專利名稱：基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種扭矩測量裝置，具體是一種基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置。用于機械測試技術領域。
背景技術：
扭矩是旋轉動力機械的重要工作參數(shù)，在飛機的螺旋槳、坦克和升船機等設備中都有廣泛的應用，扭矩測量已成為機械量測量中一個重要組成部分。扭矩測量一般都是根據(jù)彈性軸在傳遞扭矩時所產(chǎn)生的物理參數(shù)(如變形、應力和應變)的變化來測量的。根據(jù)扭矩測量傳感器彈性元件的變形幾何參數(shù)，物理參數(shù)及靜力學關系，扭矩測量儀可分為應變型、應力型和變形型，應變型常用的是電阻應變片式，這是接觸測量，容易受環(huán)境溫度的影響。而變形型又可分為光學式、光電式和電磁式等方式。基于光學的扭矩測量儀，一般能夠達到較高的測量精度，受溫度等環(huán)境因素的干擾小。
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?9103344.2，專利名稱激光動態(tài)扭矩測量儀。該專利由激光發(fā)射接收器、光學反射器、信號檢測系統(tǒng)組成，是一種非接觸的測量，激光發(fā)射接收器發(fā)射兩束激光照射在反射鏡上，反射激光束被激光接收器接收，產(chǎn)生兩列光電信號，信號檢測系統(tǒng)測量這兩列信號的相位差及其周期，微機系統(tǒng)根據(jù)這些初始測量數(shù)據(jù)運算處理得出結果。其不足之處是其一，激光發(fā)射接收器必須安裝在旋轉抽附近，并且兩者之間不能有干擾，因此，可能導致機械設備機箱內部不緊湊，或者干擾其他軸；其二，在微機系統(tǒng)中使用的模擬器件復雜，很難保證穩(wěn)定，測量精度不夠高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的針對現(xiàn)有技術中存在的上述不足和缺陷，提供一種基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置。本發(fā)明直接用CCD(電子耦合器件)獲取彈性軸在扭矩作用下的微小變形，通過數(shù)字圖像的算法實現(xiàn)扭矩測量，提高了測量的精度。
本發(fā)明是通過以下的技術方案實現(xiàn)的。本發(fā)明包括檢測目標、同速跟蹤觀測系統(tǒng)、圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)。其連接關系為同速跟蹤觀測系統(tǒng)固定在檢測目標上，同速跟蹤觀測系統(tǒng)、圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)三者之間通過電纜相連接。同速跟蹤觀測系統(tǒng)同速跟蹤檢測目標，圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)通過同速跟蹤觀測系統(tǒng)采集目標圖像，用數(shù)字圖像處理算法提取扭矩剪應變角，輸入輸出系統(tǒng)能改變系統(tǒng)參數(shù)，顯示檢測結果。
檢測目標包括目標軸和標志線。標志線是在測試目標軸的某一母線上涂上永久放光物質，發(fā)光物質由夜光粉和放射性物質混合而成，當目標軸受到扭矩的作用時產(chǎn)生扭轉變形，發(fā)光母線將變形成一條螺旋線。
同速跟蹤觀測系統(tǒng)包括法蘭盤、支撐架、柱面透鏡和光纖鏡頭，其連接關系為法蘭盤用鍵與目標軸聯(lián)接，支撐架固定在法蘭盤上，柱面透鏡設置于支撐架上，正好在標志線的上方，并保證柱面透鏡的焦點軸與目標軸的軸線重合。光纖鏡頭也設置在支撐架上。當目標軸旋轉時，整個同速跟蹤觀測系統(tǒng)也以相同轉速隨目標軸旋轉，構成相對于目標軸靜止的坐標系。
圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)包括CCD電路板、電纜、滑環(huán)、AFE(模擬前端)電路板和數(shù)字信號處理器(DSP)電路板。CCD電路板設置在目標軸的一端，滑環(huán)固定在目標軸上，CCD電路板的信號線通過滑環(huán)用電纜與AFE電路板相連，AFE電路板和數(shù)字信號處理器電路板之間用數(shù)據(jù)線相連。
