（机械电子工程专业论文）往复式磨损试验机视频监控系统的设计与实现.pdf

摘要 在现代社会生产中磨损是造成机器设备使_ l ：| j 性能老化主要因素，也是影响其使用寿命和l 可靠性的主要原因。多年来如何最大程度的减少磨损所带来的资源的浪费这一问题一直倍受 关注。因此，若想找到一个行之有效减少磨损的方法，对磨损状况的监控是必不可少的。 课题以往复式往复式磨损试验机为监控对象，采用德国b a s l e r a 3 0 1 fj ：业高速c c d 摄 像机对其磨损试件表面进行实时图像采集。针对本控制系统，给出一种校正系统时间偏差延 时电路，7 4 l s l 6 0 十进制计数器、5 5 5 定时器等器件和数字电子技术完成电路的设计，并给 出了i b 路中器件参数殴定的原则。 本文在以前研究的基础上，采用v c 控制c c d 摄像机拍摄：使i l ! | i e e e l 3 9 4 数据线作 为图像的传输线；选用漫反射光电开关作为传感器件，设计外部控制电路，实现其与计算机 的接口；构建了机械磨损高i 帧速监控的一体化视频监控系统。 根据所构建的系统，进行了实际的试验，实现了对监控对象时实的监控，并实现了对产 生时间偏差的情况下的自我校正，验证了所构建的试验系统的可行性。 关键词： c c d ：高速摄像机；视频监控系统：光电开关 a b s t r a c t i nt h em o d e r ns o c i e t y ，w e a r i n gi so n eo fi h ep r i n c i p l er e a s o nw h i c hc a u s et h ed e c l i n a t i o no f t h em a c h i n ep r o p e r t i e sa n di n f l u e n c et h eal i f e s p a na n dr e l i a b i l i t yo ft h em a c h i n e h o w e v e r , h o w t of i n dae f f e c t i v em e t h o dt od e c r e a s et h er e s o u i c ew a s t ei sf o l l o w e dw i t hi n t e r e s t t h e r e f o r e i ti s n e c e s s a r yt om o n i t o rt h ew e a r i n gs u r f a c ei no r d e rt of i n d av a l i dw a yt od e c l i n et h ew e a r i n g c o n s e q u e n c e ， o nt h i sl a s kur e c i p r o c a t i n gw e a r i n g t e s tm a c h i n ea st h es u p e r v i s e da n dc o n t r o l l e do b j e c t ， a d o p t i n gt h ei n d u s t r i a lt o ps p e e dv i d e oc a m e r ao fc c do fg e r m a nb a s l e r a 3 0 l ft oc o l l e c tt h e r e a l t i m ep i c t u r eo ft h ew e a r i n gs u r f a c e i nt h i sp a p e r ，o n ed e l a ye l e c t r o - c i r c u i ti si n t r o d u c e dt o m e n ds y s t e mt i m ee r r o r s d e s i g no ft h ee l e c t r o c i r c u i td e p e n d so nd e v i c e ss u c ha s7 4 l s l 6 0 d e c i m a ls y s t e mc a l c u l a t i o na n d5 5 5t i m e r ，t o g e t h e rw i t hd i g i t a le l e c t r ot e c h n o l o g y ，i na d d i t i o n ， p r i n c i p l et os e tp a r a m e t e r si ne l e c t r o - c i r c u i th a sb e e nd e s c r i b e d t h eu n i o no fc o n v e r s i o nt o m e a s u r et oe m u l a t i o nf a c et h et i n ym a c h i n ef e e d t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ef o r m e rs t u d y ，a n dt h ep r o g r a mw h i c hc a nc o n t r o lt h ev i d e oc a m e r a o ft h ec c ds y n c h r o n o