謝 苗，謝春雪，毛 君，劉治翔

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

基于圖像識(shí)別的噴嘴流量試驗(yàn)臺(tái)油位檢測(cè)系統(tǒng)*

謝 苗*，謝春雪，毛 君，劉治翔

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

考慮到使用靜態(tài)容積法的噴嘴流量試驗(yàn)臺(tái)采用的磁致伸縮液位傳感器在常溫下具有較高的溫度，但是溫度高于常溫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大溫度漂移無法保證試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量精度，本文將圖像識(shí)別應(yīng)用于噴嘴流量測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)從噴嘴排出滑油體積進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，忽略掉溫度變化、傳感器精度等對(duì)測(cè)量精度的影響。通過圖像濾波、分割、刻度數(shù)字識(shí)別、刻度線識(shí)別以及油位識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)油位的自動(dòng)測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)方法與人工讀數(shù)、磁致伸縮液位傳感器讀數(shù)以及溫度補(bǔ)償后的傳感器讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，使用圖像識(shí)別技術(shù)的流量試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)值最為接近，能夠有效提高檢測(cè)的精度和效率，降低試驗(yàn)臺(tái)成本和測(cè)試人員的工作量，其試驗(yàn)結(jié)果最為可靠。

噴嘴流量試驗(yàn)；磁致伸縮液位傳感器；圖像識(shí)別；油位檢測(cè)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常通過控制滑油噴嘴的流量來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上需要冷卻和潤滑的零件的滑油流量。滑油噴嘴不僅要按照要求保證其正確地安裝，還需要保證滑油有足夠的噴射速度，一般滑油的供油壓力在0.24 MPa～0.48 MPa之間，這樣滑油才能夠穿越其內(nèi)部選擇的縫隙噴射到規(guī)定部位零件，對(duì)其進(jìn)行潤滑和冷卻。精確測(cè)量航空潤滑系統(tǒng)中滑油噴嘴流量是提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性的必要任務(wù)之一。及時(shí)對(duì)潤滑系統(tǒng)中的滑油噴嘴進(jìn)行檢測(cè)，不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而有目的的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維修和較為準(zhǔn)確的更換損傷部件，消除由于滑油噴嘴流量不足而引起的發(fā)動(dòng)機(jī)事故所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，并確保飛行員的安全。因此，發(fā)展相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)和設(shè)備是提高滑油潤滑系統(tǒng)質(zhì)量的必然要求［1-2］。

各方面專家學(xué)者對(duì)于如何提高試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量精度作出了深入研究。文獻(xiàn)［3］中使用變頻矢量控制方法對(duì)航空液壓泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制，從而提高航空液壓泵測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性；文獻(xiàn)［4］針對(duì)流量試驗(yàn)臺(tái)的恒壓供油方法進(jìn)行研究；文獻(xiàn)［5］使用帶回歸系數(shù)補(bǔ)償方法，從而消除滑油泵轉(zhuǎn)速、出口壓力等對(duì)流量測(cè)試的影響；文獻(xiàn)［6］對(duì)航空泵流量測(cè)試系統(tǒng)中的溫度控制算法進(jìn)行研究，使用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)恒溫控制，保證流量測(cè)試過程中，溫度始終溫度在設(shè)定范圍內(nèi)；文獻(xiàn)［7］對(duì)流量測(cè)量系統(tǒng)中的換向閥的啟閉特性進(jìn)行研究，提出一種換向閥啟閉補(bǔ)償時(shí)間提高測(cè)量精度。

