基于超高速攝像技術(shù)的外筒運(yùn)動(dòng)過(guò)程測(cè)試方法研究

肖 歐 左建立 王 迪

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械保護(hù)裝置性能考核試驗(yàn)中，失效瞬間旋轉(zhuǎn)機(jī)械外筒在能量傳遞中起到了關(guān)鍵的紐帶作用，并且外筒轉(zhuǎn)角是保護(hù)裝置效能考核的重要依據(jù)，其轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律能夠?yàn)槟芰總鬟f規(guī)律揭示提供直接依據(jù)。然而，旋轉(zhuǎn)機(jī)械失效瞬間時(shí)間較短且受已有試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)及條件的限制，一直未能通過(guò)有效的測(cè)試方法監(jiān)測(cè)到失效瞬間外筒的轉(zhuǎn)角和運(yùn)動(dòng)軌跡，影響測(cè)試的主要原因一方面是由于失效瞬間機(jī)器的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)高速瞬態(tài)過(guò)程，角速度等超出常用角位移傳感器的測(cè)量范圍；另一方面是由于失效時(shí)機(jī)器存在較大沖擊，使得一般的接觸式傳感器的安裝與測(cè)量均存在困難。在以往試驗(yàn)中僅是通過(guò)固定的記錄筆在白紙上描繪外筒轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試，該測(cè)試方法不能精確地得到外筒的具體轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并且不能清楚直觀地了解失效瞬間外筒的運(yùn)動(dòng)軌跡。本文基于超高速攝像技術(shù)，通過(guò)測(cè)試方法、觸發(fā)方式等試驗(yàn)設(shè)計(jì)、研究，建立了一套針對(duì)失效旋轉(zhuǎn)機(jī)械外筒運(yùn)動(dòng)過(guò)程的測(cè)試方法。與以往方法相比具有實(shí)時(shí)記錄，測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)無(wú)須二次處理等優(yōu)點(diǎn)。

1 外筒運(yùn)動(dòng)過(guò)程測(cè)試方法現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有測(cè)試方法原理

現(xiàn)有外筒運(yùn)動(dòng)過(guò)程測(cè)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(duì)位置固定。失效時(shí)，外筒表面紙張隨外筒運(yùn)動(dòng)，筆尖與紙張表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，紙張表面描繪出一條線段，試驗(yàn)后通過(guò)測(cè)量線段長(zhǎng)度換算后，便可得到對(duì)應(yīng)外筒轉(zhuǎn)動(dòng)角度。測(cè)試裝置實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 描繪法測(cè)試裝置實(shí)物圖

1.2 現(xiàn)有測(cè)試方法存在的不足

（1）測(cè)試結(jié)果無(wú)時(shí)間信息：無(wú)法記錄失效瞬間外筒運(yùn)動(dòng)具體時(shí)間。

（2）失效瞬間外筒運(yùn)動(dòng)過(guò)程不可見(jiàn)：無(wú)法直觀顯示失效瞬間外筒整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

（3）測(cè)量精度低：測(cè)試過(guò)程中測(cè)量精度受外界因素影響較多。

（4）數(shù)據(jù)需要后期二次處理，處理過(guò)程容易產(chǎn)生誤差。

2 高速攝像技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，無(wú)論高速攝像機(jī)的研制還是高速攝像技術(shù)本身，都有了很大的發(fā)展。目前已廣泛應(yīng)用于軍事科研領(lǐng)域和民用領(lǐng)域，如彈道、穿甲、爆破分析、交通監(jiān)控和材料特性等研究[1]。高速攝像測(cè)量技術(shù)采用非接觸式，攝像過(guò)程不會(huì)對(duì)拍攝目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)動(dòng)特性帶來(lái)任何干擾，測(cè)量結(jié)果可視、客觀、可信、精度高。通過(guò)前期調(diào)研，選取一款百萬(wàn)像素，滿幅速率拍攝時(shí)長(zhǎng)達(dá)3 s的高速攝像機(jī)。