u s l yi s d e v e l o p e d w i t hv cl a n g u a g ei n t h i s s t u d y ，ar e f l e c t i v e l i g h t - e l e c t r i c i t y s e n s o ri sa d o p t e dt o b r i n gc o n t r o ls i g n a l t h et r i g g e rc i r c u i tw i t hm o n o s t a b l e s t a t u si si n t r o d u c e di no r d e rt ot r a n s f o r mt h ea n a l o g i c a ls i g n a li n t ot h ed i g i t a ls i g n a l t h ed a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ec a m e r aa n dt h ep ci sc a r r i e do u tb yi e e e l 3 9 4d a t al i n e o p e r a t i n gt h er e a le x p e r i m e n ta c c o r d i n gt ot h ea c c o m p l i s h e ds y s t e m ，a n dr e a l i z i n gt or e a l t i m em o n i t o rt h eo b j e c t w h e nat i m ed e c l i n a t i o na p p e a r , t h es y s t e mc a nc o r r e c t i n gt h ee r r o rb y i t s e l f t h ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o nt e s ta n dv e r i f yt h ep r a c t i c a l i t yo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ：h i g hs p e e dv i d e oc a m e r a ：s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m o fv i d e o ：l i g h tb a t t e r ys w i t c h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导一i - 进行的研究i 作及取得的研究成果。尽我 二 所知，除了文中特n d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得中国农业大学或其他教育机构的学位或证| s 而使用过的材料。与我 - n j ：q ：- 的同志对本研究所做的任何贡献均已有：论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 诩务 时间：加口g 关于论文使用授权的说明 年加肠日 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许沦文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 翻存 导师签名： l 祠事萎 州司：加m i 年谚们日 时间：加口6 年6 月f 妇 1 1 研究背景 第一章绪论 机械视频i 氍控系统1 1 1 是机械没备安全防范系统的重要组成部分，是一种防范能力较强的 综台系统。机械视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而越来越受到重视。近年米，随着 现代科! 学技术的不断发展特别是刚络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高以及各种 实用视频信息处理技术的出现，机械视频监控技术也有k 足的发展，进入了全数字化的时代， 日茄受到人们的关注。 所谓“机械视频监控系统”就是对监控对象的监视。它是一种防范能力较强的综台管埋 系统。随这计算机技术、信号处理技术、图像处理技术的发展，机械视频监控技术也有了长 足的飞跃。 生产过程中的机械监控技术是实现现代自n _ - r - 高效率，高精度和计算机集成制造的关键技 术之一。国际生产： 程学会c i r p 在1 9 8 8 年提交的主题报告中指山，随着现代加一l 设备越 来越柔性化和自动化，生产过程监控也更具重大意义。1 9 8 9 年国际精密工程杂志的综述论 文也指出，要获得高的加：| 二精度，必须重视加工过程的监控技术。 机黼监控是通过掌握设备过去和现在运行中或基本不拆卸的情况下的状态量判断有关 异，j o 。一# 的原因及预洲对将米的影响，从而找出必要对策的技术。它是- - f q 综合性技术， 涉及传感及测试技术、电子学、信号处理、识别理论、计算机技术以及人工智能专家系统等 多门基础学科。 目前，机械监控已经跟随着不断更新的微电子技术和通信技术不断的发展着pj 而高速 摄像技术雨i 以其为核心高帧速视频系统已经逐步的在高速运动物体的图像信息采集和高速 公路监控、微颗粒运动分析等领域应用。