本實用新型涉及機器視覺測量轉(zhuǎn)動技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于雙正弦變密度條紋的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角傳感和轉(zhuǎn)速測量裝置。

背景技術(shù)：

對轉(zhuǎn)軸瞬時轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的快速、連續(xù)和準(zhǔn)確地測量對于旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和速度控制具有非常重要的作用和意義。如發(fā)電機、泵和電機等轉(zhuǎn)動設(shè)備的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量；這類轉(zhuǎn)動設(shè)備的狀態(tài)可以通過測量的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動參數(shù)獲得并可用于機器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。目前轉(zhuǎn)速測量技術(shù)大體可分為兩類：模擬式轉(zhuǎn)速計和數(shù)字式轉(zhuǎn)速計。模擬式轉(zhuǎn)速計主要是將轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)換成為模擬信號或者其他類型對應(yīng)比例的信號，模擬式轉(zhuǎn)速計常應(yīng)用于反饋回路中以精確控制轉(zhuǎn)速。而數(shù)字式轉(zhuǎn)速計相對于模擬式轉(zhuǎn)速計一般不需要數(shù)模轉(zhuǎn)化器。該類轉(zhuǎn)速測量計主要通過不同的物理原理的編碼器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量，如光學(xué)編碼器、磁場編碼器、電磁編碼器和霍爾編碼器等。編碼器的選擇主要通過具體使用場合和測量精度要求來進行選擇。

近年來，隨著圖像傳感器制造技術(shù)的進步，基于機器視覺的振動和轉(zhuǎn)速測量技術(shù)也快速發(fā)展。這種技術(shù)具有高效率、非接觸，并且不引入附加質(zhì)量的特點。許多研究學(xué)者采用一些高對比度的黑白圖案或者編碼圖形來標(biāo)記一些大的結(jié)構(gòu)，然后采用圖像傳感器進行實時成像，以實現(xiàn)對一些大結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角測量。這些方法主要是通過不同圖像幀模板圖像的特征匹配和跟蹤算法來獲得結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角信息，測量速度和精度很大程度上取決于圖像匹配算法的速度和準(zhǔn)確度。而且在進行圖像采集時需要將測量對象整個測量面內(nèi)的圖像信息進行采集，才能進行局部特征信號的跟蹤匹配。大范圍的圖像采集不僅會使得采集系統(tǒng)負擔(dān)加重，而且對圖像信號的傳輸速率也提出了比較高的要求。

因此，在對現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測量方法進行了解和研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種獨特的雙正弦變密度條紋以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速精確、簡單和高效的非接觸式測量，該種方法可以在不增加基于機器視覺的測量系統(tǒng)硬件成本的情況下實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的實時測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題做出改進，即本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于雙正弦變密度條紋的轉(zhuǎn)速測量裝置，該裝置和方法可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的非接觸測量，測量裝置簡單，速度快，精度高。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是：一種基于雙正弦變密度條紋的轉(zhuǎn)速測量裝置，包括：

一雙正弦變密度條紋傳感器，包覆于待測轉(zhuǎn)軸圓周表面，用以編碼所述待測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角信息；

一條紋圖像采集和傳輸模塊，用以對所述待測轉(zhuǎn)軸表面的雙正弦變密度條紋傳感器進行連續(xù)采集記錄，并將采集到的條紋圖像信號進行傳輸；所述條紋圖像采集和傳輸模塊包括條紋成像傳感器、光學(xué)鏡頭、成像控制系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)；

一計算機，用以對所述條紋圖像采集和傳輸模塊進行控制，并對經(jīng)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)接嬎銠C的條紋圖像信號進行存儲和處理；

一條紋圖像處理軟件模塊，設(shè)置于所述計算機中，用以對所述的條紋圖像信號進行處理，計算轉(zhuǎn)軸的時域轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速曲線。

所述雙正弦變密度條紋傳感器為輕質(zhì)貼片，所述雙正弦變密度條紋傳感器輕質(zhì)貼片的正面為條紋圖像，背面為粘性層，環(huán)貼于所述待測轉(zhuǎn)軸的圓周表面。

所述雙正弦變密度條紋傳感器為輕質(zhì)圓形套筒，所述雙正弦變密度條紋傳感器套筒的外圓周表面為條紋圖像，套筒內(nèi)徑與所述待測轉(zhuǎn)軸的直徑相等，套筒套設(shè)于所述待測轉(zhuǎn)軸上。

