專(zhuān)利名稱(chēng)：基于視覺(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種扭矩測(cè)量裝置，具體是一種基于視覺(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置。用于機(jī)械測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
扭矩是旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械的重要工作參數(shù)，在飛機(jī)的螺旋槳、坦克和升船機(jī)等設(shè)備中都有廣泛的應(yīng)用，扭矩測(cè)量已成為機(jī)械量測(cè)量中一個(gè)重要組成部分。扭矩測(cè)量一般都是根據(jù)彈性軸在傳遞扭矩時(shí)所產(chǎn)生的物理參數(shù)(如變形、應(yīng)力和應(yīng)變)的變化來(lái)測(cè)量的。根據(jù)扭矩測(cè)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(xué)關(guān)系，扭矩測(cè)量?jī)x可分為應(yīng)變型、應(yīng)力型和變形型，應(yīng)變型常用的是電阻應(yīng)變片式，這是接觸測(cè)量，容易受環(huán)境溫度的影響。而變形型又可分為光學(xué)式、光電式和電磁式等方式?；诠鈱W(xué)的扭矩測(cè)量?jī)x，一般能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度，受溫度等環(huán)境因素的干擾小。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?9103344.2，專(zhuān)利名稱(chēng)激光動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量?jī)x。該專(zhuān)利由激光發(fā)射接收器、光學(xué)反射器、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)組成，是一種非接觸的測(cè)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(hào)，信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量這兩列信號(hào)的相位差及其周期，微機(jī)系統(tǒng)根據(jù)這些初始測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理得出結(jié)果。其不足之處是其一，激光發(fā)射接收器必須安裝在旋轉(zhuǎn)抽附近，并且兩者之間不能有干擾，因此，可能導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部不緊湊，或者干擾其他軸；其二，在微機(jī)系統(tǒng)中使用的模擬器件復(fù)雜，很難保證穩(wěn)定，測(cè)量精度不夠高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足和缺陷，提供一種基于視覺(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)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(guò)數(shù)字圖像的算法實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量，提高了測(cè)量的精度。
本發(fā)明是通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明包括檢測(cè)目標(biāo)、同速跟蹤觀測(cè)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(guān)系為同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)固定在檢測(cè)目標(biāo)上，同速跟蹤觀測(cè)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(guò)電纜相連接。同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)同速跟蹤檢測(cè)目標(biāo)，圖像采集和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)通過(guò)同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)采集目標(biāo)圖像，用數(shù)字圖像處理算法提取扭矩剪應(yīng)變角，輸入輸出系統(tǒng)能改變系統(tǒng)參數(shù)，顯示檢測(cè)結(jié)果。
檢測(cè)目標(biāo)包括目標(biāo)軸和標(biāo)志線。標(biāo)志線是在測(cè)試目標(biāo)軸的某一母線上涂上永久放光物質(zhì)，發(fā)光物質(zhì)由夜光粉和放射性物質(zhì)混合而成，當(dāng)目標(biāo)軸受到扭矩的作用時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，發(fā)光母線將變形成一條螺旋線。
同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)包括法蘭盤(pán)、支撐架、柱面透鏡和光纖鏡頭，其連接關(guān)系為法蘭盤(pán)用鍵與目標(biāo)軸聯(lián)接，支撐架固定在法蘭盤(pán)上，柱面透鏡設(shè)置于支撐架上，正好在標(biāo)志線的上方，并保證柱面透鏡的焦點(diǎn)軸與目標(biāo)軸的軸線重合。光纖鏡頭也設(shè)置在支撐架上。當(dāng)目標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)也以相同轉(zhuǎn)速隨目標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成相對(duì)于目標(biāo)軸靜止的坐標(biāo)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(hào)處理器(DSP)電路板。CCD電路板設(shè)置在目標(biāo)軸的一端，滑環(huán)固定在目標(biāo)軸上，CCD電路板的信號(hào)線通過(guò)滑環(huán)用電纜與AFE電路板相連，AFE電路板和數(shù)字信號(hào)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(cè)到的目標(biāo)軸。AFE的功能是向CCD發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)并將CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化。數(shù)字信號(hào)處理器是該發(fā)明裝置的大腦，由于它采用改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，運(yùn)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(pán)，顯示器和鍵盤(pán)通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)字信號(hào)處理器電路板連接。顯示器能動(dòng)態(tài)的顯示扭矩的變化，而通過(guò)鍵盤(pán)，能夠輸入目標(biāo)軸的物理參數(shù)，如抗扭矩面模量、剪切彈性模量等。
當(dāng)目標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)同速旋轉(zhuǎn)，目標(biāo)軸在扭矩的作用下發(fā)生彈性變形，標(biāo)志線變形成螺旋線，由于柱面透鏡與目標(biāo)軸共軸線，根據(jù)幾何光學(xué)原理可以推斷標(biāo)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(biāo)志線變形圖像，通過(guò)AFE模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行一系列處理，用Hough算法檢測(cè)出圖像的標(biāo)志線，提取扭矩剪應(yīng)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(dòng)態(tài)的顯示在顯示器上。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)它是一種非接觸的測(cè)量，信號(hào)以光信號(hào)的形式提取，沒(méi)有經(jīng)過(guò)其它傳感器的近似，是基于幾何光學(xué)的利用幾何相似關(guān)系對(duì)剪應(yīng)變角進(jìn)行的測(cè)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(cè)視野，它的精度就取決于CCD的分辨率。假定觀測(cè)視野為40mm×40mm的區(qū)域，使用1024×768的CCD，測(cè)量精度≤±0.4％。由于通過(guò)光纖傳導(dǎo)而CCD外置，很大程度上避開(kāi)了外界因素的影響，該發(fā)明能應(yīng)用于各種復(fù)雜的工作環(huán)境，而且能對(duì)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行扭矩的動(dòng)態(tài)測(cè)量，動(dòng)態(tài)的數(shù)字顯示，具有友好的人機(jī)交互特性。


