基于圖像識別的噴嘴流量試驗臺油位檢測系統(tǒng)*

謝 苗，謝春雪，毛 君，劉治翔

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

基于圖像識別的噴嘴流量試驗臺油位檢測系統(tǒng)*

謝 苗*，謝春雪，毛 君，劉治翔

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

考慮到使用靜態(tài)容積法的噴嘴流量試驗臺采用的磁致伸縮液位傳感器在常溫下具有較高的溫度，但是溫度高于常溫時，會產(chǎn)生極大溫度漂移無法保證試驗系統(tǒng)的測量精度，本文將圖像識別應(yīng)用于噴嘴流量測量系統(tǒng)中，對從噴嘴排出滑油體積進行自動識別，忽略掉溫度變化、傳感器精度等對測量精度的影響。通過圖像濾波、分割、刻度數(shù)字識別、刻度線識別以及油位識別實現(xiàn)對油位的自動測量。通過實驗方法與人工讀數(shù)、磁致伸縮液位傳感器讀數(shù)以及溫度補償后的傳感器讀數(shù)進行對比。結(jié)果表明，使用圖像識別技術(shù)的流量試驗臺的試驗結(jié)果與真實值最為接近，能夠有效提高檢測的精度和效率，降低試驗臺成本和測試人員的工作量，其試驗結(jié)果最為可靠。

噴嘴流量試驗；磁致伸縮液位傳感器；圖像識別；油位檢測

航空發(fā)動機通常通過控制滑油噴嘴的流量來實現(xiàn)發(fā)動機上需要冷卻和潤滑的零件的滑油流量。滑油噴嘴不僅要按照要求保證其正確地安裝，還需要保證滑油有足夠的噴射速度，一般滑油的供油壓力在0.24 MPa～0.48 MPa之間，這樣滑油才能夠穿越其內(nèi)部選擇的縫隙噴射到規(guī)定部位零件，對其進行潤滑和冷卻。精確測量航空潤滑系統(tǒng)中滑油噴嘴流量是提高發(fā)動機工作可靠性的必要任務(wù)之一。及時對潤滑系統(tǒng)中的滑油噴嘴進行檢測，不僅可以及時發(fā)現(xiàn)問題，進而有目的的對產(chǎn)品進行維修和較為準(zhǔn)確的更換損傷部件，消除由于滑油噴嘴流量不足而引起的發(fā)動機事故所造成的巨大經(jīng)濟損失，并確保飛行員的安全。因此，發(fā)展相應(yīng)的測量技術(shù)和設(shè)備是提高滑油潤滑系統(tǒng)質(zhì)量的必然要求［1-2］。

各方面專家學(xué)者對于如何提高試驗臺的測量精度作出了深入研究。文獻［3］中使用變頻矢量控制方法對航空液壓泵轉(zhuǎn)速進行精確控制，從而提高航空液壓泵測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性；文獻［4］針對流量試驗臺的恒壓供油方法進行研究；文獻［5］使用帶回歸系數(shù)補償方法，從而消除滑油泵轉(zhuǎn)速、出口壓力等對流量測試的影響；文獻［6］對航空泵流量測試系統(tǒng)中的溫度控制算法進行研究，使用模糊PID算法實現(xiàn)恒溫控制，保證流量測試過程中，溫度始終溫度在設(shè)定范圍內(nèi)；文獻［7］對流量測量系統(tǒng)中的換向閥的啟閉特性進行研究，提出一種換向閥啟閉補償時間提高測量精度。

本文研究的噴嘴流量測量系統(tǒng)通過靜態(tài)容積法測量噴嘴的流量值，即測得一定條件下，單位時間通過噴嘴排出滑油體積測算出該測試噴嘴的流量值。因此，測量體積的傳感器的精度會直接影響到測量的精度，磁致伸縮液位傳感器是一種高精度傳感器，在常溫下具有非常高的測量精度和分辨率，但是溫度高于常溫時，會產(chǎn)生溫度漂移，文獻［8-9］針對航空泵流量測試系統(tǒng)中的磁致伸縮液位傳感器的溫度補償方法進行研究，保證流量測試的精度；但是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟件方法對傳感器進行溫度補償，前期工作量大，需要采集大量數(shù)據(jù)，同時，如果調(diào)整使用的環(huán)境和設(shè)備，則需要重新進行標(biāo)定。

