用于测量旋转轴的旋转位置的基于图像的传感器制造技术

非接触式传感器包括被配置为捕获可旋转轴的表面的一部分的图像数据的图像传感器和通信地耦合到图像传感器的电子控制单元。电子控制单元被配置为从图像传感器接收具有多个帧的图像数据并将图像数据存储在电子控制单元的存储器组件中，确定图像空间中在图像数据的第一帧中出现的一个或多个表面特征与在图像数据的第二帧中出现的相同的一个或多个表面特征之间的变换，基于变换和图像空间与物体空间之间的定量表征的关系确定在捕获图像数据的第二帧时可旋转轴的旋转位置，并存储可旋转轴的旋转位置。转轴的旋转位置。转轴的旋转位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量旋转轴的旋转位置的基于图像的传感器
[0001]政府赞助的声明
[0002]本专利技术的部分内容是在政府支持下根据第N68335
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0495号合同完成的，由海军部授予。政府对本专利技术享有一定的权利。
[0003]相关申请的交叉引用
[0004]本申请要求于2021年2月23日提交的标题为“IMAGE
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BASED SENSOR FOR MEASURING ROTATIONAL POSITION OF A ROTATING SHAFT”的美国专利申请No.17/183,068和于2020年4月23日提交的标题为“IMAGE
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BASED SENSOR FOR MEASURING ROTATIONAL POSITION OF A ROTATING SHAFT”的美国临时申请No.63/014,236的权益，其整体通过引用并入本文。


[0005]本说明书一般而言涉及旋转机械，并且更具体而言，涉及一种用于确定旋转位置和/或测量旋转机械上的速度和扭矩的非接触式传感器系统。

技术介绍

[0006]旋转轴的瞬时旋转位置的精确测量是基本的感测能力。可以对轴旋转位置数据流进行数值微分以获得瞬时轴旋转速度的测量。在扭矩作用下，来自旋转轴上的两个轴向分离点的旋转位置数据流可以被用于计算瞬时扭转轴偏转。如果扭矩与轴的扭转偏转之间的定量关系被表征，那么扭转轴偏转可以被用于计算轴上的瞬时扭矩。
>[0007]旋转机械中的瞬时轴旋转位置、旋转速度和扭矩的测量具有包括但不限于以下的应用：组件使用跟踪和用于基于状况的维护的异常检测；事件诊断；同步自动化；用于实时控制的反馈；以及系统动力学的表征。
[0008]存在用于测量轴旋转位置、旋转速度和/或扭矩的各种已建立和实验的感测技术。这些包括磁性和光学编码器、旋转变压器、霍尔效应传感器、应变仪、可变磁阻传感器、涡流传感器、磁致伸缩传感器和表面声波传感器。但是，所有这些技术都要求将组件安装在旋转体本身上，和/或要求对旋转轴的材料和/或设计的限制。
[0009]现有技术所施加的要求和限制对于一些应用来说是不切实际的。这种应用的示例是预先存在的飞行器驱动轴，对于预先存在的飞行器驱动轴对旋转体的任何修改都需要昂贵的工艺改变和重新鉴定测试。因而，需要非接触式传感器，该非接触式传感器能够测量瞬时旋转位置，并且还能够独立于形成未经修改的可旋转轴的材料确定可旋转轴的旋转速度和扭矩。

