CN204388903U - 动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及动力装置中轴物理参数的测量装置，进一步涉及动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置。动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，包括：动力装置(4)，负载(5)，传动轴(6)，还包括：第一随机标识图案、第二随机标识图案；第一摄像头(2-1)、第二摄像头(2-2)，同步控制器，上位机(1)，本实用新型公开的一种非接触式动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，测量系统有较高精度，结构简单，安装方便，无需拆开被测轴的安装结构，能够完成对动力机械轴功率的实时监测。

Description

动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置

技术领域：

本实用新型涉及动力装置中轴物理参数的测量装置，进一步涉及动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置。

背景技术：

在动力机械中，轴扭矩是反映机械设备动态性能最典型的机械量之一。然而，由于轴质地坚硬，扭矩作用下转轴的应变位移非常微小，对转轴扭矩的测量一直是研究的难点。目前扭矩测量主要分为两个方向，一个是测量轴两端的扭转角位移，这类方法同时可以测量转速信号，但由于这类方法需要轴两端有较大的扭转角，一般适用于长轴扭矩测量。对短轴的扭矩测量，现有方法主要是测量轴上应力应变，如将电阻应变片贴在轴表面，使用磁致伸缩材料，通过将这些应变敏感材料敷在轴表面，检测材料相应的物理量变化来反映扭矩，但该类方法同时需要额外的转速传感器。因此，需要一种非接触式的动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置。

发明内容：

本实用新型的目的在于提供一种动力装置的轴扭矩、转速、功率瞬时测量装置，该装置是非接触式的，对环境要求低，方便安装。为达到上述目的，本实用新型包括2个技术方案，分别如下：

技术方案一：基于双摄像头的动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置。

该装置包括：动力装置4，负载5，传动轴6，还包括：

位于传动轴外周面，且间隔平行分布的2圈随机标识图案，分别为第一随机标识图案、第二随机标识图案；

与第一随机标识图案相对应的第一摄像头2-1，与第二随机标识图案相对应的第二摄像头2-2；

同步控制器，实现第一摄像头和第二摄像头的同步拍摄；

上位机1，与第一摄像头、第二摄像头、同步控制器相连，上位机还包括：第一图像存储单元，存储第一摄像头图像数据，且包含拍摄时间信息；第二图像存储单元，存储第二摄像头图像数据，且包含拍摄时间信息。

作为优选方案之一，还包括：

位于第一摄像头附近的一对环形LED光源，定义为第一环形LED光源3-1；

位于第二摄像头附近的一对环形LED光源，定义为第二环形LED光源3-2。

作为优选方案之二，所述第一随机标识图案、第二随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆，形成随机分布的离散斑点，即人工数字散斑场。

工作过程如下：

(一)转速测量：

θ值是灰度值稳定的转角，该值确定，以及每转动θ所对应的轴表面图像位移m像素点确定；

在无负载的前提下，开启第一摄像头或者第二摄像头采集传动轴在0-2π转角范围的一组图像序列，存储为参考图集，记为：S₁-S_n；

加载负载后，开启第一摄像头或者第二摄像头连续采集应变后的轴表面图像，记为A₁-A_j；Δt为相邻两帧图像采样时间间隔，取其中t_i时刻图像A_i，与参考图像序列S₁-S_n相关运算，得到相关度最高的参考图像，记为S_i，相应中心点的像素位移记为u_i；取t_i+1时刻的图像A_i+1，与参考图像序列S₁～S_n进行相关运算，得到相关度最高的参考图像S_j，相应中心点的像素位移记为u_j；因此在t_i+1-t_i内转轴转过像素位移Δu为：

Δu＝(j-i)·m+(u_j-u_i)

相应转速r为： $r=\frac{30\·\mathrm{\Δu}\·\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}\·m\·(t_{i+1}-t_i)};$

(二)扭矩测量：

在无负载的前提下，开启第一摄像头、第二摄像头、同步控制器，同步采集传动轴在0-2π转角范围的两组图像序列，第一图像存储单元存储的图像为第一参考图集，记为：S₁₁-S_1n；第二图像存储单元存储的图像为第二参考图集，记为：S₂₁-S_2n；第一参考图集中的每一帧图像，必同步一一对应第二参考图集中的某一帧图像；

加载负载后，开启第一摄像头、第二摄像头、同步控制器，同步采集传动轴的两组图像序列，第一图像存储单元存储的图像为第一采集图集，记为：A₁₁-A_1m；第二图像存储单元存储的图像为第二采集图集，记为：A₂₁-A_2m；第一采集图集中的每一帧图像，必同步一一对应第二采集图集中的某一帧图像；

