CN116625480A - 非接触式机械振动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触式机械振动测量系统，涉及非接触式振动测量技术领域。本发明利用了滚动快门式图像采集设备的特性，令其行排列方向与待测物的振动方向平行设置，再配合照明设备采集待测物的采样标识区图像，再根据所述采样标识区图像即能够计算出待测物的振动参数。相比于现有技术，提供了一种发明构思完全不同的非接触式振动测量系统，且该系统使用的设备均为是大规模量产的器件价格非常低廉。

Description

非接触式机械振动测量系统

技术领域

本发明涉及非接触式振动测量技术领域，具体涉及一种非接触式机械振动测量系统。

背景技术

目前对于机械振动的测量，如振动频率，振动幅度，振动速度和加速度等，主要有3类非接触式的测量方法：无接触式激光测量，超高速摄像技术、线性CCD与激光结合技术；

其中，激光测振装置需要检测激光干涉，内部结构复杂，价格及其昂贵。

而通常机械振动高达几百赫兹的振动，且由于高频分量的存在，超高速摄像系统的帧率要达到几千赫兹才能满足测量需求，也使得其设备价格昂贵。

线性CCD与激光结合技术由于需要使用高分辨率线性CCD和高质量激光束，使得该种技术的非接触式振动测量系统结构复杂，硬件性能要求高、体积大、价格昂贵。

因此，目前亟需一种系统结构简单，硬件性能要求低的非接触式机械振动测量技术。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种非接触式机械振动测量系统，解决了现有的非接触式振动测量系统结构复杂，硬件性能要求高的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种非接触式机械振动测量系统，该系统包括：

滚动快门式图像采集设备，其行排列方向与待测物的振动方向平行，用于采集采样标识区图像；所述待测物上包括至少一采样标识区；

照明设备，用于对采样标识区进行照明，使滚动快门式图像采集设备在最短曝光时间下采集到清晰的采样标识区图像；

图像分析设备，用于根据所述采样标识区图像计算待测物的振动参数。

进一步的，所述滚动快门式图像采集设备包括：CMOS图像传感器和光学成像模块，所述光学成像模块用于将采样标识区成像到CMOS图像传感器上。

进一步的，所述照明设备包括：LED光源、聚光模块，所述聚光模块用于将LED光源发出的光会聚到待测物的采样标识区。

进一步的，所述采样标识区为垂直于振动方向的线段，且所述图像分析设备根据所述采样标识区图像计算待测物的振动参数包括：

S1、获取采样标识区在未振动时的图像作为标准图像；

S2、获取采样标识区在振动时的图像作为采样图像；

S3、基于标准图像确定单帧采样图像中的所有目标像素在振动方向上的位移信息；所述目标像素为所述采样标识区在各行像素中对应的像素；

S4、基于各行像素中的目标像素的位移信息和滚动快门式图像采集设备的行曝光时间间隔，生成该帧对应的振动波形；

S5基于所述该帧对应的振动波形计算振动参数。

进一步的，所述光学成像模块至少包括一个光学成像镜片。

进一步的，所述采样标识区为待测物上与振动方向垂直的边缘区域，且所述照明设备为透射式照明光源。

进一步的，所述待测物的振动周期大于5～10倍的滚动快门式图像采集设备的行曝光时间间隔。

进一步的，所述光学成像镜片包括圆柱镜片。

进一步的，所述系统还包括：XY移动平台，所述待测物和滚动快门式图像采集设备均固定于XY移动平台，以调节待测物和滚动快门式图像采集设备的相对位置。

进一步的，所述振动参数包括：振动幅度，振动频率，最大速度，加速度。

(三)有益效果

本发明提供了一种非接触式机械振动测量系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明利用滚动快门式图像采集设备的特性，令其行排列方向与待测物的振动方向平行设置，再配合照明设备采集待测物的采样标识区图像，再根据所述采样标识区图像能够计算出待测物的振动参数。相比于现有技术，提供了一种发明构思完全不同的非接触式振动测量系统，且该系统使用的设备均为是大规模量产的器件价格非常低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例中的采用透射式照明的非接触式机械振动测量系统；

图2为本发明实施例中的采用反射式照明的非接触式机械振动测量系统；

图3为本发明实施例中待测物静止时，采集到采样标识区图像；

图4为本发明实施例中待测物振动时，采集到采样标识区图像；

图5为本发明实施例中提取的振动波形。

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，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。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。

本申请实施例通过提供一种非接触式机械振动测量系统，解决了现有的非接触式振动测量系统结构复杂，硬件性能要求高的问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