但是，随着科技的发展和社会的需求，人们对监控 系统的智能化和可视化要求越来越高，而目前除了利用热、压力，噪声、振动等物理量进行 间接分析监控外，将高帧速摄像系统应_ e = i 于现代工程机械监控，直接获取监控对象表面图像 信息的却是少之又少，特别是在高速运动物体磨损监控、微颗粒运动、高速化学变化这些需 要直接获得物体图像信息的领域。也就是说基于高速摄像技术的机械视频监控系统还有待于 我们去开发。 机械监控是通过掌握设备过去和现在运行中或基本不拆卸的情况下的状态量，判断有关 异常或故障的原因及预测对将来的影响，从而找出必要对策的技术。 在现阶段，光机电一体化技术广泛的渗透到机械监控中。光机电一体化技术是激光技术、 微电子技术、计算机投术、信息技术与机械技术的交叉与融合诸多高新技术装备的基础。 他包括产品与技术两方面：光机电一体化技术是集光学、机械、微电子、自动控制利通讯技 术于一体的高科技产品，具有很高的功能干附加值：光机电一体化技术是指其技术原理和使 光机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。换言之，光机电一体化技术是以当代光电 子技术为先导、以先进制造技术为基础，融合微电子、白动化、计算机和信息管理等有关技 术而形成的综合性高新技术，是当今信息业与制造业的最佳结合点和发展方向。光机电一体 化技术以及装备是诸多发展领域的基础，是现阶段国【冠经济面临的重要课题驯发展的战略重 点。 1 2 发展现状 机械视频监控系统的发展大致经历了模拟视频监控和数字视频监控两个阶段”。模拟视 频监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加p c 机的多；! ! i ! 体管理和基于p c 机实现对矩 阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型。模拟闭路电视监控系统实际上就是许多 模拟监控设备的组合系统主要由“前端设备”和“终端控制设备”以及“信号传输介质” 三个部分组成，其中：前端殴需主要有摄像机、云台、解码器等，控制设备主要有切换矩阵、 画面分割器、监视器、控制键盘、录像机等。传输介质包括电缆、控制线等。随着微处理器、 微机的功能、性能的增强剥提高，多媒体技术的应f h ，系统在功能、性能、可靠性、结构方 式等方面都发生了很大的变化，视频监控系统的构成更加方便灵活、与其它技术系统的接口 趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟 的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，因此系 统尽管已发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存在，要满足更高的要求， 数字化是必由之路。随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展、数字视频 监控系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设备为核 心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频w e b 服务器为核心的视频监控系统。数字视频 压缩编码技术日益成熟，计算机的普及化，为基于p c 机的多媒体监控创造了条件【6 i 。这种 新型视频监控系统的迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅咀 其它传送器的模拟视频监控模式，其优越性主要表现在：p c 机的多媒体监控主机综合了视 频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功能，使系统结构大为简化；由于采用计算机网络技 术，数字多缫体远程网络监控不受距离限制：由于采用大容量磁盘阵刑存盘器或光龠存储器， 可以节省大量的磁带介质，同时有利于系统实现多媒体信息查询。 在现阶段，机械视频监控主要依赖于高速摄像技术的支持。高速摄像技术是1 9 世纪末 发展出现，在2 0 世纪取得飞速发展的一种光学技术。初；c i j 的摄像技术采用的物理器械和感 光元件，并使用感光剂使底片感光；上个世纪5 0 年代，、p 导体元件开始在摄像器材中被使 用，7 0 年代随着c c d ( 光电耦合器) 这种新型半导体材料的发明，和光电一体化技术的发 展，摄像技术取得了长足的进步。随着摄像投术的发展和各个行业的需求，高速摄像技术开 始进入人 的视野，到2 0 世纪末，c m o s 这种新的光电器件已经为高速摄像的发展提供的 更新型的发展空间。 从原理上阱，一睁j 运动物体特剐是高速运动物体的成像，都必须用高速摄像。高速摄像 在信息论中是这样定义的对于一个人眼无法跟随的高速流逝过程，高速摄像提供了一种耦合 的时空信息系列，其中空间信息用图像米表达，时问信息用拍摄频率来表达。 高速视频系统是能够以超过6 0 帧秒的速度： 作的视频系统。目前大多数高述视频系统 采用的摄像设备是高速c c d 摄像机。高速c c d 摄像机可获取人眼难以辨别的快速动态图 像。即使是家j = l ；| 视频相机，利用电子快门分解达1 1 0 0 0 0 秒的变化，也可实现每秒3 0 帧的 记录摄影。 