取A₁₁-A_1m和A₂₁-A_2m中任何一对存在同步对应关系的图像A_1i、A_2i；

对A_1i与第一参考图集S₁₁-S_1n相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_1i；对A_2i与第二参考图集S₂₁-S_2n相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_2j；在第二参考图集S₂₁-S_2n中找到与S_1i时间同步对应的参考图像S_2t；S_2t、S_2j之间的距离为轴两端的扭转位移Δs；

根据静力学原理，对于两测量点相距为l、直径为d的传动轴，其扭矩与扭转位移关系为：

$M=\frac{\mathrm{G\π}{d}^3\mathrm{\Δs}}{16l}$

式中G为传动轴材料的剪切弹性模量，计算出扭矩；

(三)功率测量：

有了扭矩和转速值后就可以计算轴功率的大小：

P＝(M/r)*(πr*n/30)＝(M*π*n)/30

功率单位为瓦，n为转轴的转速。

技术方案二：基于单摄像头的动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置。

该装置包括：动力装置4，负载5，传动轴6，还包括：

位于传动轴外周面，一圈随机标识图案；

与随机标识图案相对应的摄像头2；

上位机1，与摄像头相连，上位机还包括图像存储单元，存储摄像头图像数据，且包含拍摄时间信息。

作为优选方案之一，还包括：位于摄像头附近的一对环形LED光源3。

作为优选方案之二，所述随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆，形成随机分布的离散斑点，即人工数字散斑场。

(一)转速测量：

θ值是灰度值稳定的转角，该值确定，以及每转动θ所对应的轴表面图像位移m像素点确定；

在无负载的前提下，开启摄像头采集传动轴在0-2π转角范围的一组图像序列，存储为参考图集，记为：S₁-S_n；

加载负载后，开启摄像头连续采集应变后的轴表面图像，记为A₁-A_j；Δt为相邻两帧图像采样时间间隔，取其中t_i时刻图像A_i，与参考图像序列S₁-S_n相关运算，得到相关度最高的参考图像，记为S_i，相应中心点的像素位移记为u_i；取t_i+1时刻的图像A_i+1，与参考图像序列S₁～S_n进行相关运算，得到相关度最高的参考图像S_j，相应中心点的像素位移记为u_j；因此在t_i+1-t_i内传动轴转过像素位移Δu为：

Δu＝(j-i)·m+(u_j-u_i)

相应转速r为： $r=\frac{30\·\mathrm{\Δu}\·\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}\·m\·(t_{i+1}-t_i)};$

(二)扭矩测量：

在无负载的前提下，开启摄像头，采集传动轴在0-2π转角范围的图像序列，作为参考图集，记为：S₁-S_n；

加载负载后，开启摄像头，采集传动轴的一组图像序列，作为采集图集，记为：A₁-A_m；

取A₁-A_m中任何一帧图像A_i，对A_i与参考图集S₁-S_n相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_i；

在图像S_i和A_i内建立直角坐标系，以传动轴轴线的平行线方向为横坐标，以传动轴转动方向为纵坐标；在S_i同一纵坐标y₀处选择距离较远两点P₀(x₀,y₀)、Q₀(x₁,y₀)处的两个子区，通过相关计算，分别计算两点在A_i中对应的位置P₀’(x’₀,y’₀)、Q’₀(x’₁,y’₁)，得到A_i两端在应变前后的整像素位移

(u,v)＝(x’₀-x₀-x’₁+x₁,y’₁-y’₀)

进一步计算得到亚像素级别位移(Δu,Δv)，然后得到像素位移(u+Δu,v+Δv)对应的实际位移扭转角根据静力学原理，对于两测量点相距为l＝x₁-x₀，d为传动轴的直径，其扭矩为：

式中G为传动轴材料的剪切弹性模量；

(三)功率测量：

有了扭矩和转速值后就可以计算轴功率的大小：

P＝(M/r)*(πr*n/30)＝(M*π*n)/30

功率单位为瓦，n为传动轴的转速。

本实用新型相对于现有技术，具有如下优点：

本实用新型公开的一种非接触式动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，测量系统有较高精度，结构简单，安装方便，无需拆开被测轴的安装结构，能够完成对动力机械轴功率的实时监测。

附图说明：

图1是本实用新型测量装置第一技术方案的结构示意图。图中，1代表上位机，2-1代表第一摄像头，2-2代表第二摄像头，3-1代表第一环形LED光源，3-2代表第二环形LED光源，4代表动力装置，5代表负载，6代表传动轴。

