基于數(shù)字工業(yè)攝像的非接觸扭矩傳感測量研究*

資新運， 耿 帥， 趙姝帆， 張 鵬， 龐海龍

(軍事交通學(xué)院 軍用車輛系 工程實驗中心，天津 300161)

基于數(shù)字工業(yè)攝像的非接觸扭矩傳感測量研究*

資新運， 耿 帥， 趙姝帆， 張 鵬， 龐海龍

(軍事交通學(xué)院 軍用車輛系 工程實驗中心，天津 300161)

提出一種基于工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像的扭矩測量方法，通過CCD工業(yè)相機采集軸表面應(yīng)變前后的圖像信號，并對兩圖像信號進行二維的相關(guān)計算和基于梯度法的亞像素位移計算，得到軸表面的應(yīng)變位移量，進而計算出扭矩。設(shè)計了與電阻應(yīng)變法測扭矩的對比實驗，并進行了誤差分析。實驗結(jié)果表明:數(shù)字工業(yè)攝像的扭矩測量系統(tǒng)精度高，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能夠適用于軸面微小形變位移的測量。

扭矩測量； 數(shù)字工業(yè)攝像； 非接觸； 數(shù)字散斑相關(guān)； 梯度法

0 引 言

軸扭矩是反映機械設(shè)備動態(tài)性能最典型的機械量之一，對高精度扭矩傳感器的研究一直是國內(nèi)外的熱點和難點。在實際工程應(yīng)用中，由于軸質(zhì)地堅硬，軸上的形變量非常微小，測量中很小的干擾都可能帶來極大的誤差，同時轉(zhuǎn)軸由于本身固有的振動和偏心運動、軸系測量空間狹小以及測量的物理量易受溫度、煙塵、電磁等因素影響，使得高精度的軸動態(tài)扭矩測量非常困難。現(xiàn)有的扭矩傳感器大體可以分為兩類，一種是借助扭矩敏感材料，設(shè)計相應(yīng)檢測裝置，如金屬應(yīng)變式扭矩傳感器、磁彈性扭矩傳感器[1]，這類傳感器往往需要將敏感材料貼附于軸表面，材料受外界環(huán)境影響明顯，測量裝置較復(fù)雜;另一種是測量軸的兩截面相對扭轉(zhuǎn)角，通過將角位移量轉(zhuǎn)換為兩路可測信號的相位差值，計算出扭矩,這類傳感器有光電式、磁電式、容柵式和激光多普勒式等[2～5],該類方法存在各自的問題，如實時性差、易受電磁干擾、信號微弱、裝置復(fù)雜以及受傳感元件本身影響明顯等。

針對上述問題，提出了基于數(shù)字工業(yè)攝像的扭矩測量方法，通過CCD工業(yè)相機，采集軸在應(yīng)變前后的軸面圖像，將軸上因扭矩產(chǎn)生的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為軸面散斑圖像的位移量，然后借助數(shù)字散斑相關(guān)運算、亞像素處理等手段，計算得到應(yīng)變位移，最終得到扭矩值。該方法系統(tǒng)簡單，抗干擾能力強，并且具有非常高的精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在數(shù)字散斑理論中，物體表面同一點在位移前后的兩幀圖像上灰度值基本不變[6]，因此，灰度值可以作為圖像特征進行匹配?；跀?shù)字工業(yè)攝像的扭矩測量系統(tǒng)便是通過CCD工業(yè)相機，首先采集無扭矩作用下的軸表面圖像信號，作為初始數(shù)據(jù)，當(dāng)有扭矩施加到軸時，軸表面產(chǎn)生應(yīng)變位移，再次采集的軸表面圖像信號中包含了應(yīng)變信號，通過比較兩幀圖像中軸表面同一位置在應(yīng)變前后的角位移，得到扭轉(zhuǎn)角，進而計算出扭矩。系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字工業(yè)攝像測扭矩系統(tǒng)簡圖

應(yīng)變信號可通過相關(guān)計算獲得。假定應(yīng)變前后圖像分別為A1，A2，首先在A1中選取以待測點P0為中心的一塊(2M+1)pixel×(2M+1)pixel的子區(qū)域a1，選擇標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差函數(shù)作為相關(guān)函數(shù)，對A2進行逐點二維相關(guān)計算，相關(guān)函數(shù)表達式為

C=

(1)

通過計算相關(guān)系數(shù)的最大值Cmax對應(yīng)的坐標(biāo)位置與a1中心坐標(biāo)差值，得到軸面應(yīng)變的整像素級位移，記為(u,v)。

由于軸面實際應(yīng)變位移很小，整像素級的測量精度將無法滿足實際扭矩測量需求，因此,考慮在整像素搜索的基礎(chǔ)上，對軸面位移進行亞像素匹配，從而獲得更高測量精度。

采用梯度法完成亞像素位移測量，假設(shè)圖像子區(qū)做微小位移時，若子區(qū)足夠小，則圖像子區(qū)運動可近似為面內(nèi)剛體運動[7]，此時有

f(x,y)=g(x′,y′)

=g(x+u+Δu,y+v+Δv).

