基于图像识别技术的活塞式蓄能器活塞实时位移测量方法

摘要

本发明公开了一种基于图像识别技术的活塞式蓄能器活塞实时位移测量方法，在活塞的气腔侧端面上，用黑胶涂覆一个同心圆环，用单色光闪照蓄能器缸体内部，用成像器件在闪照瞬间捕获缸内物件的影像，从影像中辨识出圆环像的内、外圆边缘，计算出圆环像的内、外圆直径。根据预先标定的“位置—外径”关系，解算出活塞在闪照时刻的位置以及即时速度和瞬时加速度。本发明定义了一个能够预示位移值安全裕度的参考量，并根据图像采集样本解算出一组用于体现缸内污染程度、圆环像非对称畸变程度以及光机部件耐环境能力的参考量。如果采用高速成像器件和高速DSP，将允许两次闪照之间的时间间隔足够短，从而使测量结果具有很高的实时性。

权利要求

1.一种基于图像识别技术的活塞式蓄能器活塞实时位移测量方法，其特征在于：在活塞式蓄能器缸体内部活塞的端面上，用反光系数与活塞端面反光系数存在明显差异的介质涂覆一个反射率均匀的同心圆环，用光源照射蓄能器缸体内部，并用一个光学透镜组使蓄能器缸体内部的反射光能够在透镜组的成像面上清晰成像，用面阵式光电图像传感器在透镜组的成像面上以连续工作方式捕获缸体内部物件的影像，辨识每帧影像中的同心圆环的圆环像边缘，计算出圆环像的内、外圆直径，根据活塞相对于成像面的位置与圆环像外圆或内圆的直径之间的函数关系，解算出活塞在每帧影像产生时刻相对于成像面的位移值；根据感光面阵不同区域的相对光强均值之比，衡量缸内的总体污染程度。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：用黑胶在蓄能器缸内活塞的气侧端面上涂覆一个同心圆环。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：用闪光LED闪照蓄能器缸体内部，成像器件在闪照瞬间捕获蓄能器缸内物件的影像。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：对圆环像进行过采样，取内、外圆直径的均值作为活塞位移量的计算依据。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：根据活塞的实时位移值和历史位移值，计算活塞的即时速度和瞬时加速度。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：定义了一个预示测量结果安全裕度的参考量，用以衡量位移测量结果的安全程度。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：计算圆环像内、外圆圆心的偏离程度，以衡量光学镜头组的非对称畸变。

8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：计算圆环像内/外圆圆心的实时位置相对于感光面阵中心位置的偏离程度，以衡量光机部件的耐环境能力。

9.一种基于图像识别技术的活塞式蓄能器缸体内部污染程度的衡量方法，其特征在于：在活塞式蓄能器缸内活塞的端面上，用反光系数与活塞端面反光系数存在明显差异的介质涂覆一个反射率均匀的圆环，用光源照射蓄能器缸体内部，并用一个光学透镜组使蓄能器缸体内部的反射光能够在透镜组的成像面上清晰成像，用面阵式光电图像传感器在透镜组的成像面上捕获缸体内部物件的影像，辨识影像中的圆环像边缘，从采样数据中获得采样值的离散程度和/或采样值的聚集程度，以此衡量蓄能器缸体内部的污染程度。

说明书

基于图像识别技术的活塞式蓄能器活塞实时位移测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及行程检测技术领域，更具体的是指一种活塞式蓄能器活塞位移的测量方法。

背景技术

[0002] 蓄能器是一种利用气体的可压缩性实现液体蓄积的液压附件。常被用于吸收液压回路中的液流冲击和脉动，防止液压管路因冲击和长期的振动疲劳而破损，也常被用于补偿油液泄漏或者补偿因温度变化而引起的气体体积变化。蓄能器还可成为一种气弹簧，用于衰减车辆或其它机械设备所受到的冲击和振动。为了在两种不同的介质之间传递压力，如：在水与油之间传递压力，也可以使用蓄能器。用于液压系统中的蓄能器，缸内所分隔的两种介质一般是氮气和液压油。当间隙负荷急降导致油压遽升时，氮气体积将被压缩，更多的液压油进入蓄能器，如此，既缓冲了油压遽升，也使多余的能量被氮气所储存；当负荷急升而需油泵能够泵出更大流量时，蓄能器则可首先向间隙负荷释放出大于泵流量的油液，既阻止了油压陡跌，又使负荷急降时所回收的能量可被充分利用。因此，采用了蓄能器的液压设计，更利于液压系统的小型化，并可节约能源。活塞式蓄能器用活塞使油液与气体实现隔断，其基本结构如图1所示，活塞式蓄能器具有比气囊式蓄能器更高的压缩比，且能在瞬间释放更大的流量。在油压较高的液压系统中，压缩比更高的活塞式蓄能器代表了蓄能技术的发展方向。

[0003] 为了更充分地发挥活塞式蓄能器的技术优势，可以通过外部控制装置精确地控制蓄能器的进出油量，使液压系统的油压更趋平稳、节能效益和工作效率更为显著。为达到这一目的，必须对活塞式蓄能器内的活塞运状态进行实时检测，获取活塞的实时位置以及活塞位于该位置时的即时速度和瞬时加速度，据此调节进油出流量，以实现液压系统的精密控制。

