[发明专利]旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统及方法、图像处理程序

权利要求书

1.一种旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统，其特征在于，包括图像采集器、图像采集卡、图像处理单元；所述图像采集器用以采集旋转叶片叶尖部分与机匣的实时图像，并传输至图像采集卡；所述图像采集卡用于将接收到的信号转换为数字信号，并传输至图像处理单元；所述图像处理单元用于对接收到的图像进行图像处理与计算，同时得出被测旋转叶轮叶尖间隙与叶片转速；

所述图像处理单元包括图像采集与预处理模块、转速测量模块、间隙测量模块；所述图像采集与预处理模块将图像采集器采集到的每一帧RGB图像转换为灰度图像，并取特定像素点在每一帧灰度图像中的灰度值与图像采集与预处理模块接收到该帧灰度图像的时间组成数据队列，并将此数据队列发送到转速测量模块；所述转速测量模块对接收到的数据队列进行处理和计算，获取旋转机械的转速值；所述图像采集与预处理模块实时监听图像采集与预处理模块与转速测量模块之间的通信，当灰度值突变时，通信队列触发，图像采集与预处理模块将当前采集到的单帧灰度图像发送到间隙测量模块；所述间隙测量模块对接收到的单帧灰度图像进行处理和计算，得出间隙的物理宽度。

2.根据权利要求1所述的一种旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统，其特征在于，所述图像采集器的采样频率满足香农采样定理，即每秒至少可采集帧图像，其中N为旋转机械的转速，X为旋转机械上安装的叶片数。

3.根据权利要求1所述的一种旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量系统，其特征在于，所述图像处理单元还包括图像显示模块；所述图像采集与预处理模块实时传输采集到的图像至图像显示模块，所述转速测量模块将计算得出的转速值发送到图像显示模块，所述间隙测量模块将计算得出的间隙物理宽度发送到图像显示模块；所述图像显示模块显示包含间隙位置、物理宽度，转速信息的视频图像。

4.一种基于权利要求1所述系统的旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：所述图像采集器标定间隙的物理宽度与间隙宽度的像素值之间的对应关系，得到标定信息；

步骤2：所述图像采集器采集旋转叶片叶尖部分与机匣实时图像，并传输至图像采集卡；

步骤3：所述图像采集卡将接收到的信号转换为数字信号，并传输至图像采集与预处理模块；

步骤4：所述图像采集与预处理模块将图像采集器采集到每一帧RGB图像转换为灰度图像，并取特定像素点在每一帧灰度图像中的灰度值与图像采集与预处理模块接收到该帧灰度图像的时间组成数据队列，并将此数据队列发送到转速测量模块；

步骤5：所述转速测量模块对接收到的数据进行处理和计算，获取旋转机械的转速值；

步骤6：图像采集与预处理模块实时监听图像采集与预处理模块与转速测量模块之间的通信，当灰度值突变时，通信队列触发，图像采集与预处理模块将当前采集到的单帧灰度图像发送到间隙测量模块，所述间隙测量模块对接收到的单帧灰度图像进行处理和计算，得出间隙宽度的像素值，然后图像采集与预处理模块访问所述图像采集器获得标定信息，找到间隙宽度的像素值对应的间隙的物理宽度，从而得出间隙的物理宽度。

5.根据权利要求4所述的一种旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量方法，其特征在于，步骤5中所述转速测量模块计算转速的步骤包括：

步骤5.1：设定每T时刻更新一次转速值，将图像采集与预处理模块发送的数据队列分隔为时间长度为T的数组[(h_a,t_a),(h_a+1,t_a+1),…,(h_b,t_b)]，其中t_b-t_a≈T；a和b分别表示数据队列中第一个和最后一个数组的下标；

步骤5.2：将上述数组中的灰度值提取，组成灰度数组[h_a,h_a+1,…,h_b]；

步骤5.3：取采样时间为对灰度数组进行快速傅里叶变换，并提取最大幅值对应的频率f；

步骤5.4：根据频率f与叶片数X得出转速值N，

6.根据权利要求4所述的一种旋转机械叶尖间隙与叶片转速综合测量方法，其特征在于，步骤6中所述间隙测量模块计算叶尖间隙的物理宽度的步骤包括：

步骤6.1：对单帧灰度图像进行降噪处理，得到信噪比较高的图像；

步骤6.2：对图像进行边缘提取，得到边缘图像；

步骤6.3：对边缘图像进行Hough变换，不断提高Hough变换的阈值，直至Hough变换仅返回两条平行或近似平行的直线；

步骤6.4：根据Hough变换返回的直线信息，计算间隙的像素值；

Hough变换返回直线的信息：[[d_l1,θ_l1],[d_l2,θ_l2]]，

d为截距，单位为像素值，θ为角度；下标l1为第一条直线，下标l2为第二条直线，

则像素值为：

其中：Δθ＝θ_l1-θ_l2；

步骤6.5：根据所述标定信息找到间隙的像素值对应的间隙的物理宽度，即得出间隙的物理宽度。