[发明专利]采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统及方法

说明书

本发明提出一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统及方法，采用人工复合位感条纹作为三维振动传感器和旋转角位移传感器，可以由普通打印机打印，粘贴在轴表面周围。采用高速相机作为检测器，获取复合位感条纹的图像序列，利用所提出的图像处理算法可以同时获得时域三维振动和旋转角位移信号。以实现三维位移和旋转角的同时测量，适用于阶次分析。与传统的基于三个涡流传感器和一个旋转角传感器的系统相比，该系统的效率和鲁棒性都得到了提高。因此，所提出的复合位感条纹和基于视觉的系统可用于实际工程应用中的旋转轴状态监测和故障检测。

技术领域

本发明属于机器视觉、振动测量技术领域，尤其涉及一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析进行旋转机械的状态监测和故障诊断的系统及方法。

背景技术

转轴的升降速导致其转速和振动信号有明显的非平稳性变化，给旋转机械的故障诊断带来了巨大的困难。轴振动信号包含旋转机械状态监测和故障诊断的重要信息。然而，旋转机械总是以变速运行，这给使用平稳信号分析方法的信号分析带来了巨大的困难。针对此问题，研究人员开发了阶次分析，成为轴承、齿轮箱、和轴故障诊断的有效方法之一。通过将常角递增的信号采样，可以转换为常序特征，从而根据故障特征阶次在序域内获得故障信息。阶次分析的关键是同时获取振动信号和旋转角信息，这需要额外的仪器，如振动传感器和转速计。

许多研究人员提出了不同类型的振动方法，包括机械方法、电磁方法和光学方法，也可以分为接触方法或非接触方法。涡流作为无接触式位移传感器在轴振动测量中得到广泛应用。无接触光学方法，如激光振动测量，也可用于轴振动测量。然而，涡流和激光振动测量都是一维的探测方法。一般需要三个探测传感器来测量三维位移，其中两个传感器用于根本振动，一个传感器用于轴向振动。在某些情况下，由于测量技术或环境中的限制，轴的三维振动信号无法直接获得或难以获得这些信号。因此，使用接触加速度计测量来自非旋转部件，例如轴承座或外壳的振动信号也是一种替代方法。轴旋转角或转速的测量也可分为两类：模拟和数字转速表。模拟转速表通常在一些其他介质中将角度信息转换为类似信号或比例信号。数字转速表是使用编码器测量旋转角度或速度的装置。许多研究人员已经研究了各种使用不同原理的传感器，如光学、磁性、静电等，来直接测量旋转角度或速度。

发明内容

鉴于旋转轴的升降速导致其转速和振动信号的变化，具有明显的非平稳性，给旋转机械的故障诊断带来了巨大的困难。本发明的目的在于提供一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统及方法，采用人工复合位感条纹作为三维振动传感器和旋转角位移传感器，可以由普通打印机打印，粘贴在轴表面周围。采用高速相机作为检测器，获取复合位感条纹的图像序列，利用所提出的图像处理算法可以同时获得时域三维振动和旋转角位移信号。以实现三维位移和旋转角的同时测量，适用于阶次分析。与传统的基于三个涡流传感器和一个旋转角传感器的系统相比，该系统的效率和鲁棒性都得到了提高。因此，所提出的复合位感条纹和基于视觉的系统可用于实际工程应用中的旋转轴状态监测和故障检测。

本发明具体采用以下技术方案：

一种采用视觉复合位感条纹实现旋转轴阶次分析的系统，其特征在于，包括：

复合位感条纹，用于设置在旋转轴的表面上，以感知三维振动和旋转角度位移；

高速相机，作为检测器，用于获取复合位感条纹的图像序列信号并传输至上位机；其一般采用相机控制线，用以线阵相机与上位机之间的通讯、控制与数据传输；

上位机，用于对所述高速相机进行控制，并通过图像处理同时获得旋转轴的时域三维振动和旋转角位移信息。上位机一般可以采用计算机。

进一步地，所述复合位感条纹由三组正弦条纹图案组成，其左右正弦条纹组中心平行，中间正弦条纹的中心位置呈正弦变化。

复合位感条纹一般可以制作成轻质贴片，正面为正弦条纹图像组，背面为粘性层；可直接粘贴于结构表面，用以结构三维振动位移信息的感知。