在现阶段的各种机械视频监控系统中，火多是针对某一静态过程的监控，而对高速运转 的机器部件的实时的监控方面的研究却很少，所咀如何找到一种针对动态过程的监控方法是 很具有现实意义和应州价值的。 1 3 课题的研究意义 在机器系统中，机器构件的运动是最基本最重要的功能。机器构件之间的相对运动和接 触作用( 约束) 是通过摩擦副来实现的，j 司时也在摩擦副中两表面之间产生摩擦、磨损和润 滑等物理现象。机器除了要消耗很大一部分能量来克服摩擦阻力外，由于机器中的摩擦副往 往会较甲地损坏，相应的零部件( 易损件) 就需要定期更换。许多机器每年制造_ f ；| 于更换易 损件的钢材量与制造整机的相当。再加上制造、运输、存储、维修维护的费用以及维修时的 停机损失，构成了机器运行成本中很大的份额。据统计，汽车的维修赞用与燃料费川相当； 机器的失效报废有8 0 以上是由于磨损造成的，进口机械零件磨损设钎的零件磨损所造成的 经济损失经济高达数数亿美元，由于零件磨损寿命不高而造成的损失殴备停产，机械产品质 量差效率低的间接经济损失也是巨火的。因此，磨损是造成材料表面破坏的主要因素，也是 影响其使用寿命和可靠性的主要原因。多年来如何最大程度的减少磨损所带来的资源的浪费 这一问题一直倍受关注。因此，若想找到一个行之有效减少磨损的方法，对磨损状况的监控 是必不可少的。 机械监控是通过掌握设备过去和现在运行中或基本不拆卸的情况下的状态量，判断有关 异常或故障的原因及预测对将来的影响，从而找出必要对策的技术。它是一r j 综合性的技术， 涉及到传感器与测试技术、电子学、信号处理理论、计算机技术等多门学科，是对这些基础 理论的综合应蛸。 机械设备监控技术是以多门学科为依托，自成体系，发展十分迅速，取得了较大的经济 效益和社会效益。本课题以信号的控制平摩擦学理论为基础，采用理论分析和实验分析相结 合的研究方法，对往复式磨损实验机摩擦副表面进行实时的监控。 在以往的摩擦磨损试验中，主要是对试验结束以后的状况进行、处理、分析，这样往往 造成试验结果不够准确，试验周期睦，花费犬等缺点。本课题构建一个机械视频监控的高i 帧 频的数字图像系统，完成机械设备的磨损状况的可视化观测，实现对机械设备的实时监控， 为今后进一步研究所监控到的i 到像，找出磨损的原因打下基础。 1 4 课题的研究内容 本课题主要实现对磨损试验机导轨磨损状况的实时监控，旨在利用计算机辅助控制高速 摄像机来完成对往复式磨损试验机的实验： 件磨损状态的同步视频监控，形成一体化的机械 磨损状态的图像采集系统【5 j 。主要思想是利用传感器技术把非电量信息转化为模拟量信号， 然后把该信号转换为p c 可识别的数字信号，传送给微机中控制c c d 摄像机的稃序，利用 程序控制c c d 摄像机进行拍摄，采集监控对象的图像信息，通过通讯技术将图像信息传送 给微机，直接获得反映机械磨损状态的图像信息，以此来实现对监控对象状态的同步图像信 息采集。 由于机床运转时上件处于理想取像状态的时间是有一定的范围的，为了实现连续掇像同 步监控，需结合光机电一体化技术，剥高帧频数字图像系统进行寅时采集的同步控制，并提 高系统的精确性、可靠性和稳定性。设计方案是每当e 轮转动一周，即往复滑块往复运行一 次，即对导轨实行一次图形采集。根据以上所述的设计思想，本课题的研究内容主要由以下 儿部分组成： 1 、通过理论分析和实际相结合的方法，计算出试验中所要用到的各种仪器设备的具体 参数，选山最为适当的试验仪器。 2 、设计出往复式试验机的视频监控系统的各个模块，井根据试验的具体需要有机的结 台起来，构建起整个视频监控系统。 3 、通过所设汁的视频监控系统，实现对往复式磨损试验机摩擦副表面实时的监控，并 实现对在试验机转速发生改变时所引起的时间偏差的及时地校正。 4 ：詈垒些盔兰竺：! 兰竺兰三互三耋竺兰至釜翌兰竺2 釜兰生 第二章试验系统的总体方案设计 2 1 试验系统的监控对象 本课题的监控对象是一台往复式磨损试验机。为了完成对监控对象的分析与研究，需要 具蔷完善的监控技术和方法。对监控系统及试验机运行状况进行确切的分析，找出机器运行 过程中最易受到磨损的部位。这个问题是最基本的，也是最重要的。 图2 - 1 为往复式摩擦磨损试验机的结构原理图。表2 - 1 为往复式磨损试验机主要部件说 明。 图2 1 往复式磨损试验机结构原理图 表2 1 主要部件说明 序号名称序号名称序号名称 】 缸套式样 7 符合特性调节螺杆 1 3 导向支撑座 2 活塞环试样8调节螺母1 4缸套试样夹具棒 3活塞环夹具9导向滑块 4加载支撑横粱1 0 行程调节滑块 5加载横粱1 1飞轮 6 最大负载调节螺母 1 2 洲节电机 参j ! i 图2 。1 千表2 - 1 的说明，该磨损试验机通过旋转稠节螺钥将载荷加载到加载横梁上， 而加载横粱又直接作用在活塞上，活塞承受一定的压力，活塞上有活塞环，通过它与试什壁接 触，这样，加载在横粱上的：e j = j 就向下传给了活塞环，又由丁试验机在电动机的带动下，通 过曲柄近杆机构将旋转运动转化为活塞的往复直线运动，这样活塞环既有了压力又有了运 中国农业大学坝，l 。学位论文第二章视频系统的总体方案设计 动，活塞环就与试件壁之间产生了摩擦。此外，加载力的人小可以通过调节螺母来调节，从 而实现摩擦力大小的条件。在横粱上还有两个拉压传感器_ = j 于测量加载的载荷的大小。 