CCD采集光纖鏡頭所觀測到的目標軸。AFE的功能是向CCD發(fā)送驅動信號并將CCD的輸出信號進行模擬數(shù)字轉化。數(shù)字信號處理器是該發(fā)明裝置的大腦，由于它采用改進哈佛結構和流水線技術，運算速度很快，能夠完成該發(fā)明的圖像處理算法。
輸入輸出系統(tǒng)包括顯示器和鍵盤，顯示器和鍵盤通過數(shù)據(jù)線與數(shù)字信號處理器電路板連接。顯示器能動態(tài)的顯示扭矩的變化，而通過鍵盤，能夠輸入目標軸的物理參數(shù)，如抗扭矩面模量、剪切彈性模量等。
當目標軸旋轉工作時，同速跟蹤觀測系統(tǒng)同速旋轉，目標軸在扭矩的作用下發(fā)生彈性變形，標志線變形成螺旋線，由于柱面透鏡與目標軸共軸線，根據(jù)幾何光學原理可以推斷標志線在柱面透鏡下所成的像變成一條直線。CCD獲取光纖鏡頭所得到的標志線變形圖像，通過AFE模數(shù)轉換，數(shù)字信號處理器對數(shù)字圖像進行一系列處理，用Hough算法檢測出圖像的標志線，提取扭矩剪應變角γ，根據(jù)公式γ=TWG]]>(T——扭矩，W——抗扭矩面模量，G——材料的剪切彈性模量)就可以算出扭矩T，并動態(tài)的顯示在顯示器上。
本發(fā)明的優(yōu)點它是一種非接觸的測量，信號以光信號的形式提取，沒有經(jīng)過其它傳感器的近似，是基于幾何光學的利用幾何相似關系對剪應變角進行的測量，所以精度很高。如果本裝置的光纖鏡頭已經(jīng)確定焦距和觀測視野，它的精度就取決于CCD的分辨率。假定觀測視野為40mm×40mm的區(qū)域，使用1024×768的CCD，測量精度≤±0.4％。由于通過光纖傳導而CCD外置，很大程度上避開了外界因素的影響，該發(fā)明能應用于各種復雜的工作環(huán)境，而且能對運動軸進行扭矩的動態(tài)測量，動態(tài)的數(shù)字顯示，具有友好的人機交互特性。


圖1本發(fā)明總體結構示意圖。
圖2本發(fā)明各組成部分結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括檢測目標1、同速跟蹤觀測系統(tǒng)2、圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)3、輸入輸出系統(tǒng)4。其連接關系為同速跟蹤觀測系統(tǒng)2固定在檢測目標1上，同速跟蹤觀測系統(tǒng)2、圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)3、輸入輸出系統(tǒng)4三者之間通過電纜相連接。
如圖2所示，檢測目標1包括目標軸5和標志線6。標志線6是在測試目標軸5的某一母線上涂上永久發(fā)光物質，當目標軸6受到扭矩的作用時產(chǎn)生扭轉變形，發(fā)光母線將變形成一條螺旋線。
同速跟蹤觀測系統(tǒng)2包括法蘭盤7、支撐架8、柱面透鏡9和光纖鏡頭10，其連接關系為法蘭盤7用鍵與目標軸5聯(lián)接，支撐架8固定在法蘭盤7上，柱面透鏡9設置于支撐架8上，正好在標志線6的上方，并保證柱面透鏡9的焦點軸與目標軸5的軸線重合，光纖鏡頭10也設置在支撐架8上。
當目標軸5旋轉時，整個同速跟蹤觀測系統(tǒng)2也以相同轉速隨目標軸5旋轉，構成相對于目標軸5靜止的坐標系。
圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)3包括CCD電路板11、滑環(huán)12、電纜13、AFE電路板14和數(shù)字信號處理器電路板15。CCD電路板11設置在目標軸5的一端，滑環(huán)12固定在目標軸5上，CCD電路板11的信號線通過滑環(huán)12用電纜13與AFE電路板14相連，AFE電路板14和數(shù)字信號處理器電路板15之間用數(shù)據(jù)線相連。
輸入輸出系統(tǒng)4包括顯示器16和鍵盤17，顯示器16和鍵盤17通過數(shù)據(jù)線與數(shù)字信號處理器電路板15連接。
權利要求
