专利名称：高速面阵ccd轴系扭振解耦测量方法
技术领域：
本发明涉及的是一种扭振测量方法，具体地说是一种基于高速面阵CCD摄像 技术的机械轴系、可去除轴系横振干扰的扭转振动解耦测量方法。(二) 背景技术各种机械轴系，在传递扭矩的同时，还会在干扰力作用下产生扭振，扭振的 附加交变应力有时会在很短时间内造成轴系疲劳断裂，与此同时还会由于轴系存 在不可避免的不平衡质量及水平轴系必然承受重力作用等原因而产生横振，并对 扭振的测量造成一定影响。为了提高轴系运转的安全性，准确测量轴系的扭振非常重要。测量扭振的方法很多，有德国早期盖格尔机械扭振仪和目前基于脉冲周期原 理的扭振仪(利用轴端齿轮及磁电传感器感应脉冲或光电码盘产生脉冲)，此外 还有利用激光多普勒效应的扭振仪和利用应变片进行扭振扭矩测量的仪器仪表， 但这些方法各有利弊，如需要安装齿轮和编码器的轴端或无法消除横振对扭振的 耦合有的甚至价格比较昂贵等。(三) 发明内容本发明的目的在于提供一种对光强或灰度不敏感，对光源要求不高，同时还可估算扭转力矩的，去除了横振干扰的，高速面阵CCD轴系扭振解耦测量方法。 本发明的目的是这样实现的-以被测轴上的一条螺旋标记线及被测轴上、下边缘线为高速面阵CCD摄像机 的被摄物，面阵CCD摄像机的水平扫描线与被测轴平行；当轴转动时，摄取螺旋 标记线的成像与面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵的像斑在该水平线阵 上的移动，像斑速度的变化携带了轴的扭振和横振分量信息，同时观察面阵CCD 摄像机摄取到的上下交错平移的两条边缘线图像，图像上这两条边缘线的中心线 运动轨迹即为该被测轴段在与高速CCD摄像机主光轴正交面上的横振分量；通过 信息提取和分离方法，解耦上述像斑运动中的横振分量和扭振，实现对轴系的扭 振测量。本发明的方法还包括1、 在实现对轴系的扭振测量后获得轴上各处的扭转力矩。2、 所述的面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵是指能对被测轴前凸沿 成像的CCD任一水平成像单元线阵。3、 所述的信息提取和分离方法是指通过被测轴边缘处的物像比例关系和面 阵CCD摄像机上用于跟踪像斑运动的水平线阵的物像比例关系确定横振分量所 造成的轴线上各点位移，并将这些位移从轴上螺旋线的像的各点位移中去除所得 到的新的螺旋线的像，该像在水平线阵的像斑即为扭振位移产生的像斑，对该像 斑与时间的关系曲线作离散傅立叶变换得轴系的扭振。本发明的方法还可以通过高速面阵CMOS摄像机实现。本发明将被测轴上的一条螺旋标记线及被测轴上、下边缘线作为高速面阵 CCD摄像机的被摄物，面阵CCD摄像机的水平扫描线与被测轴平行；当轴转动时， 螺旋标记线的成像与面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵有一个(或多个) 像斑，且像斑会在该水平线阵上移动，如果此时轴上没有扭振，则像斑的运动是 匀速的，如果此时轴上有扭振，则像斑的运动是非匀速的，像斑速度的变化携带 了轴的扭振和横振分量信息，同时观察面阵CCD摄像机摄取到的上下交错平移的 两条边缘线图像，图像上这两条边缘线的中心线运动轨迹即为该被测轴段在与高 速CCD摄像机主光轴正交面上的横振分量；通过适当的信息提取和分离方法，就 能够解耦上述像斑运动中的横振分量和扭振，进而实现对轴系的扭振测量，同时还能获得轴上各处的扭转力矩。其有益效果在于只需在被测轴上标出一条螺旋线，而螺旋标记线的平面展开为直线，非接触方式测量，所以便于实施；图像信 号相对简单，是一个开关量，即只需判定像斑及被测轴上下边缘线的中间线的位 置即可，对光强或灰度不敏感，因而对光源要求不高，保证了测量精度；同时通 过像斑及边缘中心线运动状态还可估算扭转力矩。
图l是本发明的原理示意图；图2高速面阵CCD摄像机扭振测量成像示意图；图3仅有横振时高速面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵上移动像斑 与时间关系示意图；图4扭振与横振同时存在时高速面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵 上移动像斑与时间关系示意图，该图应该是图3与图4的叠加仅有扭振时高速面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵上移动像斑与时间关系示意图；图5去除横振造成的像斑位移效应后高速面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵上移动像斑与时间关系示意图。 