滚动快门(RollingShutter)曝光是CMOS图像传感器阵列最基本的工作方式之一。在滚动快门曝光的开始，像素阵列的每一行沿行排列方向依次间隔相同的Trow时间进行曝光，直到像素阵列中所有的行都开始曝光。像素阵列在滚动模式下可以实现连续曝光，条件是曝光时间Texp必须小于帧周期时间Tframe，否则无法完成整帧的曝光过程。但是因为曝光的开始和结束都是滚动的，相邻行间隔时间Trow都是相同的，所以只要某一行曝光已经结束，这一行就可以重置开始下一帧画面操作，而不必等待阵列中所有行的像素都完成曝光和读出的全部操作。由于每行不是同时曝光，在对运动物体成像时，会产生所谓的“伪影”，即当对运动物体成像时，最终成像有可能会变形。上述的特点通常被认为是滚动快门图像传感器的缺点。

而本发明是特意利用滚动快门图像传感器对运动物体成像导致失真的特点，来实现对机械振动的测量。当采用滚动快门曝光式面阵图像传感器测量机械振动时，与光学成像系统结合，用光学镜头将待测物成像到该传感器感光面上。更进一步，将待测对象的边缘成像到图像传感器的感光面上，以方便图像边缘检测算法检测出待测物的边缘的像。再进一步，设置该图像传感器的行扫描方向与待测物的振动方向平行。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明提供了一种非接触式机械振动测量系统，该系统包括：

滚动快门式图像采集设备，其行排列方向与待测物的振动方向平行，用于采集采样标识区图像；所述待测物上包括至少一采样标识区；

照明设备，用于对采样标识区进行照明，使滚动快门式图像采集设备在最短曝光时间下采集到清晰的采样标识区图像；

图像分析设备，用于根据所述采样标识区图像计算待测物的振动参数。

本实施例的有益效果为：

本发明实施例利用滚动快门式图像采集设备的特性，令其行排列方向与待测物的振动方向平行设置，再配合照明设备采集待测物的采样标识区图像，再根据所述采样标识区图像能够计算出待测物的振动参数。相比于现有技术，提供了一种发明构思完全不同的非接触式振动测量系统，且该系统使用的设备均为是大规模量产的器件价格非常低廉。

如图1所示，下面对本发明实施例的实现过程进行详细说明：

在具体实施时，待测物为振动幅度小于1mm，频率约为270Hz的偏心轮电机+悬臂梁振动结构。且待测物可进一步设置于一固定平台上。

其中，采样标识区可以是待测物表面本身的某个区域，也可以是额外附加在其上的某个特定标识物，例如喷涂上的反光图案或安装在上面的发光元件，优选为一条垂直于振动方向的线段，在本实施例中，采样标识区为待测物上与振动方向垂直的边缘区域。

在具体实施时，滚动快门式图像采集设备包括至少一个常规的消费级CMOS图像传感器，且本实施例中将每一行像素共享一组重置(Reset)和选择(Select)控制，即图像阵列的重置、传输和选择是按行操作的。为了便于调节与待测物的距离和位置，滚动快门式图像采集设备可进一步设置在XY移动平台上。为了匹配CMOS图像传感器，在待测物和CMOS图像传感器之间还设置有光学成像模块，且光学成像模块包含至少一个光学成像镜片，以便将采样标识区成像到CMOS图像传感器上，例如采用索尼IMX298图像传感器的USB摄像头模组作为滚动快门式图像采集设备。对于其他使用场景，也可进一步配合变焦工业显微镜平台使用，将IMX298摄像头模组去掉原模组镜头，再将传感器安装到显微镜镜头上。还可在光路中插入圆柱镜片，有意降低图像传感器列的放大倍数，放大了垂直于振动方向的视场，从而在保证振动测量分辨率的情况下，扩展了沿待测物与振动垂直方向的测量范围。

此外，采用胶片曝光的相机，在采用卷帘快门时，也具有滚动曝光的特性，也可作为本发明实施例中的滚动快门式图像采集设备，用于机械振动的测量。

在具体实施时，照明设备除了可采用如图1所示的透射式照明光源，还可采用如图2所示的反射式照明光源。为了充分利用CMOS传感器的测量性能，可将滚动快门式图像采集设备的曝光时间设置到最短，在此基础上，为了保证成像清晰度，光源采用高功率LED，其可进一步包括聚光杯和聚光镜，构成近似平行光光源，以便将照明光会聚到待测物的采样标识区，以保证足够亮度。此外，光源也可采用激光或其它类型的光源，使照明光强到足以使CMOS图像传感器的曝光时间设置为最短时，仍能采集到清晰的图像即可。待测物静止时，采集到采样标识区图像如图3所示，此时图像传感器获得的是正常图像，黑色部分为待测物的振动部分的局部图像，黑白交界的部分则是待测物的边缘(直线)，而当待测物振动时，采集到采样标识区图像如图4所示，可见原本是直线的待测物边缘发生了失真(呈正弦波)，这是由于图像传感器在上述预设的特定感光和照明条件下，同时在行的方向与待测物的振动方向平行的情况下，滚动快门图像传感器行的曝光时间有一个时间间隔Trow(曝光时间越短，时间间隔Trow可设置的越小，可测量的振动频率越高)，当待测物的边缘发生振动时，就相当于在第一行开始感光后，Trow时刻，第二行开始感光，这时，待测物的边缘已经沿行的方向移动到(Trow*瞬时速度)的位置，以此类推到所有的行。当(5～10)*Trow<振动周期时，按香农采样定理，采样频率高于被测信号的最高频率的2倍，即可不损失信息实现采样。显然，采样标识区图像包含了振动参数信息。