本文研究的噴嘴流量測(cè)量系統(tǒng)通過靜態(tài)容積法測(cè)量噴嘴的流量值，即測(cè)得一定條件下，單位時(shí)間通過噴嘴排出滑油體積測(cè)算出該測(cè)試噴嘴的流量值。因此，測(cè)量體積的傳感器的精度會(huì)直接影響到測(cè)量的精度，磁致伸縮液位傳感器是一種高精度傳感器，在常溫下具有非常高的測(cè)量精度和分辨率，但是溫度高于常溫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度漂移，文獻(xiàn)［8-9］針對(duì)航空泵流量測(cè)試系統(tǒng)中的磁致伸縮液位傳感器的溫度補(bǔ)償方法進(jìn)行研究，保證流量測(cè)試的精度；但是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟件方法對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，前期工作量大，需要采集大量數(shù)據(jù)，同時(shí)，如果調(diào)整使用的環(huán)境和設(shè)備，則需要重新進(jìn)行標(biāo)定。

以上文獻(xiàn)提到的提高試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量精度方法，仍然采用間接測(cè)量方法，本文將圖像識(shí)別應(yīng)用于噴嘴流量測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)從噴嘴排出滑油體積進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，忽略掉溫度變化、傳感器精度等對(duì)測(cè)量精度的影響，屬于直接測(cè)量方法，測(cè)量精度高于間接測(cè)量方法。

1 流量測(cè)量系統(tǒng)組成

本文研究的噴嘴流量測(cè)量系統(tǒng)通過靜態(tài)容積法測(cè)量噴嘴的流量值，即測(cè)得一定條件下，單位時(shí)間通過噴嘴排出滑油體積測(cè)算出該測(cè)試噴嘴的流量值。常規(guī)的流量測(cè)量系統(tǒng)組成簡(jiǎn)化為圖1所示。系統(tǒng)主要由被測(cè)試噴嘴、液壓泵、驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、調(diào)壓系統(tǒng)、計(jì)量桶、磁致伸縮液位傳感器以及氣動(dòng)換向閥［10］等組成。

圖1 傳統(tǒng)的流量測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)通過人工讀取計(jì)量游標(biāo)刻度記錄計(jì)量桶內(nèi)的滑油體積，轉(zhuǎn)換為噴嘴流量值。通過使用安裝于計(jì)量桶內(nèi)高精度磁致伸縮液位傳感器測(cè)量計(jì)量桶內(nèi)的滑油體積，提高測(cè)量精度和效率，降低測(cè)試人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

本文研究的測(cè)量系統(tǒng)，使用高分辨率工業(yè)CCD相機(jī)對(duì)計(jì)量游標(biāo)和計(jì)量桶內(nèi)油位進(jìn)行識(shí)別，使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降平臺(tái)，使相機(jī)始終與游標(biāo)垂直。系統(tǒng)組成簡(jiǎn)化為圖2所示。

本文研究的試驗(yàn)臺(tái)能夠測(cè)試多種型號(hào)噴嘴，一般最多同時(shí)測(cè)量2個(gè)噴嘴流量，因此僅需要至多兩個(gè)直角坐標(biāo)動(dòng)作機(jī)構(gòu)配合鏡頭即可。另外，高精度磁致伸縮液位傳感器價(jià)格不菲，如果將每個(gè)計(jì)量桶中傳感器換成兩套自動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)，反而能夠降低試驗(yàn)臺(tái)造價(jià)。

圖2 基于圖像識(shí)別的流量測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 基于圖像識(shí)別的油位檢測(cè)

對(duì)油位圖像進(jìn)行識(shí)別時(shí)，處理流程如圖3所示。主要進(jìn)行圖像預(yù)處理（濾波、分割）、刻度數(shù)字識(shí)別、刻度線識(shí)別以及油位識(shí)別［11］。

3.2.3 定植 早春茬定植時(shí)間選擇晴天上午，秋延茬定植時(shí)間選擇晴天下午5點(diǎn)以后或陰天。每壟兩行，株距40～50 cm，行距40 cm，行間距80～90 cm，保苗33 000～42 000株/hm2。定值前覆膜的，破膜移栽，定植后迅速澆透定植水。

