電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器高精度檢測裝置的研究

吳房勝，余華益，張 翔，陳業(yè)麗

WU Fang-sheng1, YU Hua-yi2, ZHANG Xiang3, CHEN Ye-li4

（1. 安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，合肥 230088；2. 安徽安凱福田曙光車橋有限公司，合肥 230051；3. 合肥美亞光電，合肥 230088；4. 安徽霍山縣與兒街中學(xué)，六安 237200）

0 引言

電動(dòng)機(jī)占我國電力損耗非常大，其能效檢測設(shè)備必不可少，而這種檢測設(shè)備主要是對轉(zhuǎn)速特性的檢測，即轉(zhuǎn)速傳感器。為確保準(zhǔn)確度，轉(zhuǎn)速傳感器自身的技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到精度要求還無法檢測。本文設(shè)計(jì)了一套設(shè)備，將嵌入式與數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)對中，保證連接同心度，其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳感器的精度，因此可用來檢測轉(zhuǎn)速傳感器是否達(dá)標(biāo)。

1 系統(tǒng)概述

本裝置如圖1所示，左側(cè)為驅(qū)動(dòng)部分，工業(yè)相機(jī)安裝在驅(qū)動(dòng)主軸上，電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；中間為自動(dòng)對中部分，相機(jī)拍攝圖片，進(jìn)行自動(dòng)對中并自動(dòng)聯(lián)接；右側(cè)為被測件安裝板，用來安放被測傳感器，伺服電機(jī)帶動(dòng)被測件安裝板，完成對中附件的精確移動(dòng)。自動(dòng)對中完成后，再將左側(cè)驅(qū)動(dòng)部分與右側(cè)被測部分自動(dòng)精確聯(lián)接，避免人為操作誤差。

對中附件如圖2所示，工業(yè)相機(jī)對附件中間小黑塊連續(xù)拍攝，進(jìn)行圖像采樣，將數(shù)據(jù)反饋給控制芯片，控制芯片確定對中位置與中心距的偏移，再控制對中附件上下，左右，旋轉(zhuǎn)等移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)對中。該附件為白色背景，中央為黑色矩形，控制芯片采用S3C2440，拍攝到圖像后，嵌入式采集卡采集相機(jī)拍攝的信息，將其傳給ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后利用伺服電機(jī)控制安裝板移動(dòng)的方向和位移。同時(shí)，ARM端口采集光電傳感器的信號(hào)，反饋給控制中心，然后不間斷比較實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的差值，不停的向伺服電機(jī)發(fā)出指令，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，形成一個(gè)閉環(huán)控制，直到實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。最后比較驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速與被測傳感器上顯示的轉(zhuǎn)速的差值，如差值大與規(guī)定值，為不合格產(chǎn)品。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 對中附件

2 基本理論

2.1 轉(zhuǎn)速的測量

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速測量時(shí)，光電編碼圈安裝在驅(qū)動(dòng)主軸上，驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)光電編碼圈一起旋轉(zhuǎn)，光電編碼圈上的凸齒切割光電轉(zhuǎn)速傳感器的紅外線。每通過一個(gè)凸齒，傳感器記錄一個(gè)脈沖。脈沖信號(hào)送到控制芯片，ARM芯片結(jié)合時(shí)間參數(shù)和收到的信號(hào)數(shù)量計(jì)算當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速。根據(jù)指標(biāo)要求，最高轉(zhuǎn)速6000r/min和不確定度0.03%，將光電編碼圈分成30等份，根據(jù)f = n×N (f為信號(hào)頻率；n為轉(zhuǎn)速，單位為r/second；N為光電編碼圈分度值)，可得信號(hào)頻率最高3KHz，故選擇SICK公司的WF5T-B4210。