以上文獻提到的提高試驗臺測量精度方法，仍然采用間接測量方法，本文將圖像識別應(yīng)用于噴嘴流量測量系統(tǒng)中，對從噴嘴排出滑油體積進行自動識別，忽略掉溫度變化、傳感器精度等對測量精度的影響，屬于直接測量方法，測量精度高于間接測量方法。

1 流量測量系統(tǒng)組成

本文研究的噴嘴流量測量系統(tǒng)通過靜態(tài)容積法測量噴嘴的流量值，即測得一定條件下，單位時間通過噴嘴排出滑油體積測算出該測試噴嘴的流量值。常規(guī)的流量測量系統(tǒng)組成簡化為圖1所示。系統(tǒng)主要由被測試噴嘴、液壓泵、驅(qū)動伺服電機、調(diào)壓系統(tǒng)、計量桶、磁致伸縮液位傳感器以及氣動換向閥［10］等組成。

圖1 傳統(tǒng)的流量測量系統(tǒng)簡圖

傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)通過人工讀取計量游標(biāo)刻度記錄計量桶內(nèi)的滑油體積，轉(zhuǎn)換為噴嘴流量值。通過使用安裝于計量桶內(nèi)高精度磁致伸縮液位傳感器測量計量桶內(nèi)的滑油體積，提高測量精度和效率，降低測試人員勞動強度。

本文研究的測量系統(tǒng)，使用高分辨率工業(yè)CCD相機對計量游標(biāo)和計量桶內(nèi)油位進行識別，使用伺服電機驅(qū)動升降平臺，使相機始終與游標(biāo)垂直。系統(tǒng)組成簡化為圖2所示。

本文研究的試驗臺能夠測試多種型號噴嘴，一般最多同時測量2個噴嘴流量，因此僅需要至多兩個直角坐標(biāo)動作機構(gòu)配合鏡頭即可。另外，高精度磁致伸縮液位傳感器價格不菲，如果將每個計量桶中傳感器換成兩套自動隨動系統(tǒng)，反而能夠降低試驗臺造價。

圖2 基于圖像識別的流量測量系統(tǒng)簡圖

2 基于圖像識別的油位檢測

對油位圖像進行識別時，處理流程如圖3所示。主要進行圖像預(yù)處理（濾波、分割）、刻度數(shù)字識別、刻度線識別以及油位識別［11］。

3.2.3 定植 早春茬定植時間選擇晴天上午，秋延茬定植時間選擇晴天下午5點以后或陰天。每壟兩行，株距40～50 cm，行距40 cm，行間距80～90 cm，保苗33 000～42 000株/hm2。定值前覆膜的，破膜移栽，定植后迅速澆透定植水。

圖3 油位圖像識別處理流程

2.1 油位圖像預(yù)處理

油位圖像在實際獲取過程中，會受各種因素影響而產(chǎn)生噪點，因此需要對圖像進行濾波去噪處理。本文使用3×3濾波窗口的中值濾波技術(shù)進行油位圖像的濾波去噪處理。中值濾波技術(shù)將某點的數(shù)值使用鄰域點中值代替，具體描述為：

式中：a，b，c，…表示某點（x，y）和鄰域的灰度值。

為了提高圖像識別效率，需要使用圖像分割技術(shù)分割圖像，以便于在識別刻度數(shù)字和刻度線時只在刻度尺上進行搜索，而在識別油位高度時僅對油位管進行搜索。分割方法為：采集到像素為M×N的圖像，選取任意一行并按照下列公式求取Gm，當(dāng)Gm得到最小值其所對應(yīng)的m即為刻度尺的最左邊緣。再已知刻度尺寬度即可值刻度尺的圖像區(qū)域，完成分割。

式中：d表示刻度尺寬度；f（x，y）是刻度尺圖像灰度；N表示圖像寬度［12］。

2.2 刻度數(shù)字識別

本文使用模板匹配的方法進行刻度數(shù)字的識別。待識別的刻度數(shù)字圖像為A，用于識別的模板為B，將待識別圖像與模板圖像進行匹配。設(shè)匹配過程中，原始圖像A被模板圖像B覆蓋部分為BA（i，j），然后對比模板B以及BA（i，j）的相似度。設(shè)定 D（i，j）為模板 B和 BA（i，j）的累計誤差：

歸一化互相關(guān)函數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)γ（i，j）為：

如果γ（i，j）為1，則說明對比模板B以及BA（i，j）的相關(guān)性最大，否則γ（i，j）小于1［13］。

2.3 刻度線識別

利用刻度線灰度值處于低灰度區(qū)域這一灰度特征進行刻度線的識別。識別方法主要是利用了刻度線圖像出現(xiàn)灰度跳變，使用一階微分算子對刻度線位置進行識別：