图2是本实用新型测量装置第二技术方案的结构示意图。图中，1代表上位机，2代表摄像头，3代表环形LED光源，4代表动力装置，5代表负载，6代表传动轴。

具体实施方式：

实施例1：

结合图1，说明本实用新型的实施过程：

动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，包括：动力装置4，负载5，传动轴6，还包括：

位于传动轴外周面，且间隔平行分布的2圈随机标识图案，分别为第一随机标识图案、第二随机标识图案；

与第一随机标识图案相对应的第一摄像头2-1，与第二随机标识图案相对应的第二摄像头2-2；

同步控制器，实现第一摄像头和第二摄像头的同步拍摄；

上位机1，与第一摄像头、第二摄像头、同步控制器相连，上位机还包括：第一图像存储单元，存储第一摄像头图像数据，且包含拍摄时间信息；第二图像存储单元，存储第二摄像头图像数据，且包含拍摄时间信息。上位机采用工业计算机，第一摄像头、第二摄像头采用高速的CCD摄像机。

位于第一摄像头附近的一对环形LED光源，定义为第一环形LED光源3-1；位于第二摄像头附近的一对环形LED光源，定义为第二环形LED光源3-2。

上述第一随机标识图案、第二随机标识图案是通过对传动轴外周面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆，形成随机分布的离散斑点，即人工数字散斑场。

(一)转速测量：

θ值是灰度值稳定的转角，该值确定，以及每转动θ所对应的轴表面图像位移m像素点确定；

在无负载的前提下，开启第一摄像头或者第二摄像头采集传动轴在0-2π转角范围的一组图像序列，存储为参考图集，记为：S₁-S_n；

加载负载后，开启第一摄像头或者第二摄像头连续采集应变后的轴表面图像，记为A₁-A_j；Δt为相邻两帧图像采样时间间隔，取其中t_i时刻图像A_i，与参考图像序列S₁-S_n相关运算，得到相关度最高的参考图像，记为S_i，相应中心点的像素位移记为u_i；取t_i+1时刻的图像A_i+1，与参考图像序列S₁～S_n进行相关运算，得到相关度最高的参考图像S_j，相应中心点的像素位移记为u_j；因此在t_i+1-t_i内转轴转过像素位移Δu为：

Δu＝(j-i)·m+(u_j-u_i)

相应转速r为： $r=\frac{30\·\mathrm{\Δu}\·\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}\·m\·(t_{i+1}-t_i)};$

(二)扭矩测量：

在无负载的前提下，开启第一摄像头、第二摄像头、同步控制器，同步采集传动轴在0-2π转角范围的两组图像序列，第一图像存储单元存储的图像为第一参考图集，记为：S₁₁-S_1n；第二图像存储单元存储的图像为第二参考图集，记为：S₂₁-S_2n；第一参考图集中的每一帧图像，必同步一一对应第二参考图集中的某一帧图像；

加载负载后，开启第一摄像头、第二摄像头、同步控制器，同步采集传动轴的两组图像序列，第一图像存储单元存储的图像为第一采集图集，记为：A₁₁-A_1m；第二图像存储单元存储的图像为第二采集图集，记为：A₂₁-A_2m；第一采集图集中的每一帧图像，必同步一一对应第二采集图集中的某一帧图像；

取A₁₁-A_1m和A₂₁-A_2m中任何一对存在同步对应关系的图像A_1i、A_2i；

对A_1i与第一参考图集S₁₁-S_1n相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_1i；对A_2i与第二参考图集S₂₁-S_2n相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_2j；在第二参考图集S₂₁-S_2n中找到与S_1i时间同步对应的参考图像S_2t；S_2t、S_2j之间的距离为轴两端的扭转位移Δs；

根据静力学原理，对于两测量点相距为l、直径为d的传动轴，其扭矩与扭转位移关系为：

$M=\frac{\mathrm{G\π}{d}^3\mathrm{\Δs}}{16l}$

式中G为传动轴材料的剪切弹性模量，计算出扭矩；

(三)功率测量：

有了扭矩和转速值后就可以计算轴功率的大小：

P＝(M/r)*(πr*n/30)＝(M*π*n)/30

功率单位为瓦，n为转轴的转速。

实施例2：

结合图2，说明本实用新型的实施过程：

动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，包括：动力装置4，负载5，传动轴6，还包括：

位于传动轴外周面，一圈随机标识图案；上述随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆，形成随机分布的离散斑点，即人工数字散斑场；