圖3 油位圖像識(shí)別處理流程

2.1 油位圖像預(yù)處理

油位圖像在實(shí)際獲取過程中，會(huì)受各種因素影響而產(chǎn)生噪點(diǎn)，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行濾波去噪處理。本文使用3×3濾波窗口的中值濾波技術(shù)進(jìn)行油位圖像的濾波去噪處理。中值濾波技術(shù)將某點(diǎn)的數(shù)值使用鄰域點(diǎn)中值代替，具體描述為：

式中：a，b，c，…表示某點(diǎn)（x，y）和鄰域的灰度值。

為了提高圖像識(shí)別效率，需要使用圖像分割技術(shù)分割圖像，以便于在識(shí)別刻度數(shù)字和刻度線時(shí)只在刻度尺上進(jìn)行搜索，而在識(shí)別油位高度時(shí)僅對(duì)油位管進(jìn)行搜索。分割方法為：采集到像素為M×N的圖像，選取任意一行并按照下列公式求取Gm，當(dāng)Gm得到最小值其所對(duì)應(yīng)的m即為刻度尺的最左邊緣。再已知刻度尺寬度即可值刻度尺的圖像區(qū)域，完成分割。

式中：d表示刻度尺寬度；f（x，y）是刻度尺圖像灰度；N表示圖像寬度［12］。

2.2 刻度數(shù)字識(shí)別

本文使用模板匹配的方法進(jìn)行刻度數(shù)字的識(shí)別。待識(shí)別的刻度數(shù)字圖像為A，用于識(shí)別的模板為B，將待識(shí)別圖像與模板圖像進(jìn)行匹配。設(shè)匹配過程中，原始圖像A被模板圖像B覆蓋部分為BA（i，j），然后對(duì)比模板B以及BA（i，j）的相似度。設(shè)定 D（i，j）為模板 B和 BA（i，j）的累計(jì)誤差：

歸一化互相關(guān)函數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)γ（i，j）為：

如果γ（i，j）為1，則說明對(duì)比模板B以及BA（i，j）的相關(guān)性最大，否則γ（i，j）小于1［13］。

2.3 刻度線識(shí)別

利用刻度線灰度值處于低灰度區(qū)域這一灰度特征進(jìn)行刻度線的識(shí)別。識(shí)別方法主要是利用了刻度線圖像出現(xiàn)灰度跳變，使用一階微分算子對(duì)刻度線位置進(jìn)行識(shí)別：

首先，在刻度線區(qū)域使用下列方法開始行掃描，并求出第I行的灰度和MI。

式中：L表示刻度尺左邊緣；D表示求和區(qū)域?qū)挾取?/p>

其次，使用差分運(yùn)算求取MI各行灰度和梯度DI以及其平均值A(chǔ)。然后，抽取各個(gè)大于平均值A(chǔ)的梯度DI并進(jìn)行排序。最后，去除不滿足相鄰梯度DI之間 I＞0這一條件的梯度。得出刻度線點(diǎn)集K{pt[x y]T}，x為刻度尺左邊緣L，y為DI的I值［14］。刻度線識(shí)別如圖4所示。

圖4 刻度線識(shí)別

2.4 油位高度識(shí)別

眾所周知，油位管中的油面不是平面，而是中間低，周邊高的凹面。使用亮度差能夠識(shí)別油位的分界面，找出凹面底部切線位置，從而確定油位高度［15］。

首先使用Robinson算子水平邊緣識(shí)別模板檢測(cè)出油位的邊緣，之后使用雙閾值判斷法判斷油面，防止圖像噪聲的影響。從底部開始對(duì)各行邊緣點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，設(shè)定第1個(gè)閾值Ty1，第2個(gè)閾值Ty2，如果第j行的邊緣點(diǎn)個(gè)數(shù)Nyj＞閾值Ty1，則對(duì)縱坐標(biāo)在（j-10）～（j+10）范圍的各行邊緣點(diǎn)個(gè)數(shù)Nyz進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果Nyz＞閾值Ty1，即可判斷出，油位面在（j-10）～（j+10）范圍內(nèi)［16］。油位識(shí)別結(jié)果如圖5所示。