首先，在刻度線區(qū)域使用下列方法開始行掃描，并求出第I行的灰度和MI。

式中：L表示刻度尺左邊緣；D表示求和區(qū)域?qū)挾取?/p>

其次，使用差分運算求取MI各行灰度和梯度DI以及其平均值A(chǔ)。然后，抽取各個大于平均值A(chǔ)的梯度DI并進行排序。最后，去除不滿足相鄰梯度DI之間 I＞0這一條件的梯度。得出刻度線點集K{pt[x y]T}，x為刻度尺左邊緣L，y為DI的I值［14］?？潭染€識別如圖4所示。

圖4 刻度線識別

2.4 油位高度識別

眾所周知，油位管中的油面不是平面，而是中間低，周邊高的凹面。使用亮度差能夠識別油位的分界面，找出凹面底部切線位置，從而確定油位高度［15］。

首先使用Robinson算子水平邊緣識別模板檢測出油位的邊緣，之后使用雙閾值判斷法判斷油面，防止圖像噪聲的影響。從底部開始對各行邊緣點個數(shù)進行統(tǒng)計，設(shè)定第1個閾值Ty1，第2個閾值Ty2，如果第j行的邊緣點個數(shù)Nyj＞閾值Ty1，則對縱坐標(biāo)在（j-10）～（j+10）范圍的各行邊緣點個數(shù)Nyz進行統(tǒng)計，如果Nyz＞閾值Ty1，即可判斷出，油位面在（j-10）～（j+10）范圍內(nèi)［16］。油位識別結(jié)果如圖5所示。

圖5 油位識別結(jié)果

3 實驗研究

本文通過實驗方法對基于圖像識別的油位檢測系統(tǒng)進行研究。采用對比實驗方法，將使用圖像識別的檢測結(jié)果與人工讀數(shù)、磁致伸縮液位傳感器讀數(shù)以及使用文獻［8］中的溫度補償后的讀數(shù)進行對比。

實驗時的計時精度和換向閥啟閉特性對流量測量的影響和補償，筆者通過文獻［7］中進行了介紹。流量測量系統(tǒng)中使用JLM型磁致伸縮液位計，可以達到0.02 mm的分辨率。雖然傳感器具有較高的分辨率，而視覺檢測不易在工業(yè)現(xiàn)場欲達到0.02 mm量級的分辨力，但是由于傳感器精密檢測元件易受溫度以及液位波動影響，因此會產(chǎn)生較大漂移。而視覺檢測能夠模擬人肉眼對刻度的讀數(shù)（本文研究的流量檢測設(shè)備在驗收和使用過程中，一項重要評價指標(biāo)是以人肉眼對刻度的讀數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，計算機顯示讀數(shù)與人肉眼讀數(shù)的偏差度）。流量測量系統(tǒng)中有多個類型的計量桶（收集滑油的容器），標(biāo)準(zhǔn)流量為（702±2）mL和（1 825±2）mL的噴嘴測量計量桶為例說明計量桶的容器特征。標(biāo)準(zhǔn)流量為（702±2）mL和（1 825±2）mL的噴嘴測量計量桶的平均直徑分別為Φ75 mm和Φ110 mm。25℃室溫條件下，每毫升的滑油體積引起的液位變化平均分別為0.236 9 mm（0.234 1 mm～0.241 8 mm）和0.105 61 mm（0.104 89 mm～0.106 19 mm）。由于計量桶加工過程無法保證內(nèi)壁為理想的圓柱面，因此會產(chǎn)生凹凸不平，導(dǎo)致計量桶不均勻。人工刻度線通過多次重復(fù)向計量桶中倒入5 mL滑油標(biāo)定，即認(rèn)為人工刻度線是對應(yīng)的體積為計量桶的實際體積。傳感器讀數(shù)通過多次分段擬合得到，在不受到外界干擾情況下，傳感器讀數(shù)和人工刻度線十分接近。通過重復(fù)性實驗，重復(fù)性誤差在±20 mL/min以內(nèi)。

