一种多维振动测试系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于结构动力学分析和测试【技术领域】，具体涉及一种多维振动测试系统。一种多维振动测试系统，包括振动源和结构模型，还包括设于结构模型的投射装置，用于接收从投射装置发出的投射光线的投影接收装置，用于收集投射在投影接收装置上的图像的视频收集装置，用于建立视频收集装置成像几何模型坐标轴的位置标定辅助件，以及用于对视频收集装置收集到的图像进行分析处理的图像提取分析模块。本发明将数字图像处理技术应用于结构振动测试领域，实现对结构模型多维振动测试，适用于多层结构及复杂结构的振动测试。整个系统结构简单，成本低廉。
【专利说明】一种多维振动测试系统
【技术领域】
[0001]本发明属于结构动力学分析和测试【技术领域】，具体涉及一种多维振动测试系统。
【背景技术】
[0002]结构试验是一门试验科学和技术，是研究和发展土木工程结构新材料、新结构、新施工工艺以及检验结构计算分析和设计理论的重要手段，在土木工程结构科学研究和技术创新等方面起着重要作用。动力试验是结构试验的内容之一，其具体项目较多，主要的项目有动力特性试验、颤振试验、摆振试验、落震试验和振动冲击环境试验。结构振动测试系统对于动力试验系统的测试是十分关键。
[0003]传统的测试技术已经比较成熟，并且成功运用多年，但是它也有局限性。以往的振动测试技术无法测试带显著扭转效应的结构位移量。以位移传感测试为例，传统的位移传感器是直接连在结构上的，当结构有X、y方向的位移时，位移传感器会跟着有位移响应，从而转化成电信号测出这个位移响应。当出现扭转效应的时候则会出现致命的误差。真实结构在地震、风、海浪等随机激励荷载作用下，扭转效应往往是不可避免的。因此科学地测试结构物空间运动的线位移和角位移，是实验测试技术面临的挑战。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，一种新的结构振动测试系统，解决传统测试方法在结构有显著扭转效应时有较大误差问题，该方法取材简单，成本低廉。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种多维振动测试系统，包括振动源、结构模型，所述振动源用于向结构模型施加激励；还包括设于结构模型，跟随结构模型运动并能实时反映结构模型运动状态的投射装置；用于接收从投射装置发出的投射光线的投影接收装置；用于收集投射在投影接收装置上的图像的视频收集装置；用于建立视频收集装置成像几何模型的位置标定辅助件；以及用于对视频收集装置收集到的图像进行分析处理的图像提取分析模块。本发明将图像处理技术引进振动测试系统中，在结构模型上设置投射装置，通过投射装置将结构模型受到振动源激励后产生的各方向上的实时位移状态投射到投影接收装置上。收集投影接收装置上图像，获取一定时间内投射点的位移信息，反算出结构模型的位移运动信息。
[0006]进一步地，所述结构模型一侧设有两个或两个以上的投射装置，相邻侧设有一个或一个以上的投射装置，每侧的投射装置皆设有对应的投影接收装置。三个投影接收装置设置于结构模型上，三个投射点的位移信息即为结构模型三个位置的位移信息，根据投射点位移信息反算出结构模型的两个平动位移量和一个角位移量。当结构模型形状不规则，或需要振动测试提供更精确的结果时，应根据实际需要增加投射装置和投影接收装置。
[0007]作为一种可选方案，所述投影装置为激光投射器，所述投影接收装置为投影屏，所述激光投射器设于结构模型，跟随结构模型运动，并将运动轨迹投射于投影屏。激光投射器与投影屏配合成像，再通过图像处理技术计算结构模型多个维度上的位移量，无需如传统振动测试系统那样使用大量传感器数据线，简化系统结构和测试、计算步骤，同时获得较高的测试精度。且激光投射器和投影屏容易获得，价格低廉。
[0008]优选地，所述位置标定辅助件为标定纸，所述标定纸上印有若干个标定点。使用标定纸作为位置标定辅助件，简单方便。
[0009]优选地，所述标定纸中的标定点为正方形/圆形，边长/直径为ri0mm，5行5列分布,共25点。标定点过大,不宜提高标定精度；选用标定点过少,不仅不宜提高精度,且标定范围受到限制变小，不利于测试。
[0010]优选地，所述标定纸中相邻两个标定点间距为4(T80mm。标定点宜紧凑布置；标定点间距过大，降低标定精度。