3 測(cè)試方法設(shè)計(jì)

3.1 角位移測(cè)試要求

按照以往失效試驗(yàn)及分析的相關(guān)數(shù)據(jù)，裝架保護(hù)裝置考核試驗(yàn)中角位移時(shí)間歷程測(cè)試參數(shù)技術(shù)要求如表1所示：

表1 角位移測(cè)試參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)

3.2 角位移測(cè)量方法設(shè)計(jì)

由于失效瞬間具有短時(shí)性，很難直接從拍攝中直接得到失效外筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)失效后外筒逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)及以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在失效旋轉(zhuǎn)機(jī)械磁鋼座法蘭上設(shè)計(jì)了能夠與其一起轉(zhuǎn)動(dòng)的刻度標(biāo)尺。

為清晰了解具體轉(zhuǎn)動(dòng)角度，角度測(cè)量精度不能設(shè)置太高防止看不清，但設(shè)置太低可能不夠準(zhǔn)確，因此按照角度測(cè)量精度要求（1°）設(shè)置刻度分辨率為1°。

根據(jù)以往試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)角度范圍在（30°）以?xún)?nèi)，但由于以往試驗(yàn)角度測(cè)量準(zhǔn)確度相對(duì)較低，具體真實(shí)角度不明確，因此，刻度范圍設(shè)置了一定的富余量為45°防止角度超出估計(jì)值數(shù)據(jù)遺漏。垂直刻度間隔設(shè)為1 mm。

試驗(yàn)時(shí)，將1∶1打印的刻度標(biāo)尺粘貼在磁鋼座法蘭上。同時(shí)，在刻度標(biāo)尺前方設(shè)置相對(duì)地面固定的參考標(biāo)記。

3.3 鏡頭焦距選擇方法

為使試驗(yàn)布局更高效、合理，利用鏡頭視角與高速攝像機(jī)芯片尺寸的關(guān)系推導(dǎo)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(zhǎng)度之間的關(guān)系式。

設(shè)高速攝像機(jī)光軸與所拍目標(biāo)軌跡垂直且位于同一平面上，垂直距離L，拍攝軌跡橫向長(zhǎng)度為W，縱向高度為H，鏡頭焦距為f，高速攝像機(jī)成像芯片大小為a×b，鏡頭視場(chǎng)角計(jì)算原理示意見(jiàn)圖2[2]。

圖2 鏡頭視場(chǎng)角計(jì)算原理示意圖

由幾何關(guān)系可得焦距為f的鏡頭其市場(chǎng)角α計(jì)算式為：

從式（1）中可知，鏡頭的視場(chǎng)角大小與拍攝目標(biāo)距離無(wú)關(guān)，僅與鏡頭焦距及所用攝像機(jī)的成像芯片尺寸有關(guān)。

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(guān)系為：

根據(jù)這套算法要水平拍攝外筒運(yùn)動(dòng)軌跡，應(yīng)用現(xiàn)有PhantomV2010高速攝像機(jī)α=35.8 mm，拍攝水平距離為X3法蘭盤(pán)直徑W=224 mm，同時(shí)，考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及操作人員安全保持拍攝距離L≥1 m，計(jì)算得出應(yīng)選用鏡頭焦距f≥160 mm，按照焦距及現(xiàn)有鏡頭的類(lèi)型應(yīng)選用型號(hào)為70~200 mm的鏡頭。

3.4 觸發(fā)模式設(shè)計(jì)

觸發(fā)模式的選取決定以何種觸發(fā)方式開(kāi)始拍攝。其設(shè)置分為前置觸發(fā)、中間觸發(fā)和后置觸發(fā)3種模式[3]。

由于采用滿幅速率進(jìn)行拍攝，失效瞬間記錄數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，而存儲(chǔ)時(shí)間只有3 s，為了能夠有效利用這3 s的時(shí)間，保證準(zhǔn)確詳細(xì)的記錄失效外筒旋轉(zhuǎn)的整個(gè)過(guò)程，因此采用中間觸發(fā)的模式，設(shè)置為前1 s后2 s的方式來(lái)滿足試驗(yàn)需求。

