轮齿遮挡的视场面积，并根据上述的基于图像识别的高分辨率扭振测量方法测量该传动轴3的扭振。优选的，可以在固定视场2内铺设感光材料，更便于面积的采集。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于图像识别的高分辨率扭振测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
于转子系统的传动轴上套设随传动轴同步转动的码盘，所述码盘的圆周上均匀分布有轮齿，设置任何时刻均可被轮齿部分遮挡或完全遮挡的固定视场；
根据码盘转动转角求解出每个转角下被轮齿遮挡的视场面积，得到遮挡面积与转角的变化对应图；
传动轴工作时，实时采集被轮齿遮挡的视场面积，得到实际的遮挡面积与时间的变化对应图；
将实际的遮挡面积与时间的变化对应图映射到遮挡面积与转角的变化对应图中，得到两个时刻之间角度差，计算得到两个时刻中后一时刻的扭振信号，其中两个时刻的时间差不大于被轮齿遮挡的视场面积的变化时间周期；
将实际的遮挡面积与时间的变化对应图映射到遮挡面积与转角的变化对应图中的步骤为：
以某一时刻的遮挡面积值在遮挡面积与转角的变化对应图中做水平线，交一个面积周期曲线于左右两点，根据实际的遮挡面积与时间的变化对应图中前一时刻与此时刻的面积的大小来判定转角的左右位置。
2.根据权利要求1所述的基于图像识别的高分辨率扭振测量方法，其特征在于，根据码盘转动转角求解出每个转角下被轮齿遮挡的视场面积，得到遮挡面积与转角的变化对应图的步骤为：
根据轮齿个数计算得到被轮齿遮挡的视场面积的变化角度周期，计算一个角度周期内各个角度下被轮齿遮挡的视场面积，绘制出一个角度周期内遮挡视场面积与角度的变化曲线图，得到遮挡面积与转角的变化对应图。
3.根据权利要求2所述的基于图像识别的高分辨率扭振测量方法，其特征在于，一个角度周期内各个角度下被轮齿遮挡的视场面积计算步骤为：
建立坐标系，确定一个角度周期内，各个角度下轮齿与视场相交时的各交点的坐标，再进行积分求出各个角度下的遮挡面积值。
4.根据权利要求2或3所述的基于图像识别的高分辨率扭振测量方法，其特征在于，当视场为圆形时，一个角度周期内各个角度下被轮齿遮挡的视场面积的计算步骤为：
以码盘中心为原点，原点到视场中心点的方向为Y轴，码盘上垂直于y轴的直线为X轴建立坐标系XOY；
则视场区域轮廓在XOY坐标系中表示为(x-a)2+(y-b)2＝r2；其中，a,b,r分别为视场的圆心坐标和半径；
码盘上的轮齿一与码盘的交点分别为A1(xA1,yA1)、B1(xB1,yB1)，轮齿一齿顶端点为C1(xC1,yC1)、D1(xD1,yD1)；与轮齿一相邻的轮齿二，其与码盘的交点分别为A2(xA2,yA2)、B2(xB2,yB2)，轮齿二齿顶端点为C2(xC2,yC2)、D2(xD2,yD2)；
码盘转动时，被轮齿遮挡的视场面积循环表示为：
Figure FDA0004133077930000031
其中，
Figure FDA0004133077930000032
此时，点C1、D1均在视场内，E1、F1为轮齿一与视场的两个交点，其坐标为E1(xE1,yE1)、F1(xF1,yF1)，P1、Q1为过点C1、D1作X轴的垂线与交视场圆的交点，其坐标为P1(xP1,yP1)、Q1(xQ1,yQ1)；
Figure FDA0004133077930000033
此时，点C1位于视场内，点D1位于视场外；
Figure FDA0004133077930000034
此时，点C1、点D1均位于视场外，其中，M1为视场圆与线段A1 C1的另一交点，M1(xM1,yM1)；
Figure FDA0004133077930000035
此时，点C1、点D2均位于视场外，且视场两侧被相邻的轮齿一和轮齿二遮挡，其中，点D2与点C1相邻，点B2与与点A1相邻，点F2、N2为视场与线段D2B2的两个交点，F2(xF2,yF2),N2(xN2,yN2)；
Figure FDA0004133077930000036
此时，点C2、D2皆位于视场外且视场与轮齿一无交点；
Figure FDA0004133077930000037
此时，点C2位于视场外，点D2位于视场外且视场圆内时，其中，点E2为线段C2D2与视场的交点，E2(xE2,yE2)；
上述中所有点的坐标均为关于转角θ的函数，转角θ不大于
Figure FDA0004133077930000041
η为轮齿个数，α为X轴与OB1之间的夹角，β为OB1与OA1之间的夹角，H为原点到C1 D1中点的长度，L为C1 D1的长度,k为斜率。
5.一种基于图像识别的高分辨率扭振测量系统，其特征在于，包括套设于转子系统的传动轴上随传动轴同步转动的码盘，所述码盘的圆周上均匀分布有轮齿；
还包括设置的任何时刻均可被轮齿部分遮挡或完全遮挡的固定视场以及用于实时采集被轮齿遮挡的视场图像的图像采集模块，所述图像采集模块输出端连接一处理模块；
所述处理模块根据被轮齿遮挡的视场图像计算出各个时刻下被轮齿遮挡的视场面积，并根据权利要求1-4任一项所述的基于图像识别的高分辨率扭振测量方法测量该传动轴的扭振。
6.根据权利要求5所述的基于图像识别的高分辨率扭振测量系统，其特征在于，于所述视场内铺设感光材料。
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