基于单摄像头的动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及动力装置中轴物理参数的测量方法，进一步涉及动力装置轴扭矩、转 速、功率参数测量方法。
【背景技术】：
[0002] 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宄的难点。 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、功率参数测量方法。
【发明内容】
：
[0003] 本发明的目的在于提供一种动力装置的轴扭矩、转速、功率瞬时测量方法，该方法 是非接触式的，对环境要求低，方便安装。为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0004] 基于单摄像头的动力装置轴扭矩、转速、功率测量方法，动力装置4、传动轴6、负 载5依次相连；
[0005] 在传动轴外周面，布置一圈随机标识图案；在随机标识图案处布置对应的摄像头 2 ;摄像头与上位机1相连，上位机内分布图像存储单元，存储摄像头图像数据，且包含拍摄 时间信息；工作过程如下：
[0006] ( 一）转速测量：
[0007] 0值是灰度值稳定的转角，该值确定，以及每转动0所对应的轴表面图像位移m 像素点确定；
[0008] 在无负载的前提下，开启摄像头采集传动轴在0-2 31转角范围的一组图像序列， 存储为参考图集，记为
[0009] 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Ai，;At为相邻两 帧图像采样时间间隔，取其中t时刻图像八1，与参考图像序列SfS nffl关运算，得到相关度 最高的参考图像，记为Si，相应中心点的像素位移记为ui;取t i+1时刻的图像A i+1，与参考图 像序列Si?Sn进行相关运算，得到相关度最高的参考图像相应中心点的像素位移记为 uj;因此在t1+1-&内传动轴转过像素位移Au为：
[0010] Au= (j_i) ?m+(Uj-uJ
[0011] 相应转速r为：
【主权项】
1. 基于单摄像头的动力装置轴扭矩测量方法，动力装置（4)、传动轴（6)、负载（5)依次 相连；其特征在于： 在传动轴外周面，布置一圈随机标识图案；在随机标识图案处布置对应的摄像头（2); 摄像头与上位机（1)相连，上位机内分布图像存储单元，存储摄像头图像数据，且包含拍摄 时间信息；工作过程如下： 在无负载的前提下，开启摄像头，采集传动轴在0-2 π转角范围的图像序列，作为参考 图集，记为=S1-Sn; 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-Am; 取A1-Aj任何一帧图像Ai与参考图集S1-S1^关运算，得到相关性最高的参考 图像，记为Si; 在图像SdP 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Si同一纵坐标y ^处选择距离较远两点P ^ (? y(l)、(^ (Xl，y(l)处的两个子 区，通过相关计算，分别计算两点在Ai中对应的位置P ^ (X' & y' J、Q' ^ (X' i，y' J，得到Ai 两端在应变前后的整像素位移 (u，V) = (X' 0-x0-x' ！+X1, y'「y' 0) 进一步计算得到亚像素级别位移（Δu，Λ v)，然后得到像素位移（u+Au, v+Λ v)对应 的实际位移扭转角ΔΦ，根据静力学原理，对于两测量点相距为I = X1-Xo, 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。
2. 根据权利要求1所述基于单摄像头的动力装置轴扭矩测量方法，其特征在于： 在摄像头附近安置一对环形LED光源（3)，为摄像头提供光照。
3. 根据权利要求1所述基于单摄像头的动力装置轴扭矩测量方法，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，即形成人工数字散斑场。
4. 基于单摄像头的动力装置轴转速测量方法，动力装置（4)、传动轴（6)、负载（5)依次 相连；其特征在于： 在传动轴外周面，布置一圈随机标识图案；在随机标识图案处布置对应的摄像头（2); 摄像头与上位机（1)相连，上位机内分布图像存储单元，存储摄像头图像数据，且包含拍摄 时间信息；工作过程如下： 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0-2 π转角范围的一组图像序列，存储 为参考图集，记为=S1-Sn; 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-Af At为相邻两帧图 像采样时间间隔，取其中h时刻图像八1，与参考图像序列SfSnffi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ui;取t i+1时刻的图像A i+1，与参考图像序 列31?Sn进行相关运算，得到相关度最高的参考图像相应中心点的像素位移记为uj;因 此在&+1_&内传动轴转过像素位移Au为： Au = (j-i) · m+(Uj-Ui) 相应转速r为：