失效試驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)較高，在實(shí)際操作中，為保證試驗(yàn)人員的安全，試驗(yàn)人員不可能在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，進(jìn)入試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)給高速攝像機(jī)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來(lái)進(jìn)行拍攝。那么就需要設(shè)計(jì)一種較為安全可靠的方法給高速攝像機(jī)提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。

根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，失效方式一般都采用槍擊法來(lái)進(jìn)行，研究其原理發(fā)現(xiàn)失效裝置所用的槍是通過(guò)供電的方式來(lái)進(jìn)行觸發(fā)的，結(jié)合高速攝像機(jī)的觸發(fā)原理，將其外部觸發(fā)線路并入槍的觸發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。這種觸發(fā)方法的設(shè)計(jì)有兩大好處：①信號(hào)穩(wěn)定，無(wú)須制作觸發(fā)裝置節(jié)約了一定的試驗(yàn)成本；②由于高速攝像機(jī)滿幅拍攝的時(shí)間較短，因此，將槍與高速攝像機(jī)進(jìn)行同步觸發(fā)，確保能夠拍攝到足夠的圖像。

4 測(cè)試應(yīng)用效果及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)基本情況

應(yīng)用該測(cè)試方法對(duì)4種不同力矩、彈簧尺寸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械保護(hù)裝置，開(kāi)展模擬失效考核試驗(yàn)。4次試驗(yàn)失效瞬間旋轉(zhuǎn)機(jī)械外筒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程均被高速攝像機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)角度，以其中一次拍攝結(jié)果為例，如圖3所示。

圖3 外筒轉(zhuǎn)動(dòng)角度

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

4.2.1 失效失效外筒運(yùn)動(dòng)過(guò)程

通過(guò)慢速回放對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械外筒的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，得到了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。外筒在轉(zhuǎn)子爆炸沖擊力作用下發(fā)生正向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角不斷增加，各部分損耗能量隨之逐漸增大；當(dāng)轉(zhuǎn)角最大時(shí)，拉壓桿對(duì)裝架橫梁的沖擊力也隨即達(dá)到最大，保護(hù)裝置吸收轉(zhuǎn)子爆炸能量份額也達(dá)到最大。而后，外筒發(fā)生回彈轉(zhuǎn)動(dòng)，橡膠彈簧彈性勢(shì)能又通過(guò)外摩擦和阻尼損耗掉。通過(guò)對(duì)高速攝像機(jī)所拍攝圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，總結(jié)出4次試驗(yàn)失效外筒運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程如表2所示。

表2 四次試驗(yàn)外筒運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程匯總

4.2.2 失效外筒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程角位移與時(shí)間關(guān)系

4次失效試驗(yàn)外筒運(yùn)動(dòng)過(guò)程角位移變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 角位移—時(shí)間關(guān)系曲線

由圖4可以看出，4次試驗(yàn)在相同的試驗(yàn)狀態(tài)下，試驗(yàn)失效外筒受失效能量沖擊發(fā)生旋轉(zhuǎn)并且運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致。最大轉(zhuǎn)角在20°左右，正轉(zhuǎn)段時(shí)間約3~4 ms；回轉(zhuǎn)階段四次試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相差較大。

5 結(jié)論

本文基于高速攝像技術(shù)，通過(guò)觸發(fā)方式設(shè)計(jì)和相機(jī)參數(shù)設(shè)置研究，建立了一套用于精確捕捉、記錄旋轉(zhuǎn)機(jī)械失效運(yùn)動(dòng)的測(cè)試方法，解決了利用高速攝像技術(shù)如何拍攝失效失效過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，獲得了清晰、準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，解決了以往試驗(yàn)中一項(xiàng)技術(shù)難題。