[0004] 活塞式蓄能器当前采用的活塞位移检测装置如图2所示，这四种装置的检测原理分别是：(1)超声波测距方法，(2)引出活塞杆方法，(3)张力牵引式检测方法，(4)磁翻板方法。新的行业标准对活塞的最高运动速度要求是5m/s，当活塞达到这个速度时，0.01s的滞后即相当于引入50mm的测量误差，当活塞运动速度较高时，上述四种方法均存在着一些无法克服的原理性缺陷，这些缺陷分别是：超声波在液压油中的传播速度约1300m/s，当活塞与超声波传感器的距离为3m时，一个超声脉冲的往返时间约需4.6ms，对于以5m/s速度运动的活塞，仅因声波的传播延迟而导致的位移测量误差即达到23mm，而且，由于超声波发射/接收探头需承受蓄能器内部几十兆帕的高压且须留取足够的安全系数，这种采用水下航行器声纳制造技术制作的窄波束超声传感器，价格昂贵。使用引出活塞杆方法时，活塞杆引出端与其它设备或建筑之间需要一个与活塞行程等长的留空，空间浪费较大，当蓄能器必须安装在受限空间内时，此测量方法尤不可取，而且，活塞杆引出孔的长期高压密封也对制造工艺提出了更高的要求。采用张力牵引式检测方法时，需要在缸体内部安装拉绳式位移传感器，这种传感器均采用双衡力弹簧以维持拉绳的张力，在活塞发生瞬间高速冲击或者活塞快速改变运动方向时，因拉绳收放筒存在转动惯性，将使拉绳的张力瞬间消失，导致拉绳在收放筒上发生缠绕，传感失效且无法自行恢复，而活塞受冲击的现象和运动方向快速改变的现象，恰是蓄能器的运行特点。采用磁翻板方法时，需用吊锤维持磁铁拖拽绳的张力，活塞受强烈冲击时的即时速度远大于吊锤在自由落体初期的平均速度，如：活塞在0.2s内从初始的静止位置上冲1m，此时，吊锤才自由下落0.2m，如果活塞此后以5m/s的匀速继续运动，则磁铁拖拽绳尚需约0.62s才能重新张紧，在重新张紧之前，磁翻板所指示的位置严重滞后于活塞的实际位置。受上述这些原理性因素的制约，当前用于测量活塞式蓄能器活塞位移的各种检测装置均被要求活塞最高运动速度不得超过0.5m/s，尚无一种基于图像识别技术的、能从原理上保证高速响应的活塞式蓄能器活塞位移实时检测装置，也未见公开发表的、能够适应活塞式蓄能器内部高压和油雾环境应用的、针对高速运动中的活塞实时位移测量的可靠方法。

发明内容

[0005] 本发明公开了一种基于图像识别技术的活塞式蓄能器活塞实时位移测量方法。基于该测量方法所制造的活塞式蓄能器活塞实时位移检测装置与现有的各种相同测量用途的检测装置相比，其优点主要体现在以下六个方面：具有很高的实时性，在活塞高速运动时也能获得很好的位移检测精度；能给出活塞运动的即时速度和瞬时加速度，便于活塞式蓄能器控制装置的优化控制；定义了一个预示位移测量结果所具有的安全裕度的参考量，用以满足对可靠性要求十分苛刻的应用，如航空用途或军事用途；给出了一组能衡量蓄能器缸体内部不均匀污染程度和总体污染程度的参考量，当缸体内部的油气隔离程度下降时，可据此给出预警；因强烈的冲击、振动、温度变化和老化等原因而使光机零部件发生松动、移位时，能够量化地衡量光机部件的耐环境能力；不含运动部件，且结构紧凑、安装方便，在蓄能器本体的气液隔离未受破坏的前提下，可以免维护。基于上述优点的存在，本发明给出了一种能够适应活塞式蓄能器内部高压和油雾环境应用的、针对高速运动中的活塞实时位移测量的可靠方法。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在活塞式蓄能器的气腔侧端盖上安装光源、均光镜、主透镜、辅镜组、影像捕获组件和影像处理组件，影像捕获组件内有成像器件(或称“面阵式光电图像传感器”)，用反光系数较小的介质在活塞的气腔侧端面上涂覆一个环宽尺寸合理的深黑色同心圆环，圆环的外圆与活塞的边沿相重叠。用闪光源闪照缸体内部，使蓄能器缸体内部的反射光通过主透镜和辅镜组在成像器件的感光面阵上成像，采用一种图像边缘识别算法，获取由圆环状反射暗区的内、外圆直径。在此基础上，依据蓄能器投入运行前所标定出的“位置—外径”关系多项式，解算出活塞气腔侧端面在被光源闪照瞬间相对于成像面的位移值。取用一个历史时刻的位移值，计算活塞的即时速度和瞬时加速度，并解算出一个能预示所测位移值安全裕度的重要参考量和一组能衡量主透镜和缸体内部受污染程度的参考量，以及一组用以衡量光机部件耐环境能力的参考量。

[0007] 本测量方法所依托的物理现象是：活塞式蓄能器内的活塞只能在受限空间内做一维方向的直线运动和围绕其自身中心轴的旋转运动。在其运动方向上，如果从一个固定的观测点观察运动中的活塞，活塞端面的像的边缘将是一个直径不断变化的圆，圆的直径唯一地取决于该端面与固定观测点之间的距离，当活塞距离成像面较近时，活塞的像较大，当活塞距离成像面较远时，活塞的像较小。蓄能器气腔侧端盖的中心是设立上述固定观测点的最佳位置。如果将一个面阵式光电图像传感器固定安装于蓄能器气腔侧端盖的中心，并用反光系数较小的介质在活塞的气腔侧端面上涂覆出深黑色的某种特征形状，形成一个反射暗区，用一个镜头组为成像器件提供缩放倍率合理且像差较小的该反射暗区的实时影像，则由于成像器件与蓄能器的气腔侧端盖紧固连结、端盖与蓄能器缸体紧固连结，使通过成像器件和影像处理组件以及固化在影像处理组件内的图像识别软件在某个时刻所捕获的反射暗区的像的形状特征参数将唯一地取决于运动中的活塞的气腔侧端面在某个时刻相对于成像器件的成像面的距离，也即，形状特征参数与活塞位移s之间存在函数关系：

[0008] U＝F(s)其中：SN＜s＜SF  (1)

[0009] 式(1)中，U为特征形状的一个或一组形状特征参数{u1，u2，…}，F为一个或一组将s映射到U的函数{f1，f2，…}，SN和SF是位移可测区间的两端。

[0010] 进一步地：本发明采用圆环作为特征形状，取圆环像的外圆直径作为主要特征参数，根据事先标定的“位置—外径”关系，解算出实时位移值，结合某个历史时刻的位移值，计算出活塞运动的即时速度和瞬时加速度。根据圆环像的外径和内径之比，对测量结果建立一个量化的安全裕度预示值。根据图像辨识过程中采集的圆环像内、外径样本的离散程度和聚集程度，量化缸内的不均匀油污染程度。根据不同区域的平均光强差，量化缸内的总体污染程度。根据辨识出的圆环像内、外圆圆心位置，量化圆环像的非对称畸变程度。根据辨识出的圆环像圆心位置相对于感光面阵中心位置的偏离程度，量化光机部件的耐环境能力。由于蓄能器内的活塞运动速度较高，活塞实时位移的测量精度不但受限于感光面阵的分辨率，也受到成像器件数据输出最高帧率和曝光方式的限制，需采用高分辨率、高帧速的成像器件，并具有全局快门能力。为实施本测量方法所制作的检测装置，采用1000fps的工业级高速成像器件，含全局快门功能，其感光面阵具有2048×2048像素，像元尺寸7.8μm×7.8μm，能输出28灰度等级的黑白影像。与高速成像器件相配的DSP器件，具有5GFLOPs以上的32位浮点运算速度。为达到精确测量之目的，对图像进行足够的过采样，且所有与测量精度有关的算法均基于图像的灰度值数据。

