基于超高速攝像技術的外筒運動過程測試方法研究

肖 歐 左建立 王 迪

（核工業理化工程研究院，天津300180）

0 引言

旋轉機械保護裝置性能考核試驗中，失效瞬間旋轉機械外筒在能量傳遞中起到了關鍵的紐帶作用，并且外筒轉角是保護裝置效能考核的重要依據，其轉動規律能夠為能量傳遞規律揭示提供直接依據。然而，旋轉機械失效瞬間時間較短且受已有試驗測試技術及條件的限制，一直未能通過有效的測試方法監測到失效瞬間外筒的轉角和運動軌跡，影響測試的主要原因一方面是由于失效瞬間機器的運動是一個高速瞬態過程，角速度等超出常用角位移傳感器的測量范圍；另一方面是由于失效時機器存在較大沖擊，使得一般的接觸式傳感器的安裝與測量均存在困難。在以往試驗中僅是通過固定的記錄筆在白紙上描繪外筒轉動軌跡的方法來進行測試，該測試方法不能精確地得到外筒的具體轉動角度，并且不能清楚直觀地了解失效瞬間外筒的運動軌跡。本文基于超高速攝像技術，通過測試方法、觸發方式等試驗設計、研究，建立了一套針對失效旋轉機械外筒運動過程的測試方法。與以往方法相比具有實時記錄，測量精度高，數據無須二次處理等優點。

1 外筒運動過程測試方法現狀

1.1 現有測試方法原理

現有外筒運動過程測試方法，利用紙張粘貼在外筒外表面，將鉛筆安裝在固定座上，使筆尖與紙張相對位置固定。失效時，外筒表面紙張隨外筒運動，筆尖與紙張表面發生相對運動，紙張表面描繪出一條線段，試驗后通過測量線段長度換算后，便可得到對應外筒轉動角度。測試裝置實物圖如圖1所示。

圖1 描繪法測試裝置實物圖

1.2 現有測試方法存在的不足

（1）測試結果無時間信息：無法記錄失效瞬間外筒運動具體時間。

（2）失效瞬間外筒運動過程不可見：無法直觀顯示失效瞬間外筒整個運動過程。

（3）測量精度低：測試過程中測量精度受外界因素影響較多。

（4）數據需要后期二次處理，處理過程容易產生誤差。

2 高速攝像技術簡介

近年來，無論高速攝像機的研制還是高速攝像技術本身，都有了很大的發展。目前已廣泛應用于軍事科研領域和民用領域，如彈道、穿甲、爆破分析、交通監控和材料特性等研究[1]。高速攝像測量技術采用非接觸式，攝像過程不會對拍攝目標的結構特性和運動特性帶來任何干擾，測量結果可視、客觀、可信、精度高。通過前期調研，選取一款百萬像素，滿幅速率拍攝時長達3 s的高速攝像機。

3 測試方法設計

3.1 角位移測試要求

按照以往失效試驗及分析的相關數據，裝架保護裝置考核試驗中角位移時間歷程測試參數技術要求如表1所示：

表1 角位移測試參數設計依據

3.2 角位移測量方法設計

由于失效瞬間具有短時性，很難直接從拍攝中直接得到失效外筒的轉動角度和運動情況，根據失效后外筒逆時針方向運動及以往試驗經驗，在失效旋轉機械磁鋼座法蘭上設計了能夠與其一起轉動的刻度標尺。

為清晰了解具體轉動角度，角度測量精度不能設置太高防止看不清，但設置太低可能不夠準確，因此按照角度測量精度要求（1°）設置刻度分辨率為1°。

根據以往試驗測量參數角度范圍在（30°）以內，但由于以往試驗角度測量準確度相對較低，具體真實角度不明確，因此，刻度范圍設置了一定的富余量為45°防止角度超出估計值數據遺漏。垂直刻度間隔設為1 mm。

試驗時，將1∶1打印的刻度標尺粘貼在磁鋼座法蘭上。同時，在刻度標尺前方設置相對地面固定的參考標記。

3.3 鏡頭焦距選擇方法

為使試驗布局更高效、合理，利用鏡頭視角與高速攝像機芯片尺寸的關系推導出不同幅面、不同鏡頭的視角，最后得出鏡頭焦距、物距和拍攝長度之間的關系式。

設高速攝像機光軸與所拍目標軌跡垂直且位于同一平面上，垂直距離L，拍攝軌跡橫向長度為W，縱向高度為H，鏡頭焦距為f，高速攝像機成像芯片大小為a×b，鏡頭視場角計算原理示意見圖2[2]。