所述雙正弦變密度條紋傳感器的形狀為長方形，所述長方形的寬度方向為所述雙正弦變密度條紋傳感器表面條紋圖像的條紋密度變化方向，所述寬度與所測轉(zhuǎn)軸的周長相等。

所述雙正弦變密度條紋傳感器表面的條紋圖像沿所述長方形的長度方向分為左右兩側(cè)條紋，左右兩側(cè)條紋的條紋密度沿寬度方向都按正弦函數(shù)變化，右側(cè)條紋的密度變化曲線相對于左側(cè)條紋密度變化曲線相位滯后π/2。

包覆于轉(zhuǎn)軸表面的所述雙正弦變密度條紋傳感器的左右兩側(cè)的條紋密度組合與轉(zhuǎn)軸0-360度轉(zhuǎn)角的不同角度一一對應(yīng)，通過計算左右兩側(cè)條紋密度獲得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角信息。

條紋圖像采集模塊的采集幀率和成像傳感器采集像素范圍能夠調(diào)節(jié)，條紋圖像采集模塊放置于包覆在待測轉(zhuǎn)軸上的雙正弦變密度條紋傳感器的長度方向的中央且與轉(zhuǎn)軸軸心垂直的正前方，以使所述雙正弦變密度條紋傳感器能夠清晰成像于所述條紋圖像采集模塊的成像傳感器中間位置。

所述條紋成像傳感器為面陣成像傳感器或線陣成像傳感器。

本實用新型通過以下方法實現(xiàn)，該方法包括以下步驟：

步驟S1：根據(jù)所述待測轉(zhuǎn)軸的直徑計算出轉(zhuǎn)軸的周長，根據(jù)轉(zhuǎn)軸的周長設(shè)計好雙正弦變密度條紋傳感器的寬度，所述寬度等于轉(zhuǎn)軸的周長，并打印好條紋；

步驟S2：在待測轉(zhuǎn)軸表面包覆雙正弦變密度條紋傳感器；調(diào)整好條紋圖像采集模塊的成像位置并調(diào)整好光學(xué)鏡頭的成像焦距，使雙正弦變密度條紋傳感器成像于條紋圖像采集模塊中成像傳感器的中間位置；

步驟S3：采用條紋圖像采集模塊對雙正弦變密度條紋傳感器進行實時采集記錄，因成像傳感器和轉(zhuǎn)軸的位置是固定的，成像條紋的密度也隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度的變化而變化；

步驟S4：條紋圖像傳輸模塊將采集到的條紋圖像序列實時傳輸?shù)接嬎銠C，再采用圖像處理軟件模塊進行條紋信號的處理；

步驟S5：圖像處理軟件模塊計算每幀圖像中同一行像素的左側(cè)和右側(cè)條紋信號條紋密度信息；并通過轉(zhuǎn)角與左右條紋密度組合的數(shù)學(xué)關(guān)系獲得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角速度和轉(zhuǎn)速的時域曲線；

步驟S6：通過計算機顯示屏顯示測量的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速時域曲線，通過信號分析程序?qū)Φ玫降臅r域曲線作進一步的數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)機器的狀態(tài)監(jiān)測。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果：（1）該雙正弦變密度條紋質(zhì)量幾乎可以忽略，黏貼到轉(zhuǎn)軸上對轉(zhuǎn)軸的動態(tài)特性不會產(chǎn)生任何干擾，相對于一些機械式轉(zhuǎn)速測量計來說具有減小對系統(tǒng)干擾的可能性。（2）對于一些光電編碼盤式的轉(zhuǎn)速測量計，測量精度會受到碼盤分割數(shù)的限制，造成固定的誤差。而該條紋式的轉(zhuǎn)速測量編碼器條紋的密度變化是連續(xù)的，只要條紋密度獲取的算法足夠準(zhǔn)確，就可以實現(xiàn)非常小的轉(zhuǎn)角測量，在原理上消除了如編碼盤式的轉(zhuǎn)角測量硬件誤差。（3）可實現(xiàn)非接觸式轉(zhuǎn)速測量，與現(xiàn)有的基于圖像跟蹤匹配算法的轉(zhuǎn)軸測量方法相比，不需要進行大量的圖像跟蹤匹配運算，提高了系統(tǒng)測量的運算速度。（4）可實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的大幅減小，傳輸幀率的提高?，F(xiàn)有的基于圖像跟蹤匹配算法的轉(zhuǎn)角測量方法，需要對整個編碼條紋圖像信息進行采集，才能進行局部特征信號的跟蹤匹配，加重了采集系統(tǒng)負擔(dān)，造成硬件資源的浪費。而本實用新型利用雙正弦變密度條紋的條紋密度信息進行轉(zhuǎn)軸角度的編碼，最少只需采集一行像素的條紋信息即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量，大幅提高圖像傳輸速率，減小圖像的存儲空間和計算時間。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型實施例中雙正弦變密度條紋設(shè)計圖；