[0011] 本发明的有益效果是：基于本测量方法制作的检测装置，能以很好的实时性获得活塞式蓄能器内活塞的实时位移、即使速度和瞬时加速度，且结构简洁、安装方便，对蓄能器密封的影响很小，整个检测装置不存在运动磨损部件，无需重复标定。尤其是：当成像器件的帧率较高时，其所获位移值的实时性将极其明显地优于本文在前述内容中提及的其它测量方法。蓄能器投运较长时间以后，活塞端面会积累一定程度的油污染，本发明能预示所测实时位移值的安全裕度，能衡量缸内的不均匀污染程度和总体污染程度，能衡量主透镜受油膜不均匀附着的程度，能衡量光机部件的耐环境能力。

附图说明

[0012] 图1是活塞式蓄能器的基本结构示意和反射暗区形状示意；

[0013] 图2是活塞式蓄能器常用的活塞位移检测装置示意，其中：(1)为超声波测距方法，(2)为引出活塞杆方法，(3)为张力牵引式检测方法，(4)为磁翻板方法；

[0014] 图3是检测装置各部件在气腔侧端盖上的安装与连接示意；

[0015] 图4是闪光组件的工作方式示意；

[0016] 图5-1和5-2是蓄能器缸内影像捕获方式与影像特征示意；

[0017] 图6是圆环像内外圆直径与活塞位移之间的函数关系示意；

[0018] 图7是四种边界以及理想圆环像与各边界之间关系的示意；

[0019] 图8是精确逼近函数g-1的多项式P3以及二值化判据示意；

[0020] 图9是安全裕度预示值C与多项式P3之间的关系示意；

[0021] 图10是安全裕度预示值定义式(18)所代表的曲线示意；

[0022] 图11是圆环像内外圆直径均值的精密辨识方法示意；

[0023] 图12是区域Q1、Q21、Q22的位置示意；

[0024] 图13是圆环像内外圆圆心位置的精密辨识方法示意；

[0025] 图14是 所表示的圆环像圆心位置及其变化轨迹示意；

[0026] 图15是实现本测量方法所需的实验装置构造示意；

[0027] 图16是对本测量方法所涉计算流程的归纳。

[0028] 图中各标号所指如下：

[0029] 1—储能器缸体，2—气腔侧端盖，2-1—充气口，3—液腔侧端盖，3-1—压力油口，4—活塞，5—圆环形特征形状，6—闪光组件，7—均光镜，8—主透镜，9—辅镜组，10—成像器件，11—影像捕获组件，12—影像处理组件，13—驱控电缆，14—通讯电缆，15—防护罩，
16—感光面阵，17—极限识别边界，18—外安全边界，19—内安全边界，20—极限失配边界，
21—理想的圆环像，22—活塞位于任意位置时的实际圆环像，23—活塞位于SF位置时的实际圆环像，24—活塞位于SN位置时的实际圆环像，25—直线电机，26—电位器式高速位移传感器，27—油雾喷入管，28—数据采集装置，29—同步控制线，30—工作站。

具体实施方式

[0030] 一种基于图像识别技术的活塞式蓄能器活塞实时位移测量方法，实现该测量方法的检测装置的硬件构成参见图1，图3，图5，在活塞式蓄能器气腔侧端盖2的中心位置开孔并卡接一个耐高压的主透镜8，该主透镜与辅镜组9共同组成了实现本测量方法所需的光学镜头组。主透镜8可用一个非球面透镜、一个截面为矩形的平透镜以及一个截面为梯形的平透镜胶合而成。在主透镜8的邻近位置开孔并卡接至少一个均光镜7，该均光镜由一个平凸球镜和一个细长圆柱形的平透镜胶合而成。用密封圈确保端盖2不因安装主透镜8和均光镜7而失去气密性。来自闪光组件6的窄束光，以较少的光能损失通过均光镜7扩散至蓄能器缸体1的内部，为缸内物件的成像提供比较均匀的照明。用黑胶在活塞4的气腔侧端面上涂覆一个同心圆环5，圆环的外圆与活塞端面的边沿重合。成像器件10位于影像捕获组件11内部，与一端插入该影像捕获组件的辅镜组9牢固胶结，成像器件10内的感光面阵16所位于的平面，即为成像面。辅镜组9的另一端与主透镜8牢固胶接。影像处理组件11通过驱控电缆13与闪光组件6联接，以控制闪光组件6的闪光间隔与影像捕获组件11的帧摄取间隔持续同步，并为闪光组件6内的LED提供电源。经影像处理组件12解算出的包括位移值在内的所有信息，经由通讯电缆14输出，整个检测装置所需的工作电源也由该通讯电缆供入。防护罩15与端盖2栓接，为上述所有部件提供防护，同时也成为光学元件意外破损时的安全隔障。

[0031] 实现本测量方法所需的闪光组件6，以图4所示的脉冲方式工作，影像的捕获时刻取决于组件内的大功率LED被激发的时刻。采用单色光LED以减少镜头组的色差，LED的半波宽应尽可能窄，推荐主峰波长位于520nm～550nm的绿光LED，其输出光强IP以确保感光面阵能在预设的闪照时延内获得动态范围尽可能大的灰度影像为原则，闪光组件与影像捕获组件的联动方式是：以TG为影像采集间隔，在每一个影像采集时刻，先使成像器件进入全局感光状态，然后激发LED闪光，达到预定的闪照时延TF后，关闭LED，等待下一个影像采集时刻的到来，再重复以上过程。闪照时延取决于活塞可能达到的最高运动速度和所需的测量精度，如果活塞的最高运动速度为5m/s，欲使LED被激发期间的活塞位移不超过0.1mm，则最大闪照时延TF应控制在20μs以内，闪照时延愈长，图像愈模糊。