技术实现思路

[0010]提供以下概要是为了促进理解本公开所独有的一些创新特征并且不旨在作为完整描述。通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为整体，可以获得对本公开的各个方面的全面理解。
[0011]在第一方面，一种非接触式传感器包括被配置为捕获可旋转轴的表面的一部分的图像数据的图像传感器以及通信地耦合到图像传感器的电子控制单元。电子控制单元被配置为从图像传感器接收图像数据并将图像数据存储在电子控制单元的存储器组件中，图像数据包括多个图像帧；确定图像空间中在图像数据的第一帧中出现的一个或多个表面特征与在图像数据的第二帧中出现的相同的一个或多个表面特征之间的变换；基于变换和图像空间与物体空间之间的定量表征的关系确定在捕获图像数据的第二帧时可旋转轴的旋转位置，以及将在捕获图像数据的第二帧时可旋转轴的旋转位置存储在电子控制单元的存储器组件中。
[0012]在一些方面，一种方法包括从图像传感器接收图像数据并将图像数据存储在电子控制单元的存储器组件中，图像数据包括多个图像帧；确定图像空间中在图像数据的第一帧中出现的一个或多个表面特征与在图像数据的第二帧中出现的相同的一个或多个表面特征之间的变换；基于变换和图像空间与物体空间之间的定量表征的关系确定在捕获图像数据的第二帧时可旋转轴的旋转位置，以及将在捕获图像数据的第二帧时可旋转轴的旋转位置存储在电子控制单元的存储器组件中。
[0013]在一些方面，一种系统包括通信地耦合到计算设备的第一非接触式传感器和第二非接触式传感器。第一非接触式传感器包括被配置为捕获可旋转轴的表面的第一部分的图像数据的第一图像传感器，以及第二非接触式传感器包括被配置为捕获可旋转轴的表面的第二部分的图像数据的第二图像传感器，其中第一部分和第二部分沿着可旋转轴轴向分离。计算设备被配置为接收来自第一图像传感器的第一图像数据和来自第二图像传感器的第二图像数据，第一图像数据和第二图像数据各自包括多个图像帧。计算设备还被配置为确定图像空间中在第一图像数据的第一帧中出现的一个或多个表面特征与在第一图像数据的第二帧中出现的相同的一个或多个表面特征之间的第一变换，基于第一变换和第一图像传感器的图像空间与物体空间之间的第一定量表征的关系确定在捕获第一图像数据的第二帧时可旋转轴的第一旋转位置，确定图像空间中在第二图像数据的第一帧中出现的一个或多个表面特征与在第二图像数据的第二帧中出现的相同的一个或多个表面特征之间的第二变换，基于第二变换和第一图像传感器的图像空间与物体空间之间的第二定量表征的关系确定在捕获第二图像数据的第二帧时可旋转轴的第二旋转位置，计算可旋转轴的第一旋转位置与第二旋转位置之间的角度差，从而确定在可旋转轴的第一部分和第二部分之间可旋转轴的扭转偏转，并将可旋转轴的扭转偏转存储在计算设备的存储器组件中。
[0014]鉴于以下结合附图的详细描述，将更充分地理解由本文描述的各方面提供的这些及附加的目的和优点。
附图说明
[0015]附图中阐述的实施例在本质上是说明性和示例性的，并且不旨在限制由权利要求定义的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述，其中相似结构用相似附图标记指示并且其中：
[0016]图1描绘了根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的用于测量可旋转轴的旋转位置的非接触式传感器的说明性示意图；
[0017]图2描绘了根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的实现用于测量沿着公共
可旋转轴或沿着不同可旋转轴的旋转位置的多个非接触式传感器的示例性系统；
[0018]图3描绘了根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的可旋转轴沿着由非接触式传感器照亮和成像的表面的说明性平面图；
[0019]图4描绘了根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的在不同旋转位置处捕获可旋转轴上的表面特征的第一图像帧和第二图像帧的说明性示例；
[0020]图5描绘了根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的具有布置在像素阵列中的多个像素的图像传感器的说明性示例；以及
[0021]图6描绘了根据本文所示和所描述的一个或多个实施例的在两个不同的轴向分离的部分处被监控以测量可旋转轴的旋转位置和可旋转轴上的扭矩的可旋转轴的说明性平面图。
具体实施方式
[0022]本文所描述的设备、系统和方法一般而言涉及用于测量可旋转轴的旋转位置的非接触式传感器，非接触式传感器可选地包括照明设备，该照明设备照亮可旋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种非接触式传感器，所述非接触式传感器包括：图像传感器，被配置为捕获可旋转轴的表面的一部分的图像数据；以及电子控制单元，通信地耦合到图像传感器，所述电子控制单元被配置为：从图像传感器接收图像数据并将图像数据存储在电子控制单元的存储器组件中，所述图像数据包括多个图像帧，确定图像空间中在图像数据的第一帧中出现的一个或多个表面特征与在图像数据的第二帧中出现的相同的一个或多个表面特征之间的变换，基于变换和图像空间与物体空间之间的定量表征的关系确定在捕获图像数据的第二帧时可旋转轴的旋转位置，以及将在捕获图像数据的第二帧时可旋转轴的旋转位置存储在电子控制单元的存储器组件中。2.如权利要求1所述的非接触式传感器，其中在可旋转轴的在其期间捕获图像数据的第一帧的旋转之后的旋转期间捕获图像数据的第二帧。3.如权利要求1所述的非接触式传感器，还包括：照明设备，被配置为倾斜地照亮可旋转轴的表面，其中图像传感器被配置为从可旋转轴的被照亮的表面的一部分捕获图像数据。4.如权利要求3所述的非接触式传感器，其中从照明设备发射的撞击可旋转轴的表面的光的光路的入射角在撞击点处相对于与可旋转轴的表面相切的平面在35度与55度之间。5.如权利要求3或4所述的非接触式传感器，其中照明设备是包括大于1.0mm2的发射面积的LED。6.如权利要求3或4所述的非接触式传感器，其中照明设备发射中心波长在大约610nm与大约670nm之间的光。7.如权利要求3或4所述的非接触式传感器，其中照明设备经由一个或多个光学元件倾斜地照亮可旋转轴的表面，所述一个或多个光学元件形成从照明设备发射到可旋转轴的表面的光的光路，其中所述一个或多个光学元件包括非球面折射透镜元件、双凸或平凸球面折射透镜元件或反射镜元件中的至少一种。8.如权利要求1
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4中的任一项权利要求所述的非接触式传感器，其中电子控制单元还被配置为：基于可旋转轴在捕获图像数据的第一帧时可旋转轴的旋转位置与在捕获图像数据的第二帧时可旋转轴的旋转位置之间经过的旋转距离以及捕获图像数据的第一帧的时间与捕获图像数据的第二帧的时间之间经过的时间量来计算可旋转轴的旋转速度，以及将旋转速度存储在电子控制单元的存储器组件中。9.如权利要求8所述的非接触式传感器，其中经过的时间量是基于从第一帧到第二帧的帧数和图像传感器的帧速率来确定的。10.如权利要求1
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4中的任一项权利要求所述的非接触式传感器，其中图像传感器是单色CMOS图像传感器。11.如权利要求1
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4中的任一项权利要求所述的非接触式传感器，其中图像传感器是在红色至近红外光谱范围内具有增强响应的单色CMOS图像传感器。12.如权利要求1
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4中的任一项权利要求所述的非接触式传感器，其中图像传感器的光
路在可旋转轴的表面上的撞击点处标称地遵循可旋转轴的半径。13.如权利要求1
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4中的任一项权利要求所述的非接触式传感器，其中图像传感器的像素阵列被对准，使得来自图像传感器的图像数据的行标称地与可旋转轴的旋转的方向对准。14.如权利要求1
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4中的任一项权利要求所述的非接触式传感器，其中图像传感器的像素阵列包括多个像素，并且由电子控制单元接收的图像数据由像素阵列的所述多个像素中的不到全部数量的像素定...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：坎麦克斯动力有限责任公司，
类型：发明
国别省市：