在具体实施时，图像分析设备可采用一个计算机，通过USB接口与索尼IMX298图像传感器连接，且内置有用于对采集的采样标识区图像分析，计算出振动参数的图像分析算法。

在本实施例中，对采集的采样标识区图像分析，计算出振动参数包括以下步骤：

S1、获取采样标识区在未振动时的图像作为标准图像(例如图3所示的图像)；

S2、获取采样标识区在振动时的图像作为采样图像(例如图4所示的图像)；

S3、基于标准图像确定单帧采样图像中的所有目标像素在振动方向上的位移信息；所述目标像素为所述采样标识区在各行像素中对应的像素；

S4、基于各行像素中的目标像素的位移信息和滚动快门式图像采集设备的行曝光时间间隔，生成该帧对应的振动波形；

S5基于所述该帧对应的振动波形计算振动参数。

举例说明，以图3～5为例，利用现有边缘检测算法对采样标识区图像进行边缘图像的提取，将其放入同一个坐标系下，即可得到边缘图像中各点的坐标，以及对应的在振动方向上的位移量，结合相邻行间隔时间Trow，即可得到如图5所示的待测物的振动波形，其中纵轴对应的值为边缘上的点在振动方向上的位移量，横轴对应的值为以行曝光时间间隔为最小单位的采样时间点，可见在本实施例中，待测物为常规正弦波振动，测量其正弦波峰值，周期，即可获得振动幅度，振动频率，最大速度，加速度等参数。

综上所述，与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明利用了滚动快门式图像采集设备的特性，令其行排列方向与待测物的振动方向平行设置，再配合照明设备采集待测物的采样标识区图像，再根据所述采样标识区图像即能够计算出待测物的振动参数。相比于现有技术，提供了一种发明构思完全不同的非接触式振动测量系统，且该系统使用的设备均为是大规模量产的器件价格非常低廉。

(2)可配合不同的光学成像模块，测量从需用显微镜观察的微弱振动，到远距离需用望远镜观察的大范围的振动，适用范围广。

需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，该系统包括：

滚动快门式图像采集设备，其行排列方向与待测物的振动方向平行，用于采集采样标识区图像；所述待测物上包括至少一采样标识区；

照明设备，用于对采样标识区进行照明，使滚动快门式图像采集设备在最短曝光时间下采集到清晰的采样标识区图像；

图像分析设备，用于根据所述采样标识区图像计算待测物的振动参数。

2.如权利要求1所述的一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，所述滚动快门式图像采集设备包括：CMOS图像传感器和光学成像模块，所述光学成像模块用于将采样标识区成像到CMOS图像传感器上。

3.如权利要求1所述的一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，所述照明设备包括：LED光源、聚光模块，所述聚光模块用于将LED光源发出的光会聚到待测物的采样标识区。

4.如权利要求1所述的一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，所述采样标识区为垂直于振动方向的线段，且所述图像分析设备根据所述采样标识区图像计算待测物的振动参数包括：

S1、获取采样标识区在未振动时的图像作为标准图像；

S2、获取采样标识区在振动时的图像作为采样图像；

S3、基于标准图像确定单帧采样图像中的所有目标像素在振动方向上的位移信息；所述目标像素为所述采样标识区在各行像素中对应的像素；

S4、基于各行像素中的目标像素的位移信息和滚动快门式图像采集设备的行曝光时间间隔，生成该帧对应的振动波形；

S5基于所述该帧对应的振动波形计算振动参数。

5.如权利要求2所述的一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，所述光学成像模块至少包括一个光学成像镜片。

6.如权利要求4所述的一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，所述采样标识区为待测物上与振动方向垂直的边缘区域，且所述照明设备为透射式照明光源。

7.如权利要求1所述的一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，所述待测物的振动周期大于5～10倍的滚动快门式图像采集设备的行曝光时间间隔。

8.如权利要求5所述的一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，所述光学成像镜片包括圆柱镜片。

9.如权利要求1所述的一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，所述系统还包括：XY移动平台，所述待测物和滚动快门式图像采集设备均固定于XY移动平台，以调节待测物和滚动快门式图像采集设备的相对位置。

10.如权利要求6所述的一种非接触式机械振动测量系统，其特征在于，所述振动参数包括：振动幅度，振动频率，最大速度，加速度。