5. 根据权利要求4所述基于单摄像头的动力装置轴转速测量方法，其特征在于： 在摄像头附近安置一对环形LED光源（3)，为摄像头提供光照。
6. 根据权利要求4所述基于单摄像头的动力装置轴转速测量方法，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，即形成人工数字散斑场。
7. 基于单摄像头的动力装置轴功率测量方法，动力装置（4)、传动轴（6)、负载（5)依次 相连；其特征在于： 在传动轴外周面，布置一圈随机标识图案；在随机标识图案处布置对应的摄像头（2); 摄像头与上位机（1)相连，上位机内分布图像存储单元，存储摄像头图像数据，且包含拍摄 时间信息；工作过程如下： (一） 转速测量： Θ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0-2 π转角范围的一组图像序列，存储 为参考图集，记为=S1-Sn; 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-Af At为相邻两帧图 像采样时间间隔，取其中h时刻图像八1，与参考图像序列SfSnffi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ui;取t i+1时刻的图像A i+1，与参考图像序 列31?Sn进行相关运算，得到相关度最高的参考图像相应中心点的像素位移记为u j;因 此在&+1_&内传动轴转过像素位移Au为： Au = (j-i) · m+(Uj-Ui) 相应转速r为
(二） 扭矩测量： 在无负载的前提下，开启摄像头，采集传动轴在0-2 π转角范围的图像序列，作为参考 图集，记为=S1-Sn; 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-Am; 取A1-Aj任何一帧图像Ai与参考图集S1-S1^关运算，得到相关性最高的参考 图像，记为Si; 在图像SdP 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Si同一纵坐标y ^处选择距离较远两点P ^ (? y(l)、(^ (Xl，y(l)处的两个子 区，通过相关计算，分别计算两点在Ai中对应的位置P ^ (X' & y' J、Q' ^ (X' i，y' J，得到Ai 两端在应变前后的整像素位移 (u，V) = (X' 0-x0-x' ！+X1, y'「y' 0) 进一步计算得到亚像素级别位移（Δu，Λ v)，然后得到像素位移（u+Au, v+Λ v)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I = X1-Xtl, 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) * ( π r*n/30) = (Μ* π *n)/30 功率单位为瓦，η为传动轴的转速。
8. 根据权利要求7所述基于单摄像头的动力装置轴功率测量方法，其特征在于： 在摄像头附近安置一对环形LED光源（3)，为摄像头提供光照。
9. 根据权利要求7所述基于单摄像头的动力装置轴功率测量方法，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，即形成人工数字散斑场。
【专利摘要】本发明涉及动力装置轴扭矩、转速、功率参数测量方法。在无负载的前提下，同步采集一组图像序列S1-Sn；加载负载后，同步采集一组图像序列A1-Am；取A1-Am中任何一帧图像Ai，对Ai与参考图集S1-Sn相关运算，得到相关性最高的参考图像，记为Si；在Si同一纵坐标处选择距离较远两点P0、Q0处的两个子区，通过相关计算，分别计算两点在Ai中对应的位置P0’(x’0,y’0)、Q’0(x’1,y’1)，得到Ai两端在应变前后的整像素位移扭转角扭矩通过获得。本发明具有较高精度，结构简单。
【IPC分类】G01P3-38, G01L3-24, G01L3-00
【公开号】CN104535787
【申请号】CN201510025767
【发明人】资新运, 耿帅, 赵姝帆, 陈子建, 王迎, 张卫锋, 刘洋
【申请人】中国人民解放军军事交通学院
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月19日