圖3（a）是本實用新型實施例中雙正弦變密度條紋左右兩側(cè)正弦變密度條紋的條紋密度變化曲線，圖3（b）是本實用新型實施例中雙正弦變密度條紋左右兩側(cè)正弦變密度條紋歸一化密度變化曲線；

圖4（a）是本實用新型實施例中由雙正弦變密度條紋左右兩側(cè)正弦變密度條紋的歸一化密度變化曲線得到的相位角曲線；圖4（b）是由本實用新型實施例中雙正弦變密度條紋左右兩側(cè)正弦變密度條紋相位角曲線得到的轉(zhuǎn)角曲線。

圖中，1-計算機，2-數(shù)據(jù)傳輸線，3-所測轉(zhuǎn)軸，4-雙正弦變密度條紋傳感器，5-軸承座，6-條紋圖像采集模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步詳細的說明。

圖1是本實用新型實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實施例提供一種基于雙正弦變密度條紋的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測量裝置，包括雙正弦變密度條紋傳感器4、條紋圖像采集模塊6、數(shù)據(jù)傳輸線2、計算機1、所測轉(zhuǎn)軸3和軸承座5。雙正弦變密度條紋傳感器4，包覆于所測轉(zhuǎn)軸3的圓周表面，用于編碼所測轉(zhuǎn)軸3的轉(zhuǎn)角信息。條紋圖像采集模塊6，用于對所測轉(zhuǎn)軸3上的雙正弦變密度條紋傳感器4進行實時采集記錄，并將采集到的條紋圖像通過數(shù)據(jù)線2傳輸?shù)接嬎銠C1。安裝于計算機1的圖像處理軟件模塊計算每幀圖像中的雙正弦變密度條紋左側(cè)和右側(cè)條紋的條紋密度信息；然后通過左側(cè)和右側(cè)條紋的密度信息計算出轉(zhuǎn)軸對應(yīng)的轉(zhuǎn)角，最后通過相鄰兩幀圖像轉(zhuǎn)角差和采樣時間間隔計算出轉(zhuǎn)軸的瞬時轉(zhuǎn)動角速度和轉(zhuǎn)速。最后通過計算機1的顯示屏顯示測量的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速時域曲線，進行進一步的數(shù)據(jù)處理和分析。

圖2為本實用新型實施例中雙正弦變密度條紋傳感器4的設(shè)計圖。本實施例中，雙正弦變密度條紋傳感器4的形狀為長方形，雙正弦變密度條紋傳感器4的沿條紋密度變化方向的寬度與所測轉(zhuǎn)軸3的周長相等。雙正弦變密度條紋傳感器4表面的條紋圖像分為左右兩側(cè)條紋，左右兩側(cè)條紋的條紋密度都按正弦函數(shù)變化，右側(cè)條紋的密度變化曲線相對于左側(cè)條紋密度變化曲線相位滯后π/2。測量前，將所述雙正弦變密度條紋傳感器4沿條紋密度變化方向環(huán)設(shè)于轉(zhuǎn)軸3圓周表面，以編碼所測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角度。雙正弦變密度條紋傳感器4的左右兩側(cè)的條紋密度組合與所測轉(zhuǎn)軸0-360度轉(zhuǎn)角的不同角度一一對應(yīng)，通過計算左右兩側(cè)條紋密度獲得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角信息。

圖2是本實用新型實施例中一種用于測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動參數(shù)的雙正弦變密度條紋傳感器4的示意圖。在實際的工程測量中，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點設(shè)計不同的條紋形式的傳感器，如做成條紋形式的轉(zhuǎn)軸套筒或者編碼盤，或者采用在轉(zhuǎn)軸上噴涂條紋等，本專利未列出所有各種不同的條紋形式或者粘貼形式，但是基于本實用新型的方法進行的測量均屬于本實用新型的保護范圍。