1.一種基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置，包括檢測目標(1)、同速跟蹤觀測系統(tǒng)(2)、輸入輸出系統(tǒng)(4)，其特征在于還包括圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)(3)，同速跟蹤觀測系統(tǒng)(2)固定在檢測目標(1)上，同速跟蹤觀測系統(tǒng)(2)、圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)(3)、輸入輸出系統(tǒng)(4)三者之間通過電纜相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置，其特征是，所述的檢測目標(1)包括目標軸(5)和標志線(6)，標志線(6)是在目標軸(5)的某一母線上涂上永久發(fā)光物質，當目標軸(6)受到扭矩的作用時產(chǎn)生扭轉變形，發(fā)光母線將變形成一條螺旋線。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置，其特征是，所述的同速跟蹤觀測系統(tǒng)(2)包括法蘭盤(7)、支撐架(8)、柱面透鏡(9)和光纖鏡頭(10)，其連接關系為法蘭盤(7)用鍵與目標軸(5)聯(lián)接，支撐架(8)固定在法蘭盤(7)上，柱面透鏡(9)設置于支撐架(8)上，正好在標志線(6)的上方，并保證柱面透鏡(9)的焦點軸與目標軸(5)的軸線重合，光纖鏡頭(10)也設置在支撐架(8)上。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置，其特征是，當目標軸(6)旋轉時，整個同速跟蹤觀測系統(tǒng)(2)也以相同轉速隨目標軸(6)旋轉，構成相對于目標軸(6)靜止的坐標系。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置，其特征是，所述的輸入輸出系統(tǒng)(4)包括顯示器(16)和鍵盤(17)，顯示器(16)和鍵盤(17)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)字信號處理器電路板(15)連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置，其特征是，所述的圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)(3)包括CCD電路板(11)、滑環(huán)(12)、電纜(13)、AFE電路板(14)、數(shù)字信號處理器電路板(15)，CCD電路板(11)設置在目標軸(5)的一端，滑環(huán)(12)固定在目標軸(5)上，CCD電路板(11)的信號線通過滑環(huán)(12)用電纜(13)與AFE電路板(14)相連，AFE電路板(14)和數(shù)字信號處理器電路板(15)之間用數(shù)據(jù)線相連。
全文摘要
一種基于視覺的低速旋轉軸的扭矩動態(tài)測量裝置，用于機械測試技術領域。本發(fā)明包括檢測目標、同速跟蹤觀測系統(tǒng)、圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)。其連接關系為同速跟蹤觀測系統(tǒng)固定在檢測目標上，同速跟蹤觀測系統(tǒng)、圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)三者之間通過電纜相連接。本發(fā)明是一種非接觸的測量，信號以光信號的形式提取，沒有經(jīng)過其它傳感器的近似，是基于幾何光學的利用幾何相似關系對剪應變角進行的測量，所以精度很高。由于通過光纖傳導而CCD外置，很大程度上避開了外界因素的影響，該發(fā)明能應用于各種復雜的工作環(huán)境，而且能對運動軸進行扭矩的動態(tài)測量，動態(tài)的數(shù)字顯示，具有友好的人機交互特性。
文檔編號G01L3/00GK1563921SQ20041001719
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權日2004年3月25日
發(fā)明者喻再光, 趙群飛 申請人:上海交通大學