[發明專利]一種基于面陣相機的轉軸三維振動位移測量裝置和方法

有效

• 申請號: 202210178716.5
• 申請日: 2022-02-25
• 公開（公告）號: CN114543972B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 鐘劍鋒;鄭育江;鐘舜聰;劉東明
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G01B11/02
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 張燈燦;蔡學俊

1.一種基于面陣相機的轉軸三維振動位移測量裝置，其特征在于，包括：

轉軸系統，用于安裝轉軸并驅動轉軸旋轉；

面陣相機，用于對轉軸端面的輪廓特征進行連續的圖像采集，并將采集的轉軸端面輪廓特征圖像序列傳輸至計算機；以及

計算機，通過數據線與面陣相機連接，用于對面陣相機進行控制，包括采樣的幀率、數量，以及對傳輸至計算機的轉軸端面輪廓特征圖像序列進行處理；所述計算機中設有數據處理模塊，用于處理轉軸端面輪廓特征圖像序列，得到轉軸的三維振動信息；

所述計算機中的數據處理模塊獲取轉軸邊緣的輪廓信號，并對獲得的轉軸邊緣輪廓信號進行圓擬合，得到轉軸端面的輪廓圓信息，包括轉軸端面的輪廓圓半徑和圓心坐標信息；識別出的輪廓圓圓心坐標用于定位圖像的水平和豎直方向上的位移信息，即通過定位每幀圖像中對應的輪廓圓的圓心橫、縱坐標值的變化，進而獲得轉軸水平和豎直方向的振動位移信息；每幀圖像中輪廓圓半徑值大小隨著轉軸沿成像光軸方向的振動而改變，通過計算半徑值的變化，獲得轉軸沿成像光軸方向的振動位移信息；

基于所述轉軸三維振動位移測量裝置的轉軸三維振動位移測量方法，包括以下步驟：

步驟S1：調整面陣相機的位姿，使相機鏡頭與轉軸端面所在平面平行，讓轉軸端面清晰完整地處于面陣相機的成像傳感器中；

步驟S2：通過面陣相機對轉軸端面進行連續成像，隨著轉軸的振動，在成像傳感器上獲取的轉軸端面圖案也隨之振動，輪廓圓表征的振動信號也隨之變化；

步驟S3：將面陣相機連續拍攝得到的一系列轉軸端面輪廓特征圖像傳輸至計算機；

步驟S4：計算機中的數據處理模塊對轉軸端面輪廓特征圖像序列進行處理，獲取轉軸水平方向、豎直方向及沿成像光軸方向，即X、Y、Z三個方向的三維振動位移信息；

轉軸沿水平方向和豎直方向，即X、Y方向的振動信息的獲取方法為：

步驟A1：選取第一幀拍攝得到的轉軸端面圖像作為參考幀，擬合出轉軸端面的輪廓圓，從而得到轉軸端面輪廓圓對應的圓心坐標和半徑信息；

步驟A2：重復步驟A1，計算出每幀轉軸端面圖像中輪廓圓的圓心坐標和半徑的精確值；

步驟A3：計算每幀轉軸端面輪廓圓的圓心橫坐標相對于參考幀轉軸端面輪廓圓的圓心橫坐標的變化值，再根據系統的成像比例關系，獲得轉軸水平方向的振動位移信息；

步驟A4：計算每幀轉軸端面輪廓圓的圓心縱坐標相對于參考幀轉軸端面輪廓圓的圓心縱坐標的變化值，再根據系統的成像比例關系，獲得轉軸豎直方向的振動位移信息；

轉軸沿水平方向的位移計算公式為：

其中，Δx(t)為轉軸第t幀沿水平方向的位移，a_x為t時刻轉軸端面輪廓圓的圓心橫坐標相對于參考幀輪廓圓的圓心橫坐標的變化值，D為初始物距，F為相機的焦距；R(t)和R(0)分別為第t幀和參考幀的輪廓圓的半徑值；

轉軸沿豎直方向的位移計算公式為：

其中，Δy(t)為轉軸第t幀沿豎直方向的位移，a_y為t時刻轉軸端面輪廓圓的圓心縱坐標相對于參考幀輪廓圓的圓心縱坐標的變化值；

轉軸沿成像光軸方向，即Z方向的振動信息的獲取方法為：

步驟B1：根據步驟A1獲得的轉軸端面圖像中輪廓圓的半徑值，將第一幀圖像求得半徑值作為參考半徑；

步驟B2：重復步驟B1，計算出每幀轉軸端面圖像中輪廓圓的圓心坐標和半徑的精確值；

步驟B3：隨著轉軸沿光軸方向的位移，獲得的轉軸端面的輪廓圓半徑值的大小發生變化，計算各幀圖像中輪廓圓的半徑值變化信息，獲得轉軸沿成像光軸方向的振動位移信息；

轉軸沿成像光軸方向的位移計算公式為：

其中，Δz(t)為轉軸第t幀沿成像光軸方向的位移，R(t)和R(0)分別為第t幀和參考幀的輪廓圓的半徑值，D為初始物距。