CN1249414C - 基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，用于机械测试技术领域。本发明包括：检测目标、同速跟踪观测系统、图像采集和数字图像处理系统、输入输出系统。其连接关系为：同速跟踪观测系统固定在检测目标上，同速跟踪观测系统、图像采集和数字图像处理系统、输入输出系统三者之间通过电缆相连接。本发明是一种非接触的测量，信号以光信号的形式提取，没有经过其它传感器的近似，是基于几何光学的利用几何相似关系对剪应变角进行的测量，所以精度很高。由于通过光纤传导而CCD外置，很大程度上避开了外界因素的影响，该发明能应用于各种复杂的工作环境，而且能对运动轴进行扭矩的动态测量，动态的数字显示，具有友好的人机交互特性。

Description

基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置

技术领域

本发明涉及一种扭矩测量装置，具体是一种基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置。用于机械测试技术领域。

背景技术

扭矩是旋转动力机械的重要工作参数，在飞机的螺旋桨、坦克和升船机等设备中都有广泛的应用，扭矩测量已成为机械量测量中一个重要组成部分。扭矩测量一般都是根据弹性轴在传递扭矩时所产生的物理参数(如变形、应力和应变)的变化来测量的。根据扭矩测量传感器弹性元件的变形几何参数，物理参数及静力学关系，扭矩测量仪可分为应变型、应力型和变形型，应变型常用的是电阻应变片式，这是接触测量，容易受环境温度的影响。而变形型又可分为光学式、光电式和电磁式等方式。基于光学的扭矩测量仪，一般能够达到较高的测量精度，受温度等环境因素的干扰小。

经文献检索发现，中国专利申请号：99103344.2，专利名称：激光动态扭矩测量仪。该专利由激光发射接收器、光学反射器、信号检测系统组成，是一种非接触的测量，激光发射接收器发射两束激光照射在反射镜上，反射激光束被激光接收器接收，产生两列光电信号，信号检测系统测量这两列信号的相位差及其周期，微机系统根据这些初始测量数据运算处理得出结果。其不足之处是：其一，激光发射接收器必须安装在旋转抽附近，并且两者之间不能有干扰，因此，可能导致机械设备机箱内部不紧凑，或者干扰其他轴；其二，在微机系统中使用的模拟器件复杂，很难保证稳定，测量精度不够高。

发明内容

本发明的目的针对现有技术中存在的上述不足和缺陷，提供一种基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置。本发明直接用CCD(电子耦合器件)获取弹性轴在扭矩作用下的微小变形，通过数字图像的算法实现扭矩测量，提高了测量的精度。

本发明是通过以下的技术方案实现的。本发明包括：检测目标、同速跟踪观测系统、图像采集和数字图像处理系统、输入输出系统。其连接关系为：同速跟踪观测系统固定在检测目标上，同速跟踪观测系统、图像采集和数字图像处理系统、输入输出系统三者之间通过电缆相连接。同速跟踪观测系统同速跟踪检测目标，图像采集和数字图像处理系统通过同速跟踪观测系统采集目标图像，用数字图像处理算法提取扭矩剪应变角，输入输出系统能改变系统参数，显示检测结果。

检测目标包括目标轴和标志线。标志线是在测试目标轴的某一母线上涂上永久放光物质，发光物质由夜光粉和放射性物质混合而成，当目标轴受到扭矩的作用时产生扭转变形，发光母线将变形成一条螺旋线。

同速跟踪观测系统包括：法兰盘、支撑架、柱面透镜和光纤镜头，其连接关系为：法兰盘用键与目标轴联接，支撑架固定在法兰盘上，柱面透镜设置于支撑架上，正好在标志线的上方，并保证柱面透镜的焦点轴与目标轴的轴线重合。光纤镜头也设置在支撑架上。当目标轴旋转时，整个同速跟踪观测系统也以相同转速随目标轴旋转，构成相对于目标轴静止的坐标系。

图像采集和数字图像处理系统包括：CCD电路板、电缆、滑环、AFE(模拟前端)电路板和数字信号处理器(DSP)电路板。CCD电路板设置在目标轴的一端，滑环固定在目标轴上，CCD电路板的信号线通过滑环用电缆与AFE电路板相连，AFE电路板和数字信号处理器电路板之间用数据线相连。

CCD采集光纤镜头所观测到的目标轴。AFE的功能是向CCD发送驱动信号并将CCD的输出信号进行模拟数字转化。数字信号处理器是该发明装置的大脑，由于它采用改进哈佛结构和流水线技术，运算速度很快，能够完成该发明的图像处理算法。

输入输出系统包括显示器和键盘，显示器和键盘通过数据线与数字信号处理器电路板连接。显示器能动态的显示扭矩的变化，而通过键盘，能够输入目标轴的物理参数，如抗扭矩面模量、剪切弹性模量等。