圖1本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明各組成部分結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括檢測(cè)目標(biāo)1、同速跟蹤觀測(cè)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(guān)系為同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)2固定在檢測(cè)目標(biāo)1上，同速跟蹤觀測(cè)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(guò)電纜相連接。
如圖2所示，檢測(cè)目標(biāo)1包括目標(biāo)軸5和標(biāo)志線6。標(biāo)志線6是在測(cè)試目標(biāo)軸5的某一母線上涂上永久發(fā)光物質(zhì)，當(dāng)目標(biāo)軸6受到扭矩的作用時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，發(fā)光母線將變形成一條螺旋線。
同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)2包括法蘭盤(pán)7、支撐架8、柱面透鏡9和光纖鏡頭10，其連接關(guān)系為法蘭盤(pán)7用鍵與目標(biāo)軸5聯(lián)接，支撐架8固定在法蘭盤(pán)7上，柱面透鏡9設(shè)置于支撐架8上，正好在標(biāo)志線6的上方，并保證柱面透鏡9的焦點(diǎn)軸與目標(biāo)軸5的軸線重合，光纖鏡頭10也設(shè)置在支撐架8上。
當(dāng)目標(biāo)軸5旋轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)2也以相同轉(zhuǎn)速隨目標(biāo)軸5旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成相對(duì)于目標(biāo)軸5靜止的坐標(biāo)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(hào)處理器電路板15。CCD電路板11設(shè)置在目標(biāo)軸5的一端，滑環(huán)12固定在目標(biāo)軸5上，CCD電路板11的信號(hào)線通過(guò)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(hào)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(pán)17，顯示器16和鍵盤(pán)17通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)字信號(hào)處理器電路板15連接。
權(quán)利要求
1.一種基于視覺(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，包括檢測(cè)目標(biāo)(1)、同速跟蹤觀測(cè)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(cè)系統(tǒng)(2)固定在檢測(cè)目標(biāo)(1)上，同速跟蹤觀測(cè)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(guò)電纜相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，其特征是，所述的檢測(cè)目標(biāo)(1)包括目標(biāo)軸(5)和標(biāo)志線(6)，標(biāo)志線(6)是在目標(biāo)軸(5)的某一母線上涂上永久發(fā)光物質(zhì)，當(dāng)目標(biāo)軸(6)受到扭矩的作用時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，發(fā)光母線將變形成一條螺旋線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，其特征是，所述的同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)(2)包括法蘭盤(pán)(7)、支撐架(8)、柱面透鏡(9)和光纖鏡頭(10)，其連接關(guān)系為法蘭盤(pán)(7)用鍵與目標(biāo)軸(5)聯(lián)接，支撐架(8)固定在法蘭盤(pán)(7)上，柱面透鏡(9)設(shè)置于支撐架(8)上，正好在標(biāo)志線(6)的上方，并保證柱面透鏡(9)的焦點(diǎn)軸與目標(biāo)軸(5)的軸線重合，光纖鏡頭(10)也設(shè)置在支撐架(8)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于視覺(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，其特征是，當(dāng)目標(biāo)軸(6)旋轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)(2)也以相同轉(zhuǎn)速隨目標(biāo)軸(6)旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成相對(duì)于目標(biāo)軸(6)靜止的坐標(biāo)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)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(pán)(17)，顯示器(16)和鍵盤(pán)(17)通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)字信號(hào)處理器電路板(15)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)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(hào)處理器電路板(15)，CCD電路板(11)設(shè)置在目標(biāo)軸(5)的一端，滑環(huán)(12)固定在目標(biāo)軸(5)上，CCD電路板(11)的信號(hào)線通過(guò)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(hào)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(jué)的低速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，用于機(jī)械測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括檢測(cè)目標(biāo)、同速跟蹤觀測(cè)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(guān)系為同速跟蹤觀測(cè)系統(tǒng)固定在檢測(cè)目標(biāo)上，同速跟蹤觀測(cè)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(guò)電纜相連接。本發(fā)明是一種非接觸的測(cè)量，信號(hào)以光信號(hào)的形式提取，沒(méi)有經(jīng)過(guò)其它傳感器的近似，是基于幾何光學(xué)的利用幾何相似關(guān)系對(duì)剪應(yīng)變角進(jìn)行的測(cè)量，所以精度很高。由于通過(guò)光纖傳導(dǎo)而CCD外置，很大程度上避開(kāi)了外界因素的影響，該發(fā)明能應(yīng)用于各種復(fù)雜的工作環(huán)境，而且能對(duì)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行扭矩的動(dòng)態(tài)測(cè)量，動(dòng)態(tài)的數(shù)字顯示，具有友好的人機(jī)交互特性。
文檔編號(hào)G01L3/00GK1563921SQ20041001719
公開(kāi)日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月25日
發(fā)明者喻再光, 趙群飛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)