圖5 油位識(shí)別結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)研究

本文通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)基于圖像識(shí)別的油位檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法，將使用圖像識(shí)別的檢測(cè)結(jié)果與人工讀數(shù)、磁致伸縮液位傳感器讀數(shù)以及使用文獻(xiàn)［8］中的溫度補(bǔ)償后的讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)時(shí)的計(jì)時(shí)精度和換向閥啟閉特性對(duì)流量測(cè)量的影響和補(bǔ)償，筆者通過文獻(xiàn)［7］中進(jìn)行了介紹。流量測(cè)量系統(tǒng)中使用JLM型磁致伸縮液位計(jì)，可以達(dá)到0.02 mm的分辨率。雖然傳感器具有較高的分辨率，而視覺檢測(cè)不易在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)欲達(dá)到0.02 mm量級(jí)的分辨力，但是由于傳感器精密檢測(cè)元件易受溫度以及液位波動(dòng)影響，因此會(huì)產(chǎn)生較大漂移。而視覺檢測(cè)能夠模擬人肉眼對(duì)刻度的讀數(shù)（本文研究的流量檢測(cè)設(shè)備在驗(yàn)收和使用過程中，一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)是以人肉眼對(duì)刻度的讀數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)顯示讀數(shù)與人肉眼讀數(shù)的偏差度）。流量測(cè)量系統(tǒng)中有多個(gè)類型的計(jì)量桶（收集滑油的容器），標(biāo)準(zhǔn)流量為（702±2）mL和（1 825±2）mL的噴嘴測(cè)量計(jì)量桶為例說明計(jì)量桶的容器特征。標(biāo)準(zhǔn)流量為（702±2）mL和（1 825±2）mL的噴嘴測(cè)量計(jì)量桶的平均直徑分別為Φ75 mm和Φ110 mm。25℃室溫條件下，每毫升的滑油體積引起的液位變化平均分別為0.236 9 mm（0.234 1 mm～0.241 8 mm）和0.105 61 mm（0.104 89 mm～0.106 19 mm）。由于計(jì)量桶加工過程無法保證內(nèi)壁為理想的圓柱面，因此會(huì)產(chǎn)生凹凸不平，導(dǎo)致計(jì)量桶不均勻。人工刻度線通過多次重復(fù)向計(jì)量桶中倒入5 mL滑油標(biāo)定，即認(rèn)為人工刻度線是對(duì)應(yīng)的體積為計(jì)量桶的實(shí)際體積。傳感器讀數(shù)通過多次分段擬合得到，在不受到外界干擾情況下，傳感器讀數(shù)和人工刻度線十分接近。通過重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，重復(fù)性誤差在±20 mL/min以內(nèi)。

磁致伸縮液位傳感器測(cè)量的油位高度、使用文獻(xiàn)［8］中的溫度補(bǔ)償后的磁致伸縮液位傳感器測(cè)量的油位高度以及本文研究的圖像識(shí)別方法得到的油位高度對(duì)比如圖6所示。

由圖6可以看出，雖然磁致伸縮液位傳感器的分辨率很高，達(dá)到了0.02 mm，但是在80℃的油溫環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生極大的溫度漂移，在沒有經(jīng)過溫度補(bǔ)償處理的情況下，檢測(cè)結(jié)果偏離實(shí)際結(jié)果很遠(yuǎn)，根本無法正常使用。使用文獻(xiàn)［8］中的溫度補(bǔ)償后的磁致伸縮液位傳感器測(cè)量的油位高度與實(shí)際油位高度比較接近，基本能夠滿足測(cè)量精度要求。而使用圖像識(shí)別技術(shù)得到的結(jié)果不受溫度影響，測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值十分接近，能夠提高測(cè)量的精確性。