当目标轴旋转工作时，同速跟踪观测系统同速旋转，目标轴在扭矩的作用下发生弹性变形，标志线变形成螺旋线，由于柱面透镜与目标轴共轴线，根据几何光学原理可以推断：标志线在柱面透镜下所成的像变成一条直线。CCD获取光纤镜头所得到的标志线变形图像，通过AFE模数转换，数字信号处理器对数字图像进行一系列处理，用Hough算法检测出图像的标志线，提取扭矩剪应变角γ，根据公式

$\mathrm{\γ}=\frac{T}{\mathrm{WG}}$ (T——扭矩，W——抗扭矩面模量，G——材料的剪切弹性模量)

就可以算出扭矩T，并动态的显示在显示器上。

本发明的优点：它是一种非接触的测量，信号以光信号的形式提取，没有经过其它传感器的近似，是基于几何光学的利用几何相似关系对剪应变角进行的测量，所以精度很高。如果本装置的光纤镜头已经确定焦距和观测视野，它的精度就取决于CCD的分辨率。假定观测视野为40mm×40mm的区域，使用1024×768的CCD，测量精度≤±0.4％。由于通过光纤传导而CCD外置，很大程度上避开了外界因素的影响，该发明能应用于各种复杂的工作环境，而且能对运动轴进行扭矩的动态测量，动态的数字显示，具有友好的人机交互特性。

附图说明

图1本发明总体结构示意图。

图2本发明各组成部分结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：检测目标1、同速跟踪观测系统2、图像采集和数字图像处理系统3、输入输出系统4。其连接关系为：同速跟踪观测系统2固定在检测目标1上，同速跟踪观测系统2、图像采集和数字图像处理系统3、输入输出系统4三者之间通过电缆相连接。

如图2所示，检测目标1包括目标轴5和标志线6。标志线6是在测试目标轴5的某一母线上涂上永久发光物质，当目标轴6受到扭矩的作用时产生扭转变形，发光母线将变形成一条螺旋线。

同速跟踪观测系统2包括：法兰盘7、支撑架8、柱面透镜9和光纤镜头10，其连接关系为：法兰盘7用键与目标轴5联接，支撑架8固定在法兰盘7上，柱面透镜9设置于支撑架8上，正好在标志线6的上方，并保证柱面透镜9的焦点轴与目标轴5的轴线重合，光纤镜头10也设置在支撑架8上。

当目标轴5旋转时，整个同速跟踪观测系统2也以相同转速随目标轴5旋转，构成相对于目标轴5静止的坐标系。

图像采集和数字图像处理系统3包括：CCD电路板11、滑环12、电缆13、AFE电路板14和数字信号处理器电路板15。CCD电路板11设置在目标轴5的一端，滑环12固定在目标轴5上，CCD电路板11的信号线通过滑环12用电缆13与AFE电路板14相连，AFE电路板14和数字信号处理器电路板15之间用数据线相连。

输入输出系统4包括：显示器16和键盘17，显示器16和键盘17通过数据线与数字信号处理器电路板15连接。

Claims (4)

1、一种基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，包括：检测目标(1)、同速跟踪观测系统(2)、输入输出系统(4)，其特征在于还包括：图像采集和数字图像处理系统(3)，同速跟踪观测系统(2)固定在检测目标(1)上，同速跟踪观测系统(2)、图像采集和数字图像处理系统(3)、输入输出系统(4)三者之间通过电缆相连接，所述的检测目标(1)包括目标轴(5)和标志线(6)，标志线(6)是在目标轴(5)的某一母线上涂上永久发光物质，当目标轴(6)受到扭矩的作用时产生扭转变形，发光母线将变形成一条螺旋线，所述的同速跟踪观测系统(2)包括：法兰盘(7)、支撑架(8)、柱面透镜(9)和光纤镜头(10)，法兰盘(7)用键与目标轴(5)联接，支撑架(8)固定在法兰盘(7)上，柱面透镜(9)设置于支撑架(8)上，正好在标志线(6)的上方，并保证柱面透镜(9)的焦点轴与目标轴(5)的轴线重合，光纤镜头(10)也设置在支撑架(8)上。

2、根据权利要求1所述的基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，其特征是，当目标轴(6)旋转时，整个同速跟踪观测系统(2)也以相同转速随目标轴(6)旋转，构成相对于目标轴(6)静止的坐标系。

3、根据权利要求1所述的基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，其特征是，所述的输入输出系统(4)包括：显示器(16)和键盘(17)，显示器(16)和键盘(17)通过数据线与数字信号处理器电路板(15)连接。

4、根据权利要求1所述的基于视觉的低速旋转轴的扭矩动态测量装置，其特征是，所述的图像采集和数字图像处理系统(3)包括：CCD电路板(11)、滑环(12)、电缆(13)、AFE电路板(14)、数字信号处理器电路板(15)，CCD电路板(11)设置在目标轴(5)的一端，滑环(12)固定在目标轴(5)上，CCD电路板(11)的信号线通过滑环(12)用电缆(13)与AFE电路板(14)相连，AFE电路板(14)和数字信号处理器电路板(15)之间用数据线相连。

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