试验机中通过发动机带动土轴，而b 轮又套在主轴上，飞轮叉通过运动副和连杆、活 塞相连，这样就利用了曲柄滑块机构的原理将主轴的圆周运动转化为活塞的往复行程运动， 从中不难看出，不管任何时刻、任何转述，活塞的往复行程运动与飞轮的旋转角度是一一对 应的，这就是试验机运行的最大特点。 本系统监控的是正常磨损状况下的轻微、中等及严重磨损表面。一般说来，在正常磨损 状况下，出现中等或严重磨损的情况是由于试件的工作状况发生了突然的改变。比如，润滑 油中携带的磨属或其他杂质、试件转速以及试件载荷的突然改变都会使磨损状态发生异常。 当磨损表面仅为轻微磨损时，如果能够及时地发现磨损程度的加速是由：l 作状况的突变而造 成的，那么，可以及时采用适当的措施使磨损的程度极大地降低。当该试件的被标识表面山 现异常状态时，在采集的图像上就会清晰的显现山来。 2 2 试验系统的实现方案 本课题所要拍摄的是往复式实验机导轨的磨损情况”，当导向滑块往复运动一次的时 候，用c c d 摄像机将导轨磨损后的表面状况拍摄下来。实验机的导向滑块是受飞轮的转动 米驱动的，因此要想确定导向滑块的位置，首先要确定飞轮运动的位置。导向滑块被连接在 飞轮的行程凋节滑块上，所以先要捕捉到行程调：仃滑块的位置。光电传感器首先对实验机的 行程调节滑块的位置进行确认，将采集到的信号作为整个系统的控制信号，这个信号经过处 理后转化成数字开关信号，将这个数字信号传给计算机后启动v c 程序来控制c c d 摄像机 进行摄像。由于实验机的运行速度是要改变的，因此会造成在改变速度厉c c d 摄像机无法 准确的抓拍到图像，因此要在c c d 摄像机摄像的同时，检验所拍摄到的图像是否为理想状 况。基于这种要求，本课题将在导轨的上方再安装一个光电传感器pj ，用该传感器检测的信 号作为本系统的同步控制信号，反馈到系统的信号处理端，通过控制系统控制信号的延时来 校正c c d 摄像的时间偏差，达到系统同步的目的。系统的总体方框图如图2 2 所示。 图2 - 2 系统的总体方框图 6 中国农业大学顶一i 学位论文第二章视频系统的总体方案戳汁 根据上述要求及系统的总体方框幽，将系统设汁成如下几个模块。 f11 用光电传感器对控制信 - 3 - 的采集 课题应用的光电开关是川来检测物体靠近、通过等状态的光电传感器。用传感器对摩擦 试验机进行监测，每当机床运行一周，试验机的行程调节滑块将光电传感器遮挡一r ，传感 器即发山一个脉冲信号，监控系统进行一次图像采集。因此，必须确定所监测的机床位置， 选择台适的传感器并对脉冲信号进行优化。 为了加强光电传感器采集到的信号的强度，就要对试验机的飞轮改进，可以在其上面安 装上一个扇形的挡板，这样就可以将运行时遮挡的时间得到延长，使得光电传感器发出的信 号宽度得到增强。 ( 2 ) 对控制信号的处理产生一点宽度和幅度的开关信号 t o l 从传感器传米的控制信号是没有经过任何处理的模拟信号。这种信号的形状受到机械运 动的速度的影响，当机械运动的速度较快的时候，产生的信号是比较窄的，用这种信号直接 去控制下一步的运行显然是不妥当的，因此必须对其进行适当的整形。本课题将采用单稳态 触发电路对其进行处理。在实现的时候，主要采_ | = j5 5 5 定时器组建成单稳态触发电路对信号 进行整形。 ( 3 ) 外围电路与计算机之间的通信 外围电路与计算机之间的通信采用p s 2 接1 2 1 ，该接v i 简单方便，很适用于本系统。c c d 摄像机与计算机之间的数据传输采用i e e e l 3 9 4 数据线该种数据线传输速度快，传送量大， 实时性好，并e 【可以直接给c c d 摄像机提供电源，因此也被广泛的适用在摄像机图像传输 中。 f 4 1 系统的同步控制 在本课题中设计同步电路米控制系统的同步控制是二i 常必要的。这是因为从传感器采集 到的信号到启动c c d 摄像机开始摄像的过程有一定的延时，并且延时时间在系统硬件一定 的状况下是不变的，但是随着往复式磨损实验机的运行速度的改变，控制信号的产生时间间 隔是随时改变的，这就会使c c d 摄像机在拍摄的时候产生时间错位这样就会使摄像机在 拍摄的时候被遮挡。为了实现当摄像机在拍摄产生时间错位的时候能够自动恢复到恰当的时 刻，就需要通过反馈控制信号来控制延时。本课题采用两片7 4 l s l 6 0 计数器、4 个异或门、 一个与非门来实现。反馈信号是利用一个与c c d 摄像机同步工作的光电传感器的信号米实 现的。该光电传感器与c c d 摄像机采用同一路一l 作信号，使二者同时开始j 【二作。当c c d 摄像机拍摄的时候刚好被遮挡，j l ! | j 光电传感器【! 王被遮挡，因此光电传感器就会产生一个反馈 信号，这个反馈信号通过计数器和若干逻辑门与系统的控制信号进行比较使得系统的控制 信号产生一位的延时，来校正c c d 摄像机摄像的时间。如果校正以后仍然被遮挡，则会继 续产生反馈信号米产生延时，啻到校正到没有遮挡为止。 该部分是整个系统的核心部分，它对保证系统正常工作起着至关重要的作州也是本课 题所要解决的重点年l | 难点问题。 ( 5 ) 用程序对c c d 摄像机控制拍摄 利j = ；iv c 程序控制c c d 摄像机进行拍摄，然后将拍摄到的圈像通过专硝数据线传输给 微机。首先要根据拍摄的环境及机械运转的迷度范同选择合适的c c d 摄像机、镜头及数据 中国农业大学坝l j 学位论文 笫一章视频系统的总体方案设计 传输线。 当v c 程序在p s2 接口传来的点击信号的驱动- f ： 作时，便可以控制c c d 摄像机进行 图像的采集与传输。 