[发明专利]一种基于机器视觉的非接触式扭振测量方法

说明书

本发明提出一种基于机器视觉的非接触式扭振测量方法，利用计算机视觉技术对扭振物体进行高速视频采集，利用“微小运动放大”原理实现扭振信号的分离、提取和放大，利用傅里叶变换和小波变换等技术计算扭振信号的瞬时频率。本发明提出的方法可准确提取扭振时域信号，并得到扭振的频率和周期。对微小的扭振系统依然有效。本方明的特点是非接触、测试效率高，仅仅需要较短的视频采集时间。仅需要相机和照明设备，无需传感器和数据采集系统，无需对扭振物体的表面粘贴标志点，准确性和可靠性好。按照本发明所述方法，可对旋转机械的轴系进行状态监测。对转盘系统或细长结构，可以推算系统的转动惯量和材料的剪切模量等。

技术领域

本发明属于非接触测量技术领域，特别是涉及一种基于机器视觉的非接触式扭振测量方法。

背景技术

扭振是轴系、圆盘等物体的基本振动形式之一，在轴系旋转中，时快时慢的轴系扭振无法避免，过大的扭振造成传动系统的过大振动和噪声，因此扭振的测量是机械系统检测的重要内容之一。目前，机械振动的传感器(加速度传感器，激光测振仪)等大多数是对直线振动形式适用，对扭振测量不适用。目前工程中常用的扭振测量分为两种：一是接触式测量，例如将电阻式应变片粘贴于轴系或转盘上，利用扭振产生的应变引起的电阻变化这一特性提取扭振信号。但是，接触式应变片由于安装较为费时费力，增加了测试难度和成本。二是非接触测量，例如利用激光测振仪、光电传感器、电涡流传感器对轴系进行监测。目前，工业界基于以上两种方法都开发出了扭振测量仪，如英国TV-1扭振仪等。但是，以上专用的非接触测量装置过于复杂和昂贵，使得应用成本较高。另外，以上两种方法的另一个弊端是测量点单一。虽然过去曾经发明了基于CCD照相机技术的扭振测量原理，如徐敏强等提出了利用CCD相机技术对汽轮机进行扭振测量，但是该发明方法依然需要在汽轮机轴系上粘贴具有图案的纸带。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于机器视觉的非接触式扭振测量方法。本发明利用计算机视觉方法可同时对转动物体上的多点同时进行扭振测量；所述方法具有可靠性高、精度高、非接触和易于实施等特点。本发明提出的方法无需粘贴标志点，并且利用微小运动放大算法对极其微小的扭振进行信号放大和提取，测试过程更加便捷，结果更加准确。另外，本发明包含但是不限于使用高速相机，可对高速旋转的轴系结构进行高分辨率的扭振测量。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于机器视觉的非接触式扭振测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1、对视频采集设备参数进行选择，所述视频采集设备的光源采用LED无频闪光源；

步骤2、利用所述视频采集设备对发生扭振现象的物体进行视频采集，并记录视频采集的帧率，对采集的视频采用微小运动放大技术进行物体运动放大处理；

步骤3、对放大后的视频进行光流计算，在视频中对转动物体的表面选择一个测量点并记录其坐标位置，根据光流场方程求解得到该测量点灰度值I，得到灰度值I以后，根据采样率和时间数值来确定放大后物体的扭转振动线位移；

步骤4、记录该测量点灰度值I的变化，形成灰度值的时间序列，根据帧率值利用傅里叶变换或小波变换得到灰度值的振动频率，所述灰度值的振动频率即为该物体的扭振频率f；同时将步骤3获得的线位移转化为角位移，所述将线位移转化为角位移的公式为：

α＝S/(D/2)

其中α为被测物体的角位移，D为被测物体的直径；S为选定的测量点的线位移。

进一步地，所述对视频采集设备参数进行选择，具体为：通过视频采集设备与发生扭振现象的物体之间的距离来选择视频采集设备的镜头焦距和分辨率；所述焦距根据公式来选取，其中u和v为所述测量点在视频图像中的物距和相距，d为测量点的测量位移，为测量点的实际线位移。

进一步地，所述微小运动放大技术包括基于位移放大技术、基于相位放大技术和基于像素放大技术，三种技术的选择取决于被测物体所处环境。