將傳感器與圖像識(shí)別的油位高度轉(zhuǎn)換成滑油噴嘴的流量值，結(jié)果見表1～表3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：人工讀數(shù)方法受人為因素影響，隨機(jī)性較強(qiáng)；沒有經(jīng)過溫度補(bǔ)償處理的情況下，傳感器測(cè)得的流量值遠(yuǎn)超過試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)誤差范圍內(nèi)，無法滿足試驗(yàn)要求。使用文獻(xiàn)［8］中的溫度補(bǔ)償后的磁致伸縮液位傳感器測(cè)得的流量值比較理想，能夠滿足試驗(yàn)要求。使用圖像識(shí)別技術(shù)得到的流量值與標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流量值十分接近，因此，使用圖像識(shí)別技術(shù)的流量試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)值最為接近，能夠有效提高檢測(cè)的精度和效率，降低試驗(yàn)臺(tái)成本和測(cè)試人員的工作量，其試驗(yàn)結(jié)果最為可靠。

圖6 測(cè)量的油位高度對(duì)比

表1 標(biāo)準(zhǔn)流量為702±2 ml的噴嘴實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位：mL

表2 標(biāo)準(zhǔn)流量為1442±2ml的噴嘴實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位：mL

表3 標(biāo)準(zhǔn)流量為（1825±2）mL的噴嘴實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位：mL

4 結(jié)論

本文將圖像識(shí)別應(yīng)用于噴嘴流量測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)從噴嘴排出滑油體積進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，忽略掉溫度變化、傳感器精度等對(duì)測(cè)量精度的影響。通過圖像濾波、分割、刻度數(shù)字識(shí)別、刻度線識(shí)別以及油位識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)油位的自動(dòng)測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用圖像識(shí)別技術(shù)的流量試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)值最為接近，能夠有效提高檢測(cè)的精度和效率，降低試驗(yàn)臺(tái)成本和測(cè)試人員的工作量，其試驗(yàn)結(jié)果最為可靠。

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謝 苗（1980），女，遼寧大連人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械動(dòng)力學(xué)分析及控制的研究，xiemiao1121@ 163.com；

謝春雪（1987-），女，遼寧大連人，博士生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械動(dòng)力學(xué)分析及控制的研究，380357369@qq.com；

毛 君（1960-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及仿真、機(jī)電一體化研發(fā)方面的科研與教學(xué)工作。

劉治翔（1988-），男，博士生，遼寧大連人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械動(dòng)力學(xué)分析及控制的研究，lzxcndl@163.com。

Nozzle Flow Test Bench Level Detection System Based on Image Recognition*

XIE Miao*，XIE Chunxue，MAO Jun，LIU Zhixiang
（School of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China）

Considering the use static volumetric method of nozzle flow test rig using the magnetostrictive liquid level sensor at room temperature with high temperature，but the temperature is higher than room temperature，will pro?duce great temperature drift can not guarantee the measurement precision of the test system.In this paper，the im?age recognition applications in nozzle flow measurement system，is discharged from the nozzle slide oil volume to carry on the automatic recognition of the ignore effects of temperature changes，and the sensor precision on the mea?surement accuracy.Through image filtering，segmentation，recognition，digital calibration scale line recognition and recognition level automatic measurement of oil level.By comparing the experimental method and the artificial reading，the magnetostrictive liquid level sensor and the temperature compensated sensor，the sensor readings were compared.The results show that using image recognition technology of flow test bench test results and real val?ues closest to the can effectively improve the detection accuracy and efficiency，reduce the workload of the test cost and test personnel and the test result is most reliable.

Nozzle flow test；magnetostrictive liquid level sensor；image recognition；level detection

V267.23

A

1004-1699（2016）11-1779-06

EEACC：7230G 10.3969/j.issn.1004-1699.2016.11.025

項(xiàng)目來源：遼寧省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（LT2013009）；遼寧省煤礦液壓技術(shù)與裝備工程研究中心開放基金項(xiàng)目（CMHT-201206）；遼寧省教育廳項(xiàng)目（L2012118）

2016-01-12 修改日期：2016-08-10