CN201489014U - 非接触式转速测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式转速测量系统，该系统包括：横截面径向上设有辅助标志图像(301)的被测旋转体(104)；非接触地安装在与被测旋转体(104)横截面平行的平面上以便获取所述辅助标志图像(301)的摄像头(103)；以及通过USB数据线(102)连接在所述摄像头(103)上并包括图像处理模块(202)和转速测量模块(203)以便计算相邻两帧辅助标志图像(301)间的夹角从而得到平均转速的PC计算机(101)。

Description

非接触式转速测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种转速测量系统，特别是一种基于USB通用摄像头的、非接触式的中低转速测量系统。

背景技术

传统转速测量一般采用接触式测量，在测量中容易出现被测旋转体能量损耗大，测量设备移动性和灵活性差等缺点，影响测量精度。随着科学技术的发展以及加工制造业的需要，非接触式测量越来越受到重视，其抗干扰能力强，应用于电机转速等实测系统中，具有广阔的发展前景和优良的实用价值。在非接触测量中，转速测量精度主要取决于测角的精度。目前，人们在静态测角的基础上，对旋转物体的转角测量问题进行了大量研究，产生了许多新的测角方法。但这些光学方法只局限于小角度测量，对任意旋转角度的测量目前很少见。

另一方面，随着视频设备的性能不断提高，价格不断下降，视频技术应用也越来越广泛，将它用于测速仪器也是当前的一种发展方向。目前，视频技术应用于公路交通的车辆运行速度检测已经比较普遍；但一般都是进行直线速度的测量和监控。而将视频技术应用于转动速度测量，一般都采用高速摄像机获取一系列瞬态图像的测量方法，其成本非常高、应用受到限制。现有技术中只有高转速领域里才引用了视频技术，而中低转速领域均没有。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种非接触式转速测量系统，基于PC计算机和USB通用摄像头，实现非接触式的中低转速实时测量，能够对转速进行动态显示，并且超速报警。该系统利用VC++6.0和VFW软件开发包，进行视频预处理时不需要专用硬件设备，可移植性强、灵活性好，具有优良的视频处理能力。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该系统包括横截面径向上设有辅助标志图像(301)的被测旋转体(104)；非接触地安装在与被测旋转体(104)横截面平行的平面上以便获取所述辅助标志图像(301)的摄像头(103)；以及通过USB数据线(102)连接在所述摄像头(103)上并包括图像处理模块(202)和转速测量模块(203)以便计算相邻两帧辅助标志图像(301)间的夹角从而得到平均转速的PC计算机(101)。

作为本实用新型方案，上述摄像头(103)为具备USB2.0接口、图像捕捉速率为15～35帧/秒、30万像素以上的CMOS通用摄像头；所述PC计算机(101)具有Pentium III以上或兼容的通用处理器，内存容量为256KB以上，并具备USB2.0接口；所述辅助标志图像(301)必须标志在被测旋转体(104)的横截面径向上，且区别于该横截面底色的反色长矩形或直线段图像；所述图像处理模块(202)采用了Hough算法；所述转速测量模块(203)基于特征矢量运算实现，包括将辅助标志图像(301)转化为特征矢量(303)的特征矢量提取模块(2031)和用于获取相邻两帧之间特征矢量(303)夹角的角度识别模块(2032)，还有连接其上的转速显示模块(204)和超速报警模块(205)。

本实用新型使用时：首先选用长矩形或直线段作为辅助标志图像(301)；使用USB通用摄像头(103)采集被测旋转体(104)的辅助标志图像(301)，经数字化后由USB数据线(102)传入PC计算机(101)；再由图形处理模块(202)实现格式转换、背景去除、二值化、细化处理等预处理操作，利用Hough变换算法检测出辅助标志图像(301)中直线；接着通过特征矢量提取模块(2031)提取特征矢量(303)，进而由角度识别模块(2032)求得相邻两帧特征矢量(303)之间的夹角；在选定的时段内(默认值是1秒钟)不断累计角度值，最终得到任意时间内的平均转速；最后，可将上述所得转速通过转速显示模块(204)进行实时显示，同时送到超速报警模块(205)进行超速监控。

本实用新型的有益效果是：(1)采用了非机电式、非接触式的视频处理技术，可以适应强震动、强电磁干扰等恶劣环境，有效排除了各种强干扰量影响，避免传统接触式方法因机械磨损、打滑、振动等带来的误差，提高了系统的精度和安全性。(2)采用USB通用摄像头代替高速摄像机或高灵敏传感器，系统结构简单、元器件数据目少，因而易于维护、成本低。(3)采用特征矢量算法能对任意360°转角进行测量，模块算法简单、实现方便、实时性强。(4)视频采集与处理基于软件模块化实现，系统可扩展性强。

综上所述，本实用新型的非接触式转速测量系统具有较高的测速精度，能够广泛应用于各种复杂环境下中低速电机的转速实测系统，具有广阔的应用前景和实用价值。

附图说明

图1是本实用新型所述系统的连接示意图；

图2是本实用新型的结构框图；

图3是本实用新型转速测量的原理示意图；

图4是本实用新型所述系统的流程图；

图1中，各连接实物分别为：101.PC计算机，102.USB数据线，103.摄像头，104.被测旋转体；

图2中，各模块分别为：201.图像采集模块，202.图像处理模块，203.转速测量模块，204.转速显示模块，205.超速报警模块。其中，模块203还包括：2031.特征矢量提取模块，2032.角度识别模块；