具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述在被测轴上标记出螺旋标记线，螺角取30度至60度，将高速面阵CCD摄像 机对准该螺旋线，同时在摄像机视场中应该也对被测轴的上、下边缘成像并使轴 线基本处于视场水平中线处，调整面阵CCD的任一列像素与被测轴的相应截面平 行；实测被测轴的上下边缘处的物像比例关系，实测面阵CCD对应与被测轴轴线 附近的某一水平成像单元线阵的物像比例关系；当轴转动时，用高速面阵CCD摄 像机拍摄被摄物，在高速面阵CCD摄像机上选定的水平成像单元线阵上形成一个 或多个斑点移动(改线阵上的物像比例关系已经实测)，高速面阵CCD摄像机还 拍摄到了一段上下交错平移的上、下边缘线图像，图像上这两条边缘线的中心线 运动轨迹即为该轴段在与高速CCD摄像机主光轴正交面上的横振分量；通过适当 的信息提取和分离方法，就能够解耦上述像斑运动中的横振分量和扭振，进而实 现对轴系的扭振测量，同时还能获得轴上各处的扭转力矩。结合图1及图2，高速面阵CCD扭振测量方法的实现可以借助于一个测量仪， 测量仪的组成包括LED面阵光源4、减震台架5、高速面阵CCD摄像机及对准机 构6、数据处理及控制单元7和人机交互界面8; 2与3分别是高速摄像机可测 得的被测轴上、下边缘线，1是标记在被测轴上德螺旋标记线，12与13分别是 高速摄像机的被测轴上、下边缘线的像，14为被测轴轴线，9为轴上螺旋线的像， 10为设定的测量像斑的水平成像单元线阵，11为螺旋线在设定的水平成像单元 线阵上的像斑；轴上螺旋标记线的螺角可因轴的粗细不同而不同。当被测轴同时存在扭振何横振时，就能得到图4所示的像斑与时间的关系曲线，结合本发明内容的信息提取和分离方法可得轴系的扭振。
权利要求
1. 一种高速面阵CCD轴系扭振解耦测量方法，其特征是以被测轴上的一条螺旋标记线及被测轴上、下边缘线为高速面阵CCD摄像机的被摄物，面阵CCD摄像机的水平扫描线与被测轴平行；当轴转动时，摄取螺旋标记线的成像与面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵的像斑在该水平线阵上的移动，像斑速度的变化携带了轴的扭振和横振分量信息，同时观察面阵CCD摄像机摄取到的上下交错平移的两条边缘线图像，图像上这两条边缘线的中心线运动轨迹即为该被测轴段在与高速CCD摄像机主光轴正交面上的横振分量；通过信息提取和分离方法，解耦上述像斑运动中的横振分量和扭振，实现对轴系的扭振测量。
2、 根据权利要求1所述的高速面阵CCD轴系扭振解耦测量方法，其特征是 在实现对轴系的扭振测量后获得轴上各处的扭转力矩。
3、 根据权利要求1或2所述的高速面阵CCD轴系扭振解耦测量方法，其特 征是所述的面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵是指能对被测轴前凸沿 成像的CCD任一水平成像单元线阵。
4、 根据权利要求1或2所述的高速面阵CCD轴系扭振解耦测量方法，其特 征是所述的信息提取和分离方法是指通过被测轴边缘处的物像比例关系和面 阵CCD摄像机上用于跟踪像斑运动的水平线阵的物像比例关系确定横振分量所 造成的轴线上各点位移，并将这些位移从轴上螺旋线的像的各点位移中去除所 得到的新的螺旋线的像，该像在水平线阵的像斑即为扭振位移产生的像斑，对 该像斑与时间的关系曲线作离散傅立叶变换得轴系的扭振。
5、 根据权利要求3所述的高速面阵CCD轴系扭振解耦测量方法，其特征是 所述的信息提取和分离方法是指通过被测轴边缘处的物像比例关系和面阵CCD 摄像机上用于跟踪像斑运动的水平线阵的物像比例关系确定横振分量所造成的 轴线上各点位移，并将这些位移从轴上螺旋线的像的各点位移中去除所得到的 新的螺旋线的像，该像在水平线阵的像斑即为扭振位移产生的像斑，对该像斑 与时间的关系曲线作离散傅立叶变换得轴系的扭振。
全文摘要
本发明提供的是一种高速面阵CCD轴系扭振解耦测量方法。以被测轴上的一条螺旋标记线及被测轴上、下边缘线为被摄物，面阵CCD摄像机的水平扫描线与被测轴平行；摄取螺旋标记线的成像与面阵CCD摄像机的某一水平成像单元线阵的像斑在该水平线阵上的移动，像斑速度的变化携带了轴的扭振和横振分量信息，同时观察面阵CCD摄像机摄取到的上下交错平移的两条边缘线图像，图像上这两条边缘线的中心线运动轨迹即为该被测轴段在与高速CCD摄像机主光轴正交面上的横振分量；通过信息提取和分离方法，解耦上述像斑运动中的横振分量和扭振，实现对轴系的扭振测量。本发明的方法对光强或灰度不敏感，对光源要求不高，同时还可估算扭转力矩的，去除了横振干扰。
文档编号G01H1/00GK101281056SQ200810064560
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者刘学广, 孙秋华, 张天元, 李玩幽, 楠 桑, 强 温, 锋 王, 王桂强, 赵言诚, 玉 黄 申请人:哈尔滨工程大学