第三章试验参数设定的研究 31 试验机监控位置的选择 由于摩擦副表面的磨损程度受载荷、相对速度、温度等因素的影响使磨损表面成不均匀 分布，因此如何选择监控位置对系统的拍摄效果起着致关重要的作用。选择监控位置的原则 是找到最易受到磨损的位置，选择的依据为试验机模型雨i 磨损理论。 影响物体问磨损的因素有很多，包括摩擦副的材料、表面形态、润滑状况、环境条件， 以及滑动速度、载荷、一r 作温度等：r 作参数。当在摩擦副的材料、表面形态、润滑状况以及 环境条件等因素保持不变的情况下，我们主要考虑滑动进度、载荷、上作温度对摩擦副表面 磨损的影响。 图3 一l 为磨损试验机模型简图，由曲柄滑块机构构成。曲柄0 a 绕0 点作圆周运动，并 由连杆a b 带动滑块b 在水平面内往复运动。 以0 为坐标原点，o b 方向为x 轴正方向。设曲柄半径为r ，连杆长为f 。 图3 - 1 磨损试验机模型简固 假定曲柄o a 以角速度u 绕定轴0 逆时针匀速转动，通过连杆a b 使滑块b 沿直线进行平 动。蹬z a b o = n ，取坐标轴o x 如图所示，则滑块b 的运动方程为： x = rc o s u t + fc o so( 3 1 ) 为了消去式中的a ，注意到 fs i no=rs i n u t 假设初始时点a 在x 轴上，即t = o 时，点a 在x 轴上，因而 】 c o sa = ( 1 一s i n 2 ut ) i ( 3 - 2 ) 按马克洛林级数展开，得 ( 1 - 等s i n ac o t ) 吉= 1 一告s i n 2 u 。一孑r as i n d u t 一音s i n 6 u t ( 3 - 3 ) 因f i f f i , 常, l l r 火儿倍，取= 4 ，上式右端第三项已经小于蕊1 ，故在一般工程计算中，只取 展式的前两项，因而由( 3 3 ) 有 c o sa5 卜寺s i n 2 u2 ( 卜等) + 寺c o s 2 u t 代入式( 3 一1 ) ，可得滑块的位移 x2 ( 卜音) + rc 。s uc + 音c o s 2 u t ( 3 4 ) 9 中国农业入学坝：卜学位论文m 三章试验参数的设定与珂究 对时问求导，即得速度与加速度 x 2 ，u ( s n u t + 寺s i n 2 t ) ( 3 5 ) x = 一r0 2 ( c o s u t c o s 2 u t ) ( 3 6 ) 以点0 为坐标原点，则滑块在x 轴上的运动区间为( f r ，+ r ) 。 从速度表达式中可以看出，速度为基波分量与二次偕波分量的葺加，反映在迷度一时问 曲线上则如图3 2 所示。 图3 - 2 速度随时问变化曲线 从图3 - 2 可以看出措块的运动由频率为u 和2 u 的两个简谐运动所组成，是周期运动， 周划为t = 詈，即曲柄0 a n 动- - n n n 时间，但不是简谐运动。分析合成曲线可知在一个周 艄内有两个最小值点，即当t = 0 或t 2 詈时，反映到滑块上则为当滑块运动到x2 f r 或 x = f + r 时所达到的值，同时在个周期内还有两个最大值点，所出现的位置为曲柄即将 运动 和刚过誓的时候。 幽3 - 2 所反映的是往复滑块随时间变化的曲线，为了更清楚地反映往复滑块的运动规 律，下面引入时间密度函数t ( x 1 。 由( 3 一1 ) 式，及fs i na = rs i n ul 可得 ( x rc o s u t ) 2 + r 2s i n 2 u t = 2 即 x 2 2 x rc o s ut + r2 = f 2 ( 3 7 所以有 c o s u t - 奄笋 ( 3 8 ) 故时间t 关于位移x 的函数t ( x ) 可以表达为 t ( z ) = 吉a r cc o s 鼍笋 ( 3 9 ) l o 中国农业大学坝一i 学位论文 第三章 试验参数的眦定! ；，研死 定义时间密度函数t 0 ) 满足以r 两点 t ( x ) c ct 7 ( x ) = 石d t c m ) d x = l ( 3 _ 1 1 ) 对于，( x ) = a r c c o s x ，协) 一志 泰勒公式1 的表述如r ：如果函数f ( x ) 在含石。的某个开区间( n ，b ) 内具有直到( n + 1 ) 阶导数，即，d ”1 ( 口，b ) ，那么对于x ( 口，b ) ，有 ，( z ) = 厂( x 。) + ，+ ( x 。) ( x z 。) + 击， 。) ( z x 0 ) 2 + - + 击，n ( x 。) 一z 。) “+ r 。o ) ， r0 ) = 等等扛一x 。) “， ，( o ) = 专，( o ) = 一1 ，( 0 ) = o ，( o ) = 1 ，厂加( o ) = o ( n 为偶1 , 数59 ) ， - 1 =，) 1 1 = 3 ，7 ，1 l ，) 厂( x ) = 号一x + 圭z 3 一击z5 + + i 1 ，扣( o ) x “+ 尺。( 工) ( 3 1 2 ) ，7 扛) = 一志一1 + 击x 2 一扣4 + ”+ 志产( o ) z ”1 州。7 0 ) ( 3 一1 3 ) 厂7 0 ) 。