[0032] 实现该基于图像识别技术的活塞式蓄能器活塞实时位移测量方法的关键是：当用合适的光强闪照蓄能器缸体内部时，由于反光系数的较大差异，涂覆了黑胶的反射暗区将通过光学镜头组缩小成一个明显的圆环状影像，投射在成像器件的感光面阵上，如图5-1和图5-2所示。由于活塞在蓄能器缸体内部只能做一维方向的运动，因此，经由设计合理的光学系统，在感光面阵上所形成的圆环像的大小，唯一地取决于活塞与成像面之间的距离。辨识出圆环像的外圆直径，根据蓄能器投入运行前所标定的“位置—外径”关系，即可解算出活塞被闪照瞬间相对于成像面的位移量。在此基础上，再从捕获的图像内提取出更多有价值的信息，包括：所测位移的安全裕度预示值、蓄能器缸体内的污染状况、光机部件的耐环境能力等，使所获测量结果能适用于对测量可靠性具有极高要求的应用场合。

[0033] 更进一步地：正常运行中的活塞式蓄能器，其活塞运动的有意义测量区间可取活塞行程总长的10％～90％。设计使主透镜8的二倍焦距不超过10％的活塞行程总长，并使整个光学镜头组的后景深大于90％的活塞行程总长。由于活塞沿光轴作前后运动，而畸变像差与视场的三次方成正比，由此将导致圆环像的畸变程度也成为活塞位移的函数。须设计使辅镜组9能与主透镜8共同构成一个全对称光路镜头组，基本消除畸变像差对特征形状放大率的影响，从而使活塞行程总长10％～90％区间内的物体能以稳定的像距和近似不变的放大率在感光面阵16上清晰成像，让上述有意义测量区间成为可测区间。命名可测区间的两端分别为SN(活塞气腔侧端面相对于成像面的最近可测位置)和SF(活塞气腔侧端面相对于成像面的最远可测位置)，针对所需的测量精度要求，参照本文后续内容中阐述的基本误差分析方法选择成像器件的规格，并按本文后续内容中阐述的方式确定感光面阵的极限识别边界17、外安全边界18、内安全边界19和极限失配边界20，作为光机部件设计的主要约束条件(参见图7)。在此基础上，根据被测蓄能器缸体1的内径和长度，选择合适的光学元件参数，在理想圆环像21的圆心位置与感光面阵的中心B相重合的前提下，活塞气腔侧端面位于SN位置时的圆环像21的外圆边缘最佳地逼近外安全边界18，又使活塞气腔侧端面位于SF位置时的圆环像21的内圆边缘最佳地逼近内安全边界19，确保活塞气腔侧端面位于行程总长10％～90％之内时的整个理想圆环像21始终处于内、外安全边界之间。在满足以上约束的前提下所捕获的任意时刻的实际圆环像22，可按本文后续内容中给出的方法，辨识出圆环像的外圆平均直径Dmean和内圆平均直径dmean，此均值是实际圆环像22边缘位置在各个方向上的平均，可有效克服缸内污染和像差。以Dmean和dmean为实际圆环像的形状特征参数(以下所提及的“圆环像”，若非特别说明，均为实际圆环像22)，将式(1)的函数关系具体为：

[0034] Dmean＝f1(s) s∈[SN，SF]  (2)

[0035] dmean＝f2(s) s∈[SN，SF]  (3)

[0036] 在可测区间之内，从被识别物体到感光面阵之间的所有与光路计算有关的函数均是连续的，故式(2)和式(3)中的f1、f2必是连续函数，参见图6所示。对于一个适当的测量精度要求，f1和f2可以被一个易于工程实现的阶数不高的多项式精确逼近，且可由光学系统的设计和工艺保证该多项式的严格单调性，而连续严格单调函数的反函数是一定存在的，故而位移s可被表达为：

[0037] s＝f1-1(Dmean) Dmean∈[f1(SN)，f1(SF)]  (4)

[0038] 或s＝f2-1(dmean) dmean∈[f2(SN)，f2(SF)]  (5)

[0039] 感光面阵内的像元是间距一致的点阵，可作为长度单位使用(插值计算时，允许出-1现小数)。设通过实验获得的用于精确逼近f1 的多项式为P1，将某一闪照时刻所辨识出的圆环像平均外径数值记为Dt，则活塞在该闪照时刻的实时位移值St为：

[0040] St＝P1(Dt) Dt∈R+  (6)

[0041] 设通过实验获得的用于精确逼近f2-1的多项式为P2，将同一时刻所识别出的圆环像平均内径数值记为dt，另建立一个辅助量：

[0042] Saux＝P2(dt)  (7)

[0043] 根据当前位移St获取活塞即时运动速度和瞬时加速度的方法是：设两次闪照的间隔为TG，上一闪照时刻所获位移值是St-1，计算：

[0044] Vt＝(St-St-n)/TG  (8)

[0045] at＝Vt/TG  (9)

[0046] 式(8)中的n对应于某个历史时刻。对于活塞运动速度较高的应用，为尽量减小位移测量值的滞后，可取n＝1，也即上一个时刻的位移值St-1，对于活塞运动速度较低的应用，n可取更大的值，用更早时刻的位移值计算Vt，使Vt和at的变化更趋平滑。另可根据蓄能器工艺指标，对Vt设立运动速度上限，当Vt大于上限时，可立即切断进油阀以保护缸体。在本文后续所述的圆环像圆心位置不越出极限失配边界20的前提下，外部控制装置可利用{St，Vt，at}作为反馈量，使活塞式储能器的高压缩比特性得到最充分的利用。

[0047] 建立内、外安全边界的必要性在于：即便用致密的插值对函数f1-1和f2-1作精确逼近，如果不对特征参数的最小值作出限制，则当活塞距离成像面较远时，过低的f1-1和f2-1的梯度将使特征参数的变化灵敏度无法满足，从而使测量精度无法满足。而当圆环像的任一影像点超出外安全边界时，本文后续内容中给出的Dmean辨识方法将失效。