图3中，301.辅助标志图像，302.USB摄像头，303.特征矢量；

图4中，流程图各步骤依次为：S101.单帧实时采集，S102.图像预处理，S103.特征矢量提取，S104.图像信息存储，S105.定时判断，S106.角度识别及转速测量，S107.超速判断。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1，针对被测旋转体(104)(本实施例中是中低转速电动机)，实施例设计了基于USB协议的CMOS通用摄像头与PC计算机为转速测量硬件方案，并利用VC++6.0实现了视频采集、图像处理、转速测量模块，从而建立了基于视频处理技术的非接触式转速测量系统。其中，PC计算机(101)经由USB数据线(102)连接至CMOS通用摄像头(103)，该摄像头非接触式地安装于被测旋转体(104)横截面的平行面，以进行图像采集。

参见图2，所述实施例系统以转速测量模块(203)为核心，利用CMOS通用摄像头先对辅助标志图像进行采集，设置摄像头的图像捕捉速率为15帧/秒，此条件下的测速上限值为900r/min(若将图像捕捉速率设置为35帧/秒，则测速上限值为2100r/min)。图像采集模块(201)每次间隔66.7ms就会对于标有辅助标志图像的被测旋转体进行视频捕获；再采用VC++6.0编程实现图像处理模块(202)和转速测量模块(203)，图像处理模块(202)主要进行背景去除、灰度二值化、细化及Hough变换；然后，经过转速测量模块(203)中特征矢量提出模块(2031)进行矢量提取操作，并且由角度识别模块(2032)进行角度识别、定时累加；最终完成转速测定，送至转速显示模块(204)实时显示；若超速，将由超速报警模块(205)发出报警信号，并输出停转控制量。

参见图3，所述系统的核心测量原理是：左图为通用摄像头(302)对被测旋转体及辅助标志图像(301)进行采集，右图为采集的连续三帧图像经预处理后，由Hough算法检测出特征矢量(303)来计算角度。具体处理算法为：若前一帧求得直线线段的端点为P₁、P₂，后一帧的端点是P₃、P₄；特征矢量方向取同一帧内两端点中离预设轴心最近的端点作为向量起点(如P₂和P₃)，则另一端点则为矢量终点(如P₁和P₄)；可得到相邻两帧矢量分别为 $\stackrel{\→}{p_2{p}_1}=(a+\mathrm{bi})$ 和 $\stackrel{\→}{p_3{p}_4}=(c+\mathrm{di});$ a+bi逆时针旋转到c+di的角度θ，即为所求的两帧间转角。由上述处理可知，即使由于震动使得轴心发生偏离，如上所取的向量仍保持了正确方向。令e+fi＝(a+bi)/(c+di)，则有：

最后由夹角θ、角速度ω、转速n之间关系求得平均转速：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\τ}},n=\frac{\mathrm{\ω}\·60}{2\mathrm{\π}}=\frac{30\·\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π\τ}}$

参见图4，本实用新型所述系统的软件流程如下：利用VFW回调函数实时采集单帧图像(S101)，为节约容量每次均以ph0.bmp保存；对输入的单帧图像进行预处理(S102)；利用Hough算法检测直线，提取出特征矢量(S103)；扫描图像建立直角坐标系，设置计数器n，将图像信息及特征矢量两端点存入数组arr(S104)；进行定时判断n＜15(S105)；对数组arr进行分析和比较，识别出相邻两帧特征矢量之间角度，并累加求角度和，测得每秒平均转速(S106)；最后，完成速度显示和超速判断(S107)。

Claims (7)

1.一种非接触式转速测量系统，其特征在于，所述系统包括：横截面径向上设有辅助标志图像(301)的被测旋转体(104)；非接触地安装在与被测旋转体(104)横截面平行的平面上以便获取所述辅助标志图像(301)的摄像头(103)；以及通过USB数据线(102)连接在所述摄像头(103)上并包括图像处理模块(202)和转速测量模块(203)以便计算相邻两帧辅助标志图像(301)之间的夹角从而得到平均转速的PC计算机(101)。

2.根据权利要求1所述的非接触式转速测量系统，其特征在于，所述摄像头(103)为具备USB2.0接口、图像捕捉速率为15～35帧/秒、30万像素以上的CMOS通用摄像头。

3.根据权利要求2所述的非接触式转速测量系统，其特征在于，所述辅助标志图像(301)是区别于所述被测旋转体(104)的横截面底色的反色长矩形或直线段图像。

4.根据权利要求3所述的非接触式转速测量系统，其特征在于，所述转速测量模块(203)包括将辅助标志图像转化为特征矢量(303)的特征矢量提取模块(2031)和用于获取相邻两帧之间特征矢量(303)夹角的角度识别模块(2032)。

5.根据权利要求4所述的非接触式转速测量系统，其特征在于，所述系统还包括连接在所述转速测量模块(203)上的转速显示模块(204)和超速报警模块(205)。

6.根据权利要求5所述的非接触式转速测量系统，其特征在于，所述图像处理模块(202)采用Hough算法进行图像处理，所述转速测量模块(203)基于特征矢量运算进行转速测量。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的非接触式转速测量系统，其特征在于，所述被测旋转体(104)的转速范围为0～2100转/分钟。

Images