一1 + j 2 ，其中x ( 一1 ，1 ) ( 3 1 4 ) ，“o ) 一x 一击x3 ，其中t ( 一1 ，1 ) ( 3 一1 5 ) ，“) o ( 3 1 6 ) 中国农业大学坝_ 上学位论文 第三章试验参数的设定与研究 对 _ 掣，它对x 的导数为赛# ，将其代入( 3 1 4 ) 式，可得到函数t 7 ) 的近 似表达式为 t 缸) = n 1 + 古+ 黄+ 并( 3 - 1 7 ) 对于时问密度函数t ( z ) 可近似的定义为 t ( x ) = 告 一1 + 寿+ 丽l + r + 并 ( 3 - 1 8 ) 币八( 3 1 1 ) 式相 c 告( _ 1 + 古+ 并+ 筹) 出= 1 整理有 告( 古一2 r ) 一警瞄一笔等仁= t 即 等兽+ 去+ 嬲= 1 所以可将( 3 一1 9 ) 式简化为 ! 型：! ! ：! ! ! ! 生尘一1 3 计俨一，2 1 1 解得 女= # 赛并知 由于 t7 0 ) o 所以有 k 式中 ，：镜头焦距 f = 百h d ( 3 3 2 ) v 和h ：c c d 靶面尺寸； d ：镜头到目标距离； 矿和：能看到晟大取像目标的尺寸 当焦距数值算出后，如果没有对应焦距的镜头是很正常的，这时可以根据产品目录选择 相近的型号，一般选择比计算值小的，这样视角还会大些。 3 、相对孔径：为了控制通过镜头的光通量大小，在镜头后部漩置了光阑( 俗称光圈) 。假定 光阑的有效孔径为d ，由于光线折射的关系，镜头实际的有效孔径为d ，则d 与焦距，之 比定义为相对孔径a ，即 a = 粤( 3 3 3 ) 通常用相对孔径的倒数来表示镜头光，即 f = 古 ( 3 - 3 4 ) f 称为光阉数，标注在镜头光阑调整圈上，其标值为1 4 ；2 ；2 , 8 ；4 ；5 - 6 ：8 等序列值， 按照x 。= 2 0 5 x 的规律变化。光阑每变化一档，视像亮度就变化一倍。f 值越小，光阉越 大，到达摄像机靶面的光通量就越大。 4 、视场角 镜头有一个确定的视野，所对视野的高度和宽度的张角称为视场角。由图3 7 可知，他 们的大小与焦距f 及摄像机c c d 的h 和v 有关。镜头的焦距f 越短，其视场角越大，或者 摄像机粑面尺寸h 或v 越大，其视场角越大。如果选择的视场角太小，可能会因出现监视死 角而漏监：反之视场角太大，会造成监视的主体面面尺寸太小，难以辨认，且画面边缘出现 畸变。因此，需根据具体的应刖环境选择视场角合适的镜头，以保证在不出现监视死角的隋 况下使士体面而大而清晰。 对丁视场角，水平方向的称为水平视场角，垂直方向的称为垂直视场角，视场角的大小 】9 ：里兰、业查兰竺：! ：兰竺兰兰兰三兰兰兰主鎏氅竺耋兰型：j 和焦距及摄像机c c d 的水平尺寸和垂直尺寸有关。有下列公式 o = 2 姆- 1 砉 ( 3 3 5 ) d 。= 2 喀1 孝 ( 3 3 6 ) 一般在产品说明二b 中给出的视场角是镜头成像尺寸与传感像面尺寸匹配 时的水平视场角的值。如果用于小规格的芯片，则视场角相应缩小。 二 图3 7 不同焦距镜头的视场角 5 、自动和手动光圈 镜头的光圈还有手动( m a n u a li r i s ) 秆1 自动光圈( a u t oir i s ) 之分，再配 合摄像头使_ = i ，手动光圈适合亮度变化不大的场合，它的进光量通过镜头上 的光圈环凋：肖，一次性调整合适为l e 。自动光圈镜头会随着光线的变化而自 动凋整，用于室外、入口灯光线变化大且频繁的场合。 掌握了镜头的性能参数后，应该结合实际的使用要求来合理地选抒合适的 光学镜头。在完成实际的要求后还要考虑其性价比，已达到最合理的选用。 下面是选择合理镜头的儿个主要步骤【”i 2 0 】： ( i ) 据掇像机c c d 的尺寸来选用恰当的成像镜头。 最好的镜头成像规格和摄像机c c d 的成像尺寸是一样的，即两者一致， 这样可以不变的使用镜头说明书上所列的参数。如果有特殊的要求或者需要， 要选择大规格镜头配小规格摄像机，则相应的参数要发生变化。 f 2 1 估算镜头的焦距。 在确定镜头焦距时，有以下五个因素：监控现场的大小；被摄物体的大小； 物距；焦距；c c d 靶面尺寸。 在镜头规格和c c d 成像尺寸规格一致的情况r ，使用公式( 3 3 1 ) 或( 3 3 2 ) 可以计算得山所需要的镜头焦距的大小。所选镜头的焦距应等于或小于( 尽 可能接近) 这两个值得最小值。 焦距选定后，镜头最适合的观测距离和范嗣就决定了，可以进一步比较选 择f 值，即光圈数的人小。镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值米 衡量，通光量与f 值的平方成反比列关系，f 值越小则光圈越大。 f 3 ) 镜头的安装接口。 所有的摄像机镜头都是螺纹口的，c c d 摄像机镜头的安装有两种：【业标 准，即c 安装座和c s 安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表 面的距离不同。c 安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是1 7 5 2 6 m m ；c s 安装座：特种c 安装，此时应该将摄像机前不用的垫圈取下再安装镜头。其 镜头安数基准面到焦点的距离是1 25 m m 。如果要将一个c 安装座镜头安装到 一个c s 安装座摄像机上时，则需要镜头转换器。 ( 4 ) 是否需要自动光圈镜头。 采用自动光圈镜头，对于下列应用情况时理想的选择。第一，在诸如太 阳光直射非常亮的情况f ，用自动光圈镜头可有较宽的动态范f 葡。