[0048] 本测量方法设立如图7所示的四个均以感光面阵中心位置B点为圆心的圆形边界，以像素为各圆直径的长度单位，按边界直径从大到小的顺序，依次是极限识别边界17、外安全边界18、内安全边界19、极限失配边界20，确立以上边界的步骤是：设像元的宽度为pw(μm)，理想圆环像21的圆心与感光面阵的中心B因任何原因导致的最大允许偏离量规定为1.0mm，则极限失配边界的直径为：

[0049] W4＝int(2×1000/pw)  (10)

[0050] 如pw＝7.8μm，则W4＝int(256.41)＝256(像数)。感光面阵短边的宽度即为极限识别边界17的直径W1，为确保当理想圆环像21的圆心偏离B点的距离不超过1mm时，其外圆边缘始终不越出极限识别边界，取外安全边界的直径为：

[0051] W2＝W1-W4  (11)

[0052] 对于确定的镜头组和一个事先指定的最大允许测量绝对误差ε，当理想圆环像21平均内径的变化量恰好满足：

[0053] Δdmean/Δs≤ε  (12)

[0054] 时，此刻的dmean值加上W4，即可作为内安全边界的直径W3。对于相同的位移变化量Δs，由于直径的变化量ΔDmean必然大于Δdmean，所以，最小灵敏度必能获得保证，且环宽愈大则灵敏度的余量愈大。可用图15所示实验装置对式(13)进行判断，以获取W3的精确值，另定义：

[0055] g(s)＝f1(s)/f2(s) s∈[SN，SF]  (13)

[0056] 基于g(s)设立一个判断位移实时值St可靠程度的参考量，为St设立可靠程度参考量的必要性在于：在实际运行中，活塞的上下运动将使缸壁形成油膜，因油膜蒸发而形成的油雾将被吸附于缸内各处，包括主透镜表面。经年累月之后，活塞气腔侧端面的黑胶涂覆处与其它未涂覆处的表面反光系数差异将被减弱，导致圆环像内、外圆边缘均失去锐利性，主透镜的像差也将逐渐增大。在以上两个主要因素的共同作用下，对外径的识别精度将趋于下降。由于蓄能器的维护周期长达数年，故须设立一个能预示测量结果尚未超出误差允许范围时的测量结果安全程度参考量，在输出实时位移值的同时，也输出这个预示用途的参考量。

[0057] 基于g(s)设立该参考量的合理性在于：一方面，仅因光学系统像差增加而导致的识别精度降低，对圆环像内、外圆边缘的影响程度是相对一致的。但由于缸壁不断受到活塞环的摩擦，附着在缸壁上的油膜不可能形成积累，而附着在活塞气腔侧端面上的油膜却必然形成累积，因此，随着活塞式蓄能器运行时间的增加，对圆环像内圆边缘的辨识精度将逐渐地低于对圆环像外圆边缘的辨识精度。也即，与任一位移相对应的圆环像内、外径测量值，由于油雾在活塞气腔侧端面上的沉积而导致的测量值波动，必然不是相同比例的波动。另一方面，对于一台确定的、由工艺精良的光学元件所组成的检测装置，在活塞气腔侧端面未受油膜污染时，通过精密标定而获得的用于精确逼近函数f1-1和f2-1的多项式P1和P2，必然是极为相似的，并能在误差允许范围之内保持严格单调递减，定义：

[0058] P3＝P1/P2  (14)

[0059] 由于P1与P2在的相似性，P3在区间[SN，SF]内的变化必然很小且变动足够缓慢，可呈现出图8所示的情形。基于上述两个方面必然性的共同存在，取圆环像外径和内径的实时比值Jt作为一个参量：

[0060] Jt＝Dt/dt  (15)

[0061] 检测装置投运后，Jt偏离P3(St)的程度即可预示St值所具备的安全程度。由于缸内污染分布的随机性，dmean的辨识精度与Dmean的辨识精度之间不可能存在确定的对应关系，Jt偏离P3(St)的程度只是对St值的安全程度的一种预示，而非St值在客观上所具有的安全程度的准确表征。但因Dmean在客观上始终具备比dmean更高的辨识精度，因此，基于Jt偏离P3(St)的程度所预示出的St值的安全程度，在任何时候都不可能小于St在客观上所具有的安全程度，也即，用上述方法预示St的安全性，是足够可靠的。为建立一个量化的安全程度参考量，需使用本文后续内容中所阐述的实验装置和实验步骤，所获实验数据也同时适用于构造能够精确逼近f1-1和f2-1的多项式P1和P2。基于实验所获的偏离量ε1和ε2的数值，可以用简单的判断关系二值化地预示St值的安全程度：

[0062] P3(SF)-ε2＜Jt＜P3(SN)+ε1  (16)

[0063] 对于任一时刻所获的St值，如果对应的Jt值满足式(16)，则可将该时刻的St值判定为“安全”，反之可判定为“风险”，参见图8。对St使用式(16)并在输出St的同时输出“安全/风险”标志，已可满足高可靠性蓄能器控制系统对活塞位移的实时测量要求。若基于本发明所制作的装置需配套针对少数关键性的工业测量应用，或者针对航空、核电、军工级的应用，可用偏离量ε1和ε2构成图9所示的关系。任一时刻所获的St值，如果该时刻的Jt值不能满足：

[0064] P3(St)-ε2＜Jt＜P3(St)+ε1  (17)

[0065] 则可将这一时刻的St值判定为“风险”。定义：

[0066] C＝100％×exp(-k(Jt-P3(St))2)-58.2  (18)

[0067] 如果Jt值位于区域之内，则可用式(18)对St值的安全裕度给出量化的预示值C，C值的变化范围位于0～100％之内，其变化形式可参见图10。常数k由实验数据计算而定，以确保当Jt位于区间[P3(St)+ε1，P3(St)-ε2]内时的k(Jt-P3(St))2值只在区间[0，1]内变化为原则。仅就该曲线的形状而言，其变化形式类似高斯分布，但该曲线并不具对称性，其形状也不是严格意义上的高斯分布。

[0068] 一种可适用于本测量方法的、既精密可靠又便于工程计算的圆环像外内、外圆直径辨识方式，可参见图11，具体计算步骤是：先按本文后续内容所述的方式获取圆环像圆心的实时位置A(xa，ya)，然后构造坐标点集：