与随机标识图案相对应的摄像头2；

上位机1，与摄像头相连，上位机还包括图像存储单元，存储摄像头图像数据，且包含拍摄时间信息；上位机采用工业计算机，第一摄像头、第二摄像头好采用高速的CCD摄像机；

位于摄像头附近的一对环形LED光源3。

在上述测量装置上实现的基于单摄像头的动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量方法，过程如下：

(一)转速测量：

θ值是灰度值稳定的转角，该值确定，以及每转动θ所对应的轴表面图像位移m像素点确定；

在无负载的前提下，开启摄像头采集传动轴在0-2π转角范围的一组图像序列，存储为参考图集，记为：S₁-S_n；

加载负载后，开启摄像头连续采集应变后的轴表面图像，记为A₁-A_j；Δt为相邻两帧图像采样时间间隔，取其中t_i时刻图像A_i，与参考图像序列S₁-S_n相关运算，得到相关度最高的参考图像，记为S_i，相应中心点的像素位移记为u_i；取t_i+1时刻的图像A_i+1，与参考图像序列S₁～S_n进行相关运算，得到相关度最高的参考图像S_j，相应中心点的像素位移记为u_j；因此在t_i+1-t_i内传动轴转过像素位移Δu为：

Δu＝(j-i)·m+(u_j-u_i)

相应转速r为： $r=\frac{30\·\mathrm{\Δu}\·\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}\·m\·(t_{i+1}-t_i)};$

(二)扭矩测量：

在无负载的前提下，开启摄像头，采集传动轴在0-2π转角范围的图像序列，作为参考图集，记为：S₁-S_n；

加载负载后，开启摄像头，采集传动轴的一组图像序列，作为采集图集，记为：A₁-A_m；

取A₁-A_m中任何一帧图像A_i，对A_i与参考图集S₁-S_n相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为S_i；

在图像S_i和A_i内建立直角坐标系，以传动轴轴线的平行线方向为横坐标，以传动轴转动方向为纵坐标；在S_i同一纵坐标y₀处选择距离较远两点P₀(x₀,y₀)、Q₀(x₁,y₀)处的两个子区，通过相关计算，分别计算两点在A_i中对应的位置P₀’(x’₀,y’₀)、Q’₀(x’₁,y’₁)，得到A_i两端在应变前后的整像素位移

(u,v)＝(x’₀-x₀-x’₁+x₁,y’₁-y’₀)

进一步计算得到亚像素级别位移(Δu,Δv)，然后得到像素位移(u+Δu,v+Δv)对应的实际位移扭转角根据静力学原理，对于两测量点相距为l＝x₁-x₀，d为传动轴的直径，其扭矩为：

式中G为传动轴材料的剪切弹性模量；

(三)功率测量：

有了扭矩和转速值后就可以计算轴功率的大小：

P＝(M/r)*(πr*n/30)＝(M*π*n)/30

Claims (6)

1.动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，包括：动力装置(4)，负载(5)，传动轴(6)，其特征在于，还包括：

位于传动轴外周面，且间隔平行分布的2圈随机标识图案，分别为第一随机标识图案、第二随机标识图案；

与第一随机标识图案相对应的第一摄像头(2-1)，与第二随机标识图案相对应的第二摄像头(2-2)；

同步控制器，实现第一摄像头和第二摄像头的同步拍摄；

上位机(1)，与第一摄像头、第二摄像头、同步控制器相连，上位机还包括：第一图像存储单元，存储第一摄像头图像数据，且包含拍摄时间信息；第二图像存储单元，存储第二摄像头图像数据，且包含拍摄时间信息。

2.根据权利要求1所述动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，其特征在于，还包括：

位于第一摄像头附近的一对环形LED光源，定义为第一环形LED光源(3-1)；位于第二摄像头附近的一对环形LED光源，定义为第二环形LED光源(3-2)。

3.根据权利要求1所述动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，其特征在于：所述第一随机标识图案、第二随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆，形成随机分布的离散斑点，即人工数字散斑场。

4.动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，包括：动力装置(4)，负载(5)，传动轴(6)，其特征在于，还包括：

位于传动轴外周面，一圈随机标识图案；

与随机标识图案相对应的摄像头(2)；

上位机(1)，与摄像头相连，上位机还包括图像存储单元，存储摄像头图像数据，且包含拍摄时间信息。

5.根据权利要求4所述动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，其特征在于，还包括：

位于摄像头附近的一对环形LED光源(3)。

6.根据权利要求4所述动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量装置，其特征在于：所述随机标识图案是通过对轴面进行打磨、反复喷涂黑色和白色的玻璃微珠漆，形成随机分布的离散斑点，即人工数字散斑场。