2.2 數(shù)字圖像處理

在拍攝系統(tǒng)中，利用工業(yè)相機(jī)將靜止或運(yùn)動(dòng)的對中附件圖像拍攝下來。在圖像采集、傳輸時(shí)，不可避免地受到外界甚至人為因素的影響，使得所拍的對中圖像效果不理想。為消除這些噪聲干擾，本裝置采用領(lǐng)域平均法對圖像濾波。數(shù)學(xué)公表達(dá)為：式中，f (m, n)為給定的噪聲圖像，g (x, y)為領(lǐng)域平均處理后的圖像。濾波后，再對圖像邊緣檢測，突出邊緣信息，以利于機(jī)器識(shí)別。本系統(tǒng)采用Sobel算子對附件圖像進(jìn)行邊緣檢測。該算子是以圖像中某一個(gè)像素為中心， 截取一個(gè)3×3像素的窗口，然后分別計(jì)算窗口像素在水平和垂直方向上的偏導(dǎo)。

本裝置采用ARM,其處理能力不如電腦，對圖像分割時(shí)，提出了一種簡單的基于圖像邊緣的分割法。算法如下：由于圖片背景只有黑白兩種顏色，對比度相當(dāng)明顯，所以首先利用邊緣檢測技術(shù)，對圖像進(jìn)行二值化處理，通過迭代運(yùn)算得到圖像的平均灰度值，再將平均灰度值作為閥值，大于閥值的像素點(diǎn)為圖像邊緣，灰度值設(shè)定為255，小于或等于閥值的像素點(diǎn)灰度值設(shè)定為0，這樣就可將邊緣圖像分離出來。

圖像數(shù)字處理后，即開始自動(dòng)對中，在圖2中，如果黑色方塊不在相機(jī)拍攝范圍的中心位置，并與拍攝范圍的邊界有一角度。為將黑色方塊精確移到拍攝中心區(qū)域，先驅(qū)動(dòng)控制轉(zhuǎn)角的電機(jī)進(jìn)行角度校正。等到圖像兩邊界線與拍攝區(qū)域兩邊界線分別平行時(shí)，計(jì)算黑色校正方塊四條邊界離拍攝區(qū)域相對應(yīng)的四條邊界的垂直距離，采樣的距離長度以及移動(dòng)的位移可以按一個(gè)像素（0.005mm）為單位進(jìn)行計(jì)算，再利用水平方向電機(jī)與垂直方向電機(jī)進(jìn)行左右和上下位置的調(diào)整，使黑色矩形方塊和拍攝區(qū)域的左右邊距相等，上下邊距也相等，最終完成高精度自動(dòng)對中。

3 軟硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件采用ARM芯片S3C2440，主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測、自動(dòng)對中和界面顯示與操作等功能。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化、子程序化，便于程序的調(diào)試、移植和修改，主流程如圖4所示。

圖3 硬件框圖

圖4 主流程圖

4 測量結(jié)果

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先采集附件上的原始圖片，如圖5所示。從圖中可看出，圖像不在視頻范圍的正中央，左邊界距離小于右邊界距離，上邊界距離小于下邊界距離，角度上也有一定程度的偏差。采集到對中附件圖片后，對圖片進(jìn)行數(shù)字圖像處理，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對中，對中后的圖片如圖6所示。對中后，圖像左右邊、上下邊距均相等，角度偏差為零，完成了附件圖片的中心線與驅(qū)動(dòng)部分的中心線相重合，達(dá)到精確自動(dòng)對中功能。其測試界面如圖7所示。

圖5 原始圖片

整體速度測定方面，技術(shù)指標(biāo)要求測量裝置的轉(zhuǎn)速特性的準(zhǔn)確度等級應(yīng)等于或高于±0.03%FS。測試結(jié)果如下：電機(jī)測量范圍：（3006000）r/min；轉(zhuǎn)速不確定度：0.019%；自動(dòng)對中能力：0.08mm，測量范圍寬，自動(dòng)對中精度高，滿足檢測需求，符合國家檢定標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 測試界面

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