[0069] {xa+m×cos(θ)，ya+m×sin(θ)，0＜m≤pw×W，m∈N+，0≤θ＜360，θ∈R+}  (19)[0070] 该坐标点集表征了一簇通过A点的直线，式(19)中，θ的单位是角度，pw为像元宽度，感光面阵的像元宽度一般为5～10μm，W的单位是像数，把m的上限取为W的pw倍时，相当于把一个像元水平或垂直分隔到1μm的程度。用提高插值密度的方法提升测量结果的稳定性，其效果是比较有限的，对于蓄能器活塞位移测量应用，以pw为上限已经足够。反之，如果m的上限不足W/2，则相当于从物理上降低了感光面阵的分辨率。用不同的θ取值反复辨识圆环像，相当于对圆环像内、外径的过采样，能有效降低量化噪声。如果影像处理组件能够承受较大的运算量，可让θ以小数角度的间距步进，如θ＝{0，0.25，0.5，…，359.5}，反之，如果影像处理组件的运算能力有限，可让θ以大于1°的间距步进，如θ＝{0，2，4，…，358}，或θ＝{0，4，8，…，356}等。推荐θ＝{0，1，2，…，359}，即以1°作为步距，推荐m＝W，相当于插值至半个像数的密度，对于θ的每一个取值，重复m＝{1，2，…，W}，建立数组：

[0071] x[i][j]＝xa+m×cos(θ) i＝θ+1，j＝m  (20)

[0072] y[i][j]＝ya+m×sin(θ) i＝θ+1，j＝m  (21)

[0073] 由此得到不越出外安全边界的360组坐标点集，每组坐标点集拥有W个可被精确拟合到同一条直线段上的坐标点。以上述每个坐标点周围4邻域像元对反射光的感测值Ip(或称相对亮度)为依据，采用双线性内插值算法，可得到一个表征以上所有坐标位置的插值相对亮度数组I[i][j]，对下标i相同的每组I[i][j]在区间[1，W]内按下标j递增的顺序逐组计算I[i][j]的一阶差分：

[0074] ΔI[i][j]＝I[i][j+1]-I[i][j] j＝{1，2，…，W-1}  (22)

[0075] 获得360组插值相对亮度的一阶差分。对每组一阶差分值做适当强度的低通滤波，然后遍历滤波结果，得到360个插值相对亮度变化最大梯度值：

[0076] ΔImax[i][j] i＝{1，2，…，360} j∈{1，2，…，W-1}

[0077] 和360个插值相对亮度变化最小梯度值：

[0078] ΔImin[i][j] i＝{1，2，…，360} j∈{1，2，…，W-1}

[0079] 此时，对于每个i值，ΔImax[i][j]中的j值的物理意义即为θ＝i-1时的圆环像外圆边缘与圆心A的距离。提取ΔImax[i][j]中的j值，组成一维数组，记为AD[i]，求取AD[i]的均值：

[0080]

[0081] 而每个ΔImin[i][j]中的j值的物理意义即为θ＝i-1时的圆环像内圆边缘与圆心A的距离。提取ΔImin[i][j]中的j值，组成一个一维数组，记为Ad[i]，求取Ad[i]的均值：

[0082]

[0083] 均值ADmean和Admean可视为圆环影像在其被捕获时刻的外圆平均直径粗算值和内圆平均直径粗算值。为进一步增加辨识结果的稳定性，设立区间：

[0084] [ADmean×(1-k1/1000)，ADmean×(1+k1/1000)]

[0085] 作为取值条件，k1＝{1，2，…，100}，用不同的k1值遍历数组AD[i]，较大的k1值将使较多的AD[i]符合该取值条件，将进入区间的AD[i]视为一个新的数组，记为KD[n1]，设该数组的长度为LD，把能够满足LD≥180的最小k1值记为C1，以k1＝C1时的LD求取KD[n1]的均值：

[0086]

[0087] 同样地，设立区间：

[0088] [Admean×(1-k2/1000)，Admean×(1+k2/1000)]

[0089] 作为取值条件，其中，k2＝{1，2，…，100}，用不同的k2值遍历数组Ad[i]，获得一个新的数组Kd[n2]，设该数组的长度为Ld，把能够满足Ld≥180的最小k2值记为C2，以k2＝C2时的Ld求取Kd[n2]的均值：

[0090]

[0091] 以此方式所获的KD[n1]和Kd[n2]，可兼具足够的样本数量和更小的离散程度，其均值Dmean和dmean将能很好地克服活塞气腔侧端面上的污染。为加快计算速度，可用“对分搜索法”或其它更高效的方法搜索C1和C2的值。

[0092] 因油雾在活塞端面上的附着而产生的污染是均匀的污染，这种均匀污染虽会导致圆环像边缘模糊，但不会明显地增加AD[i]和Ad[i]的离散程度。而如果油膜累聚为油滴，随着活塞的运动而在亲脂性不佳的活塞端面上四处窜流，则会形成不均匀污染。活塞环对缸壁的磨削作用，也会使包括黑胶涂覆处在内的活塞端面因为粘附金属粉屑而呈现出不均匀污染。最严重情况下，这种不均匀污染将导致较多的AD[i]和Ad[i]元素值分别远离ADmean和Admean，一般情况下，是导致AD[i]和Ad[i]元素值分别在ADmean和Admean附近产生更大程度的波动。为AD[i]和Ad[i]建立样本标准差：

[0093]

[0094]

[0095] VD和Vd可体现所有AD[i]和Ad[i]共同作用下的样本离散程度，但其受少数远离均值的AD[i]和Ad[i]元素值的影响较大。作为补充，在计算式(25)和式(26)过程中所构造的C1和C2，则可体现AD[i]和Ad[i]元素值分别在ADmean和Admean附近的聚集程度。为此，用{C1，VD}和{C2，Vd}分别衡量不均匀污染在圆环像辨识过程中对Dmean和dmean的影响程度，或者，用{C1，C2，VD，Vd}共同反映缸体内部的不均匀污染程度，皆具有合理性。当C1和C2达到上限100时，相应区间宽度将分别达到[0.9×ADmean，1.1×ADmean]和[0.9×Admean，1.1×Admean]，此时，如果仍不足以使50％数量的AD[i]或Ad[i]元素落入相应的取值区间，继续辨识Dmean和dmean将是无谓的，应放弃测量。