圖3（a）是本實用新型實施例中雙正弦變密度條紋傳感器4左右兩側(cè)正弦變密度條紋傳感器4的條紋密度變化曲線；圖3（b）是本實用新型實施例中雙正弦變密度條紋傳感器4左右兩側(cè)正弦變密度條紋歸一化密度變化曲線。

圖4（a）是本實用新型實施例中由雙正弦變密度條紋傳感器4左右兩側(cè)正弦變密度條紋的歸一化密度變化曲線得到的相位角曲線；圖4（b）是由本實用新型實施例中雙正弦變密度條紋傳感器4左右兩側(cè)正弦變密度條紋相位角曲線得到的轉(zhuǎn)角曲線。得到的轉(zhuǎn)角信息剛好與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一周的角度信息一一對應(yīng)。

本實施例還提供了采用上述裝置的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量方法，如圖1、2、3和4所示，包括以下步驟：

步驟S1：根據(jù)所述待測轉(zhuǎn)軸的直徑計算出轉(zhuǎn)軸的周長，根據(jù)轉(zhuǎn)軸的周長設(shè)計好雙正弦變密度條紋傳感器的寬度，所述寬度等于轉(zhuǎn)軸的周長，并打印好條紋；

步驟S2：在待測轉(zhuǎn)軸表面包覆雙正弦變密度條紋傳感器；調(diào)整好條紋圖像采集模塊的成像位置并調(diào)整好光學(xué)鏡頭的成像焦距，使雙正弦變密度條紋傳感器成像于條紋圖像采集模塊中成像傳感器的中間位置；

步驟S3：采用條紋圖像采集模塊對雙正弦變密度條紋傳感器進行實時采集記錄，因成像傳感器和轉(zhuǎn)軸的位置是固定的，成像條紋的密度也隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度的變化而變化；

步驟S4：條紋圖像傳輸模塊將采集到的條紋圖像序列實時傳輸?shù)接嬎銠C，再采用圖像處理軟件模塊進行條紋信號的處理；

步驟S5：圖像處理軟件模塊計算每幀圖像中同一行像素的左側(cè)和右側(cè)條紋信號條紋密度信息；并通過轉(zhuǎn)角與左右條紋密度組合的數(shù)學(xué)關(guān)系獲得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角速度和轉(zhuǎn)速的時域曲線；

步驟S6：通過計算機顯示屏顯示測量的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速時域曲線，通過信號分析程序?qū)Φ玫降臅r域曲線作進一步的數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)機器的狀態(tài)監(jiān)測。

進一步地，所述雙正弦變密度條紋傳感器左側(cè)和右側(cè)條紋沿寬度方向密度數(shù)學(xué)變化關(guān)系式為：

其中和為設(shè)計所述雙正弦變密度條紋傳感器時的最大和最小條紋密度；為雙正弦變密度條紋傳感器左側(cè)條紋密度變化曲線，為雙正弦變密度條紋傳感器右側(cè)條紋密度變化曲線， N為生成雙正弦變密度條紋傳感器左右兩側(cè)條紋密度變化曲線的總點數(shù)，n為總點數(shù)N中的第n點；

在第幀條紋圖像時刻采集到所述雙正弦變密度條紋傳感器左側(cè)和右側(cè)歸一化條紋密度計算公式為：

在第幀條紋圖像時刻采集到所述雙正弦變密度條紋傳感器左側(cè)和右側(cè)歸一化條紋密度所對應(yīng)的正弦相位角計算公式為：

其中，Phase1為在第幀條紋圖像時刻采集到所述雙正弦變密度條紋傳感器左側(cè)條紋密度所對應(yīng)的正弦相位角，Phase2為在第幀條紋圖像時刻采集到所述雙正弦變密度條紋傳感器右側(cè)條紋密度所對應(yīng)的正弦相位角；

在第幀條紋圖像時刻采集到所述雙正弦變密度條紋傳感器左側(cè)和右側(cè)條紋正弦相位角所對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸角度計算公式為：

在第幀條紋圖像時刻轉(zhuǎn)軸瞬時角速度的數(shù)學(xué)計算公式為：

在第幀圖像時刻轉(zhuǎn)軸瞬時轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)計算公式為：

其中，為條紋圖像采集模塊對應(yīng)的采樣頻率，為條紋圖像采集模塊的采樣頻率的倒數(shù)。

以上是本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本實用新型技術(shù)方案的范圍時，均屬于本實用新型的保護范圍。