第二：，要 求在亮光上因光信号导致的模糊最小时，应使用自动光圈镜头。 | 芏l3 - 8c c d 摄像机拍摄隋况示意图 图3 8 为c c d 摄像机拍摄情况的示意图。根据实际情况，设摄像机以6 0 倾斜进行拍 摄，取d = 7 2 r a m 已知取像目标的尺寸为v = 1 3 m m ，h = 5 0 r a m ，取i n c h 镜头规格，镜头到目 标距离d = 7 2 r a m 计算可得，= f v d 一1 9 9 m m 或，= 百h d 。6 9 r a m 。因此所选择的光学镜头在满 足小于所求值的最小值的前提r ，则焦距必须小于6 9 m m 。 由于整个试验都是在室内进行的，光线变化不大，没有太阳的强光，所以选用手动光圈 即可。 2 表3 - 3 几种镜头的技术参数 姚接焦距光罔数 视场伯( 水f ) 单位 型号 格 【二| f( f ) ， 上上 i 上 34 ( m m ) 3 2 1 28 + 96 8 8 4 666 4 + 4 8 48 * 3 636 + 2 7 手动光圈c c s 接口 h 1 2 1 4 c s 一3c s6 0f 14 1 6 c3 1 ) 42 2 81 70 h 0 6 1 2 f 1c6 0f 12 1 6 c 5 724 3 63 3 o m 0 5 1 8c4 8 f 1 8 1 6 c 1 3 8 09 8 07 26 5 42 v 5 0 1 81c5 00f i8 2 2 c】471 0 17 35 54 1 v 7 5 1 41 c 7 50f l4 2 2 c9 96 84 93 72 7 通过比较表3 - 3 列出的几种镜头的技术参数，本课题将选用i - 1 0 6 1 2 f i 型号的镜头可以满 足课题的要求。 第四章控制系统的设计 4 1 传感器的选择及信号采集 4 11 传感器简介 传感器【2 “是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量平lj 传输的信 号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是：恪物理量等信息转换成电信号输 ：【i 的。 传感器感受一种量井把它转换成另一种量，这种转换也可以看成是能量的转换，因此在 某些领域如生物医学工程等中，也称为换能器。 传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。在自动测量过程 或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指示或用以 控制执行机构。如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换 成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。 电子计算机应用于测量系统和控制系统时，也必须由传感器提供准确可靠的信息，如果 传感器的水平与电子计算机的水平不相适应，电子计算机便不能充分发挥应有的作爿j 和效 益。因此，传感器是测量、控制系统中的一种关键装置。 4 1 2 传感器的选择 由于殴计中所用的传感器是用来检测位置的，而常见的位置传感器有： 磁电式传感器：把被洲量转化成感应电动势的一种传感器。其特点就是使埘简便、结构 简单、但重量大，灵敏度不高。 霍尔传感器：利_ 珥；| 半导体的霍尔效应，产生霍尔电势，从而实现将被测参数转换为电压 量的变化。其特点就是灵敏度高，抗干扰性强，但价格昂贵。 光电传感器：结构简单，体积少、重量轻、功耗低、安全可靠、寿命长、灵敏度高、价 格便官。 本课题采用光电传感来采集控制信号。光电传感器是用来检测物体的靠近、通过等状态 的传感器。光电开关是由红外发射元件与光敏接收元件组成，检测距离可达数十米。 光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类 效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射r ，能使电子逸出物体表面。利用 这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二粪是内光电效应，即在光线照射 f ，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应， 即在光线作l | 下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电 池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长 是在可见光附近，包括红外波长和i 紫外波长。光l u 式传感器在机电控制系统中应川较多。 光电开关可分为两类：遮断型和反射型，如图4 - 1 所示。图a 中，发射器和接收器相对 安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外 线而产生一个电脉冲信号。反射型分为阿种情况：反射镜反射裂及被测物体反射型( 简称散射 型1 ，分别如图4 1 b 、图c 所示。反射镜反射型传感器单侧安装，需要调整反射镜的角度以 取得最佳的反射效果，它的检测距离不如遮断型。散射型安装最为方便，并且可以根据被检 测物上的黑白标记米检测，但散射型的检测距离较小。 通过上