磁致伸縮液位傳感器測量的油位高度、使用文獻［8］中的溫度補償后的磁致伸縮液位傳感器測量的油位高度以及本文研究的圖像識別方法得到的油位高度對比如圖6所示。

由圖6可以看出，雖然磁致伸縮液位傳感器的分辨率很高，達到了0.02 mm，但是在80℃的油溫環(huán)境下，會產(chǎn)生極大的溫度漂移，在沒有經(jīng)過溫度補償處理的情況下，檢測結(jié)果偏離實際結(jié)果很遠，根本無法正常使用。使用文獻［8］中的溫度補償后的磁致伸縮液位傳感器測量的油位高度與實際油位高度比較接近，基本能夠滿足測量精度要求。而使用圖像識別技術(shù)得到的結(jié)果不受溫度影響，測量結(jié)果與真實值十分接近，能夠提高測量的精確性。

將傳感器與圖像識別的油位高度轉(zhuǎn)換成滑油噴嘴的流量值，結(jié)果見表1～表3所示。

實驗結(jié)果表明：人工讀數(shù)方法受人為因素影響，隨機性較強；沒有經(jīng)過溫度補償處理的情況下，傳感器測得的流量值遠超過試驗臺的檢測誤差范圍內(nèi)，無法滿足試驗要求。使用文獻［8］中的溫度補償后的磁致伸縮液位傳感器測得的流量值比較理想，能夠滿足試驗要求。使用圖像識別技術(shù)得到的流量值與標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流量值十分接近，因此，使用圖像識別技術(shù)的流量試驗臺的試驗結(jié)果與真實值最為接近，能夠有效提高檢測的精度和效率，降低試驗臺成本和測試人員的工作量，其試驗結(jié)果最為可靠。

圖6 測量的油位高度對比

表1 標(biāo)準(zhǔn)流量為702±2 ml的噴嘴實驗結(jié)果 單位：mL

表2 標(biāo)準(zhǔn)流量為1442±2ml的噴嘴實驗結(jié)果 單位：mL

表3 標(biāo)準(zhǔn)流量為（1825±2）mL的噴嘴實驗結(jié)果 單位：mL

4 結(jié)論

本文將圖像識別應(yīng)用于噴嘴流量測量系統(tǒng)中，對從噴嘴排出滑油體積進行自動識別，忽略掉溫度變化、傳感器精度等對測量精度的影響。通過圖像濾波、分割、刻度數(shù)字識別、刻度線識別以及油位識別實現(xiàn)對油位的自動測量。通過實驗結(jié)果表明，使用圖像識別技術(shù)的流量試驗臺的試驗結(jié)果與真實值最為接近，能夠有效提高檢測的精度和效率，降低試驗臺成本和測試人員的工作量，其試驗結(jié)果最為可靠。

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謝 苗（1980），女，遼寧大連人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為機械動力學(xué)分析及控制的研究，xiemiao1121@ 163.com；

謝春雪（1987-），女，遼寧大連人，博士生，主要研究方向為機械動力學(xué)分析及控制的研究，380357369@qq.com；

毛 君（1960-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機械動態(tài)設(shè)計及仿真、機電一體化研發(fā)方面的科研與教學(xué)工作。

劉治翔（1988-），男，博士生，遼寧大連人，主要研究方向為機械動力學(xué)分析及控制的研究，lzxcndl@163.com。

Nozzle Flow Test Bench Level Detection System Based on Image Recognition*

XIE Miao*，XIE Chunxue，MAO Jun，LIU Zhixiang
（School of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China）

Considering the use static volumetric method of nozzle flow test rig using the magnetostrictive liquid level sensor at room temperature with high temperature，but the temperature is higher than room temperature，will pro?duce great temperature drift can not guarantee the measurement precision of the test system.In this paper，the im?age recognition applications in nozzle flow measurement system，is discharged from the nozzle slide oil volume to carry on the automatic recognition of the ignore effects of temperature changes，and the sensor precision on the mea?surement accuracy.Through image filtering，segmentation，recognition，digital calibration scale line recognition and recognition level automatic measurement of oil level.By comparing the experimental method and the artificial reading，the magnetostrictive liquid level sensor and the temperature compensated sensor，the sensor readings were compared.The results show that using image recognition technology of flow test bench test results and real val?ues closest to the can effectively improve the detection accuracy and efficiency，reduce the workload of the test cost and test personnel and the test result is most reliable.

Nozzle flow test；magnetostrictive liquid level sensor；image recognition；level detection

V267.23

A

1004-1699（2016）11-1779-06

EEACC：7230G 10.3969/j.issn.1004-1699.2016.11.025

項目來源：遼寧省教育廳創(chuàng)新團隊項目（LT2013009）；遼寧省煤礦液壓技術(shù)與裝備工程研究中心開放基金項目（CMHT-201206）；遼寧省教育廳項目（L2012118）

2016-01-12 修改日期：2016-08-10