[0096] 对缸内总体污染程度的衡量，基于这样一种现象的存在：覆盖于黑胶表面的油膜或油滴，即使因氧化而渐变为黄褐色，也总能使该表面的反光系数呈现为增加的趋势，而未覆盖黑胶处的表面，包括缸壁表面，其反光系数则总是呈现为降低的趋势。油雾对主透镜表面的污染，只可能被感测为所有表面的反射光强的同步下降。也即，缸内总体污染程度愈轻，黑胶涂敷处的像的相对亮度值与未涂敷处的像的相对亮度值之比愈小；缸内总体污染程度愈重，则该比值愈大。将上述现象进行量化的具体方法是：取活塞位移介于行程总长45％～55％之间时或捕获的影像，将圆环像内部的一个环形区域命名为Q1，区域Q1的外圆直径与内圆直径分别取为：

[0097] (9×Dmean+dmean)/10与(Dmean+9×dmean)/10

[0098] 将位于圆环像外圆与外安全边界之间的一个环形区域命名为Q21，取外安全边界的直径作为区域Q21的外圆直径，区域Q21的内圆直径取为(11×Dmean+dmean)/10。将内安全边界与圆环像内圆之间的一个环形区域命名为Q22，取内安全边界的直径作为区域Q22的内圆直径，区域Q22的外圆直径取为(11×dmean-Dmean)/10，设Q2＝Q21∪Q22，获取实时图像中分别属于区域Q1与区域Q2的像元的坐标点集，计算这两个区域各自所拥有的像元的相对亮度均值：

[0099]

[0100]

[0101] N1和N2为区域Q1与区域Q2各自所拥有的像元数，Ip(x，y)是坐标为(x，y)的像元的相对亮度值。定义参量：

[0102] C3＝AI1/AI2  (31)

[0103] 由于Q1和Q2的影像特征决定了任一时刻必有AI1＜AI2，因此C3的变化必位于区间(0，1]之内，当C3趋近于1时，相当于活塞气腔侧的整个端面被严重氧化的油污所覆盖，dmean已经不可测(相应地，此时的St必已被标志为“风险”)。而对于缸内污染严重到如此程度的蓄能器，事实上也已不适合继续运行，须开缸维修。上述区域的划分参见图12所示。

[0104] 为获取圆环像圆心的实时位置，一种既精确又可靠的辨识方式参见图13，其具体步骤是：先用感光面阵的中心B(xb，yb)替代圆环像的圆心，然后参照本文前述内容中给出的方法，获得圆环像内径的粗略均值Admean，取δ＝int(Admean/8)，读取所有x坐标位于区间[xB-δ，xB+δ]内的像元的相对亮度值Ip，建立一个表示区间内所有像元相对亮度的二维数组Ip[i][j]，其中：

[0105] i＝{1，2，…，2δ+1} j＝{1，2，…，W}

[0106] 对下标i相同的每组Ip[i][j]，在区间[W/2，1)内按下标j递减的顺序逐组计算Ip[i][j]的一阶差分：

[0107] ΔIp1[i][j]＝Ip[i][j-1]-Ip[i][j] j＝{W/2，(W/2)-1，(W/2)-2，…，2}  (32)[0108] 在和区间[W/2，W)内按下标j递增的顺序逐组计算Ip[i][j]的一阶差分

[0109] ΔIp2[i][j]＝Ip[i][j+1]-Ip[i][j] j＝{W/2，W/2+1，…，W-1}  (33)

[0110] 得到2δ组ΔIp1[i][j]和2δ组ΔIp2[i][j]，对每组ΔIp1[i][j]做适当强度的低通滤波，然后遍历滤波结果，得到2δ个相对亮度变化最大梯度值ΔImax-p1[i][j]和2δ个相对亮度变化最小梯度值ΔImin-p1[i][j]，i＝{1，2，…，2δ}，j∈N+。用同样方法处理每组ΔIp2[i][j]，得到2δ个ΔImax-p2[i][j]和2δ个ΔImin-p2[i][j]，i＝{1，2，…，2δ}j∈N+。视相对亮度变化最大梯度处为圆环像的外圆边缘位置，按i的顺序分别提取ΔImax-p1[i][j]和ΔImax-p2[i][j]中的j值，组成一维数组PD1[i]和PD2[i]，此时，均值yD即为圆环像外圆圆心的纵坐标位置：

[0111]

[0112] 视相对亮度变化最小梯度处为圆环像的内圆边缘位置，按i的顺序分别提取ΔImin-p1[i][j]和ΔImin-p2[i][j]中的j值，组成一维数组Pd1[i]和Pd2[i]，圆环像内圆圆心的纵坐标位置yd即为：

[0113]

[0114] 使用同一个δ值，建立区间[yB-δ，yB+δ]，读取所有y坐标位于该区间内的像元的相对亮度值，采用与上述获取yD和yd相同的方式，建立二维数组Ip[i][j]并计算得到圆环像外圆圆心的横坐标位置xD和圆环像内圆圆心的横坐标位置xd，以坐标(xD，yD)作为圆环像圆心A的可用坐标A(xA，yA)，并计算圆环像内、外圆圆心位置之间的距离：

[0115] e1＝SQRT((xD-xd)2+(yD-yd)2)  (36)

[0116] e1即可作为圆环像内、外圆同心度的衡量值。由于黑胶一经涂覆，其形状将固定不变，所以，对于涂覆精密的圆环形状和理想的镜头组，e1值既小且稳定。如果缸内污染或其它任何因素导致圆环像形状发生畸变，e1的变化都将反映这种非对称畸变的存在和非对称畸变的程度，使e1成为光路非对称畸变程度的一个衡量指标。运行中，如果非球面的主透镜8表面附着了一定厚度的油膜，将导致镜头性能劣化，也能引起e1缓变，但由于位移的测量精度只取决于对Dmean的辨识精度，而采用本文前述方法辨识Dmean时，其结果相当于对所有半径值的均匀量度，因此，e1在较小范围内的变化对位移测量的精度影响是不大的。