圖2 鏡頭視場角計算原理示意圖

由幾何關系可得焦距為f的鏡頭其市場角α計算式為：

從式（1）中可知，鏡頭的視場角大小與拍攝目標距離無關，僅與鏡頭焦距及所用攝像機的成像芯片尺寸有關。

利用相似原理，水平可視范圍W、拍攝距離L和鏡頭焦距f的關系為：

根據這套算法要水平拍攝外筒運動軌跡，應用現有PhantomV2010高速攝像機α=35.8 mm，拍攝水平距離為X3法蘭盤直徑W=224 mm，同時，考慮現場環境及操作人員安全保持拍攝距離L≥1 m，計算得出應選用鏡頭焦距f≥160 mm，按照焦距及現有鏡頭的類型應選用型號為70~200 mm的鏡頭。

3.4 觸發模式設計

觸發模式的選取決定以何種觸發方式開始拍攝。其設置分為前置觸發、中間觸發和后置觸發3種模式[3]。

由于采用滿幅速率進行拍攝，失效瞬間記錄數據量相對較大，而存儲時間只有3 s，為了能夠有效利用這3 s的時間，保證準確詳細的記錄失效外筒旋轉的整個過程，因此采用中間觸發的模式，設置為前1 s后2 s的方式來滿足試驗需求。

失效試驗危險系數較高，在實際操作中，為保證試驗人員的安全，試驗人員不可能在試驗進行過程中，進入試驗現場手動給高速攝像機一個觸發信號來進行拍攝。那么就需要設計一種較為安全可靠的方法給高速攝像機提供一個觸發信號。

根據以往試驗經驗，失效方式一般都采用槍擊法來進行，研究其原理發現失效裝置所用的槍是通過供電的方式來進行觸發的，結合高速攝像機的觸發原理，將其外部觸發線路并入槍的觸發裝置實現同步觸發。這種觸發方法的設計有兩大好處：①信號穩定，無須制作觸發裝置節約了一定的試驗成本；②由于高速攝像機滿幅拍攝的時間較短，因此，將槍與高速攝像機進行同步觸發，確保能夠拍攝到足夠的圖像。

4 測試應用效果及結果分析

4.1 試驗基本情況

應用該測試方法對4種不同力矩、彈簧尺寸的旋轉機械保護裝置，開展模擬失效考核試驗。4次試驗失效瞬間旋轉機械外筒的運動過程均被高速攝像機成功記錄，能夠從拍攝圖像中清晰地得到失效外筒具體的轉動角度，以其中一次拍攝結果為例，如圖3所示。

圖3 外筒轉動角度

4.2 測試結果分析

4.2.1 失效失效外筒運動過程

通過慢速回放對旋轉機械外筒的轉動過程進行分析，得到了豐富的試驗數據。外筒在轉子爆炸沖擊力作用下發生正向轉動，轉角不斷增加，各部分損耗能量隨之逐漸增大；當轉角最大時，拉壓桿對裝架橫梁的沖擊力也隨即達到最大，保護裝置吸收轉子爆炸能量份額也達到最大。而后，外筒發生回彈轉動，橡膠彈簧彈性勢能又通過外摩擦和阻尼損耗掉。通過對高速攝像機所拍攝圖像進行數據分析后，總結出4次試驗失效外筒運動時間歷程如表2所示。

表2 四次試驗外筒運動時間歷程匯總

4.2.2 失效外筒的運動過程角位移與時間關系

4次失效試驗外筒運動過程角位移變化趨勢如圖4所示。

圖4 角位移—時間關系曲線

由圖4可以看出，4次試驗在相同的試驗狀態下，試驗失效外筒受失效能量沖擊發生旋轉并且運動趨勢基本一致。最大轉角在20°左右，正轉段時間約3~4 ms；回轉階段四次試驗運動趨勢相差較大。

5 結論

本文基于高速攝像技術，通過觸發方式設計和相機參數設置研究，建立了一套用于精確捕捉、記錄旋轉機械失效運動的測試方法，解決了利用高速攝像技術如何拍攝失效失效過程的關鍵技術，獲得了清晰、準確、可靠的試驗數據，解決了以往試驗中一項技術難題。