(2)

其中,u，v分別上一步得到的整像素位移，Δu，Δv為所求的亞像素位移。

式(2)可通過泰勒展開，同時舍棄高階小量，得

g(x+u+Δu,y+v+Δv)=g(x+u,y+v)+

Δu·gx(x+u,y+v)+Δv·gy(x+u,y+v),

(3)

式中g(shù)x，gy為子區(qū)灰度一階梯度，所求位移Δu，Δv將使得最小平方距離相關(guān)函數(shù)取得駐值，即

C(Δu,Δv)=

∑∑[f(x,y)-g(x+u+Δu,y+v+Δv)]2,

(4)

(5)

經(jīng)推導(dǎo)，亞像素位移為

(6)

其中,梯度算子選效果較好的Barron算子[8]

(7)

結(jié)合上兩步計算，得到軸面像素位移量為(u+Δu, v+Δv)，將其對應(yīng)軸面應(yīng)變位移值記為s，代入扭矩公式

(8)

系統(tǒng)分兩步計算軸面應(yīng)變位移，提高了運算效率。相關(guān)搜索主要側(cè)重于計算速度，可選擇基于遺傳算法的相關(guān)算法[9]、基于粒子群優(yōu)化方法的相關(guān)算法[10]等；亞像素位移計算則注重計算精度，計算方法除本文的梯度法外，還可以選擇精度更高的Newton-Raphson迭代法[11]。

2 實驗驗證

為驗證本文方法，搭建高精度的標(biāo)準(zhǔn)扭轉(zhuǎn)實驗平臺如圖2所示，圖中軸一端通過套筒完全固定，另一端通過軸承固定，從而兩端只發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。通過拉力輪和扇形力臂施加固定扭矩，拉力F可由標(biāo)準(zhǔn)的力傳感器測得。沿軸面±45°夾角方向粘貼電阻應(yīng)變片，應(yīng)變數(shù)值由XL2118C應(yīng)變測試儀讀出。正對軸面搭架Pike—F032b CCD工業(yè)相機，采集的軸面圖像通過數(shù)據(jù)線傳輸給工業(yè)計算機。

圖2 扭矩測量實驗平臺

其中，扇形臂長度a=250 mm，軸外徑D=40 mm，內(nèi)徑d=32 mm，軸材料的彈性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.26。

實驗由拉力計和扇形臂共同作用產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)扭矩M1=F·a。實驗中，F(xiàn)每增加50 N，分別用兩種方法測量一次扭矩值：

1)電測法測得的應(yīng)變ε可由以下推導(dǎo)得到扭矩：

軸抗扭截面系數(shù)為

可得扭矩為M2=Wtτ。

2)數(shù)字工業(yè)攝像測量通過采集軸面圖像，進行應(yīng)變位移計算，在無應(yīng)變圖中選擇以P0(220,300)為中心，窗口大小為41pixel×41pixel的子區(qū)，作為參考子區(qū)，并分別與不同扭矩下的應(yīng)變圖像做計算。以75N·m時采集應(yīng)變圖像為例，計算整像素位移和亞像素位移，如圖3所示。

圖3 應(yīng)變位移

由圖3中(a),(b)知，在75N·m的扭矩作用下，參考點由應(yīng)變前的P0(220,300)移至P1(222,300)，整像素位移(u,v)= (2,0)；圖3(c),(d)中亞像素位移(Δu,Δv)= (-0.068 2,0.154 0)。將像素位移值換算為實際位移，并代入式(8)，得到扭矩M3。最終實驗結(jié)果和計算誤差分別如表1、圖4所示。

由計算結(jié)果可見，數(shù)字?jǐn)z像法測量精度與電測法已經(jīng)比較接近，0～125N·m之間扭矩測量標(biāo)準(zhǔn)差小于1N·m。數(shù)字?jǐn)z像法測量精度可以通過提高CCD的分辨率、增加光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)以及采用計算精度更高的亞像素處理算法來進一步提高。

表1 實驗測量數(shù)據(jù)

圖4 兩種方法測量結(jié)果

3 結(jié) 論

本文提出了基于數(shù)字工業(yè)攝像的非接觸扭矩測量方法，通過提取包含軸應(yīng)變量的軸面圖像信號，直接計算軸扭矩值，與傳統(tǒng)測量方法相比，克服了布線困難、裝置復(fù)雜等缺點，可根據(jù)測量精度需求配置系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，為機械轉(zhuǎn)軸扭矩在線監(jiān)測提供了新方法。在實際工程中，由于轉(zhuǎn)軸處于運動狀態(tài)，前后拍攝的軸面圖像并不是在同一位置，因此，需要首先對運動軸面圖像進行位置匹配，然后應(yīng)用本文方法進行測量。

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Research of non-contact torque sensing measurement

based on digital industrial photogrammetry*ZI Xin-yun, GENG Shuai, ZHAO Shu-fan, ZHANG Peng, PANG Hai-long

(Engineering Experiment Center,Department of Automobile Engineering, Military Transportation University,Tianjin 300161,China)

A torque measurement method based on digital industrial photogrammetry is proposed.Image signals of shaft surface before and after strain are collected by CCD industrial camera;and two-dimensional correlation calculation and sub-pixel displacement calculation based on gradient method are carried out on two images signals and strain displacement on surface of shaft is obtained,then the torque can be calculated.Experiment compared with resistance strain gauge method is designed,and error analysis are carried out.Experimental results show that torque measuring system based on the digital industrial photogrammetry has high precision,and the system structure is simple,it can be applied to small deformation displacement measurement of shaft surface.

torque measurement; digital industrial photogrammetry; non-contact; digital speckle correlation; gradient method

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0019—03

2014—08—22

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)資助項目(2013AA065303)；國家自然科學(xué)基金重點資助項目(91120306)；天津市自然科學(xué)基金資助項目(14JCQNJC01600)

TP 391

A

1000—9787(2015)04—0019—03

資新運(1971-)，男，湖南衡陽人，博士后，教授，博士生導(dǎo)師，日本高級訪問學(xué)者，主要從事傳感與檢測、測試計量技術(shù)等方面研究。