[0117] 活塞在缸体内的反复运动，使运行中的蓄能器始终存在一定程度的振动，有时还会发生较大的冲击，导致零部件松动。温度反复变化引起的热胀冷缩频繁，包括老化问题，也都是光机部件及其内部的光学元件产生微小错位的诱因。Dmean和dmean的辨识精度并不依赖于某个绝对数值的精度，各种边界的设置，包括对感光面阵中心位置B的使用，并不介入与测量精度有关的计算过程。在本文前述内容中，已规定在外安全边界和极限识别边界之间预留W4/2个像数宽度的“缓冲区域”，当像元尺寸为7.8μm×7.8μm时，此“缓冲区域”的宽度约为1mm，这是一个足够宽裕的边界，只要成像器件没有从辅镜组的一端脱落，由各种环境因素造成的光机部件精密度下降，并不会引入明显的测量误差。但另一方面，光机零部件的微小错位，却能反映使用环境的恶劣程度，也即反映了位移检测装置自身的耐环境能力。计算圆环像圆心的实时位置A(xA，yB)与感光面阵的中心位置B(xB，yB)之间的距离，以及线段AB相对于BX轴的偏转角

[0118] e2＝SQRT((xA-xB)2+(yA-yB)2)  (37)

[0119]

[0120] 从e2和 的历史轨迹(而非某一个时刻的e2和 值)可判断位移检测装置对特定环境或特定蓄能器的适用性，参见图14。可将 作为光机部件耐环境能力的衡量指标，与位移的实时测量值同步输出，当e2或 频繁波动，或e2×pw＞1mm时，也可直接输出“不可测”标志。

[0121] 本测量方法所固有的基本误差，可分为两个主要指标：由感光面阵所含像元的数量和光学镜头组的参数共同决定的分辨率所导致的静态基本误差ES，以及，由成像器件的帧率和影像处理组的运算速度共同决定的位移数据输出帧率所导致的动态基本误差ED。当活塞气腔侧端面位于SF位置附近且以极低速度运动时的误差，可视作ES，当活塞在SN位置附近且以最高设计速度Vmax运动时的误差可视作ED，对于确定的光学镜头组，ES与感光面阵所含的像元数量成反比；对于确定的影像处理组件运算速度，ED与成像器件的帧率成反比；而当上述硬件指标均已确定时，综合误差中的基本误差成分的大小，取决于活塞的运动速度，活塞运动速度愈高，位移测量的综合误差愈大。如：对于1ms的帧间隔，活塞运动速度为5m/s时，ED接近5mm，而当活塞运动速度降至1m/s时，ED可降至1mm以内。

[0122] 为使用本测量方法，需构建一套如图15所示的实验装置，该装置的用途是：取得精确逼近f-1和f-2所需的多项式系数，判定内安全边界的直径W3，模拟缸内油污染以确定ε1和ε2，获取各种用以衡量缸内污染程度的参考量C1、C2、C3、VD、Vd，取得非对称畸变衡量指标e1，监测圆环像圆心的实时极坐标位置 相对于感光面阵中心位置B的变化，以确保实验数据的有效性。

[0123] 该实验装置的主体部分可由活塞式蓄能器本体改造而成，改造方法是：在蓄能器缸壁的一侧开一个细长槽，在开槽位置安装一台高速直线电机25，电机的动子与活塞侧壁固定连接。在缸壁的另一侧也开一个细长槽，在槽内安装电位器式位移尺26，该位移尺的可测区间长度应不小于活塞行程总长，位移尺的活动电刷与活塞侧壁固定连接。位移尺所测得的活塞实时参考位移，以模拟量形式输出至数据采集装置28。在气腔侧端盖的充气孔2-1上焊接一根油雾喷入管27，防护罩15内的位移检测装置输出的各项数据，包括原始影像，通过高速通讯电缆14传输给数据采集装置，该数据采集装置并通过同步控制线29接管影像处理组件12对闪光组件6的控制，数据采集装置将来自位移尺的实时参考位移量以及来自位移检测装置的实时位移量和各种参量打包输出给工作站30。该实验装置工作于常压状态，不必注油或充入氮气。

[0124] 使用该实验装置的工作原理和基本操作步骤是：第一阶段，保持缸体内部的洁净，确保活塞气腔侧端面所涂覆的圆环形状具有清晰、锐利的内、外圆边缘。设要求活塞达到的最高运动速度是Vmax，控制直线电机使活塞以Vmax/2的速度做接近全行程的往复运动，让数据采集装置与每个影像捕获时刻同步地采集来自位移尺的活塞位移参考值Sref以及影像处理组件随后输出的各项数据，为两者的数据标注时间戳，打包传输给工作站，由工作站按时间戳的顺序进行存储并将相关数据以图形或数字的形式呈现，供标定和判断之用。控制直线电机驱动活塞作1000～2000次往返运动，使每项数据的集合能够包含某些因小概率现象的出现而导致的数据异动。在此基础上，获得用于精确逼近f1-1和f2-1所需的多项式P1和P2的系数的标定值，以所得标定值使St＝P1(Dt)和Saux＝P2(dt)能够反映活塞的实时位移，并计算出一组可以逼近g-1的多项式P3的系数。第二阶段，将活塞的运动速度提升到1.2×Vmax，即6m/s，用清亮的油雾间歇而缓慢地通过油雾喷入管27喷入蓄能器缸体，缓慢地增加缸内的油膜污染，直到Jt值发生波动。当Saux与位移尺给出的Sref之差增大到最大允许绝对误差时，或者当100％×(Saux-Sref)/Sref增大到最大允许相对误差时，停止直线电机的运动，将以上过程中出现过的Jt-P3(St)的最大值和最小值分别记为εamax和εamin。第三阶段，清除缸内喷入的油污，重新启动实验装置，改用氧化严重的深褐色油雾间歇而缓慢地喷入缸内，重复第二阶段全过程，但将本阶段出现过的Jt-P3(St)的最大值和最小值分别记为εbmax和εbmin，按以下规则为ε1和ε2取值：

[0125] εmax＝max(εamax，εbmax) εmin＝min(εamin，εbmin)

[0126] 如果εmax＞0且εmin＞0，则取ε1＝εmax ε2＝0

[0127] 如果εmax＜0且εmin＜0，则取ε1＝0 ε2＝εmin

[0128] 如果εmax＞0且εmin＜0，则取ε1＝εmax ε2＝εmin

[0129] εmax＜0而εmin＞0的情况不可能出现。在实验过程中，需始终监视e2和 的变化，以确保所获ε1、ε2、C1、C2、C3、VD、Vd、e1数值的有效性。