[0011]优选地，所述投射装置与相应的投影接收装置之间的距离为50(Tl000mm，且投射装置发出的光线投射到投影接收装置所形成的点直径大小为广3_。由于激光发射器投射出的激光束具有发散性，如果距离过大，则投影接收装置激光靶点过大，不利于靶点位置信息的提取；且距离控制在50(Tl000mm，利于系统装置布置，不占用大量空间。点直径大小控制在f 3mm同样是为了精确提取点的位置信息。
[0012]作为一种可选方案，所述视频收集装置为CCD摄像机，图像提取分析模块为安装有视频采集卡的计算机。普通CCD摄像机和视频采集卡等容易获得，取材简单，成本低廉。
[0013]作为一种可选方案，所述结构模型为多层结构，且每层皆设有投射装置。结构模型各层皆可设置投射装置，以满足对复杂结构的振动测试。
[0014]多维振动的测试方法，包括以下步骤:
51.安装布置:投射装置安装于结构模型，跟随结构模型运动，实时反映结构模型的运动状态；投影接收装置4与投射装置3相对设置；位置标定辅助件设置于投影接收装置前；开启投射装置，确保从投射装置发出的投射点完全落入位置标定辅助件所限定的范围内；
52.标定:关闭投射装置，调整视频收集装置的位置，使位置标定辅助件所限定的范围完全落入所收集到的图像范围内；采集一段3飞秒视频图像，提取视频文件中任意一帧，运用图像处理技术提取位置标定辅助件标定点位置坐标，对视频收集装置中收集到的图像进行曲面拟合标定；
53.测试:去除标定辅助件，开启投射装置，振动源向结构模型施加激励，视频收集装置同步收集相应的投射装置投射到投影接收装置的图像，确保不存在丢帧现象；
54.分析:运用数字图像处理技术对采集来的视频实时提取帧，分析帧得到结构模型的位移运动信息，停止施加激励，同步停止视频采集，反算结构模型的响应量，整理数据绘制结构层位移运动曲线。
[0015]本发明所述的多维测试系统和测试方法较现有技术具有以下显著的优点:
1、通过在结构模型上设置多个自由度，既可以测试结构振动两个水平方向位移，也可以测试结构振动扭转角度；
2、当结构模型具有多个结构层时，只需要在各个结构层设置投射装置，即可进行多层结构同步测试，克服了传统测试手段难以同时对多个结构层进行振动测试的弊端；
3、无需布置大量传感器数据线，简化了振动测试系统结构，使其尤为适用于体积较大，结构较为复杂的模型，同时减少测试和数据分析工作量，简单易行，且具有较高精度；
4、取材简单，使用的普通CCD摄像机、激光投射器和视频采集卡等容易获得的设备，成本低廉。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明多维振动测试系统一个实施例的结构示意图；
图2为图1所示实施例测试过程中的使用状态图
图3为本发明多维振动测试系统另一实施例的结构示意图；
图4为图3所示实施例中使用的标定纸示意图；
图5为本发明另一种可用标定纸的示意图；
图6为图3所示实施例中视频收集装置布置示意图；
图7为进行视频收集装置位置标定时的示意图；
图8为进行视频收集装置位置标定时视频图像示意图；
图9为视频收集装置位置标定流程图；
图10为进行多维振动测试过程中的使用状态图；
图11为本发明多维振动测试方法流程图；
图12为本发明再一实施例测试过程中的使用状态图。
【具体实施方式】
[0017]为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
[0018]实施例1:
如图1所示为本发明一种多维振动测试系统一个实施例。本实施例多维振动测试系统包括振动源I和结构模型2，结构模型2为多层结构，本实施例中，针对结构模型2中某一结构层进行多维振动测试。本实施例中，所述振动源I为振动底座，结构模型2设于振动底座。还包括设于结构模型2的投射装置3，且结构模型2 —侧设有两个投射装置3，相邻侧设有一个投射装置3。两个投影接收装置4设于结构模型2的两侧，与投射装置3相对应，以接收投射装置3发出的光线，并在投影接收装置4上显像。两个投影接收装置4与结构模型2之间设有视频收集装置5。投影接收装置4上覆盖有作为位置标定辅助件6的标定纸。注意视频收集装置5应设置于既不阻挡对投射装置3投射出的光线产生阻挡，又能确保投影接收装置4上覆盖有标定纸的范围完全落入成像画面中的位置上。图像提取分析模块7与视频收集装置5连接，对视频收集装置5中收集到的视频图像进行实时提取帧并进行分析。
[0019]本实施例多维振动系统按上述设置好后，按以下步骤进行多维振动测试:
51、标定:如图1所示，关闭投射装置3，调整视频收集装置5的位置，使位置标定辅助件6所限定的范围完全落入所收集到的图像范围内；采集一段3?5秒视频图像，提取视频文件中任意一帧，运用图像处理技术提取位置标定辅助件标定点位置坐标，对视频收集装置中收集到的图像进行曲面拟合标定；
52、测试:如图2所示，去除标定辅助件6，开启投射装置3，振动源I向结构模型2施加激励，视频收集装置5同步收集相应的投射装置3投射到投影接收装置4的图像，确保不存在丢巾贞现象； S3、分析:运用数字图像处理技术对采集来的视频实时提取帧，分析帧得到结构模型2的位移运动信息，反算结构模型2的响应量，停止施加激励，同步停止视频采集，整理数据绘制结构层位移运动曲线。
[0020]实施例2:
如图3所示为本发明一种多维振动测试系统另一个实施例。本实施例的多维振动测试系统，包括振动源1，结构模型2，作为投射装置3被设置的激光投射器，作为投影接收装置4被设置的投影屏，作为视频收集装置5被设置的CXD摄像机，作为位置标定辅助件6被设置的标定纸，以及作为图像提取分析模块7的计算机。本实施例中，振动源I为振动底座。结构模型2为多层结构，本实施例中，针对结构模型2中多个结构层进行多维振动测试。
[0021]具体地，本实施例所使用的结构模型2为多层结构，设于振动底座上。结构模型2一侧设有两个激光投射器，相邻侧设有一个激光投射器。结构模型2两侧分别设有一个投影屏，用以接收三个激光投射器投射出来的光线。所述光线在投影屏上形成点，该点的位置实时反映结构模型2上相应点的位置变化。投影屏上覆盖有标定纸，如图4所示为本实施例中所使用的标定纸，标定点61为正方形，边长为r1mm，间距为4(T80mm，5行5列分布，共25点。此外,如图5所示,标定点61也可以为圆形,直径为4"10mm。需要说明的是,位置标定辅助件6也可以使用其他设备，如标定板等常用于建立图像几何模型坐标的工具皆可使用，不对发明保护范围起限制作用。每块投影屏和结构模型2之间设有CCD摄像机。如图3所示，摄像机的位置不应阻挡激光投射器投射出来的光线。且如图8所述，CCD摄像机的位置设置也要保证标定纸上的标定范围完全落入CCD摄像机拍摄出来的图像范围内，优选地，标定纸上的标定范围位于图像范围正中央且标定范围占图像范围面积80%。进一步地，如图6所示，摄像机与投影屏之间的距离LI以50(Tl000mm为优选，同时应确保激光投射器发出的光线投射到投影屏上时所形成的点直径大小在f 3mm之间，且所有激光投射器投射在投影屏上的点皆落入标定范围内。所述计算机上安装有视频收集卡，以收集提取CCD摄像机拍摄到的视频图像，再进行分析处理，反算结构模型2的运动信息。
[0022]如图11所示为使用本实施例多维振动测试系统进行振动测试的流程图。具体地，需按以下步骤:
S1:安装布置:如图3所示，结构模型2设于振动底座，结构模型2每层设置三个激光投射器，其中两个激光投射器位于结构模型2的一侧，剩下一个位于结构模型2的另一侧；投影屏与激光投射器相对设置，投影屏与激光投射器的距离应确保激光投射器发出的光线投射到投影屏上时所形成的点直径大小在f 3mm之间；在投影屏上张贴标定纸，开启激光投射器，调整激光投射器与标定纸的相对位置，确保激光投射器投射出的点落入标定纸的标定范围内；
52.标定:如图7和8所示，对CXD摄像机进行标定时，应先关闭投射装置3，CXD摄像机的位置，使其与投影屏之间的距离LI在50(Tl000mm之间，且标定纸的标定范围完全落入CCD摄像机拍摄出来的图像范围内；采集一段3飞秒视频图像，传输至计算机，提取视频文件中任意一帧，运用图像处理技术提取标定纸上标定点61的位置坐标，对摄像机中收集到的图像进行曲面拟合标定，图10所示，进行振动测试前，先检测S2中系统标定步骤是否满足要求，若不满足，则重复S2 ;若满足则进行测试步骤S3，具体流程参见图9 ；
53.测试:如图10所示，去除标定辅助件，开启激光投射器，振动底座向结构模型2施加激励，激光投射器将结构模型2收到激励后相应点的运动轨迹投射至投影屏上，CCD摄影机捕捉投影屏上投射点的位置变化形成视频，传输至计算机；
S4.分析:计算机接收到CXD摄像机的视频后，设置于其上的视频收集卡，运用数字图像处理技术对采集来的视频实时提取帧，分析帧得到结构模型2的位移运动信息，停止施加激励，同步停止视频采集，根据结构模型2各层三个激光投射器投射点的位移信息列出三个非线性方程，解方程组得结构模型2被测试层的响应量，整理数据绘制结构层位移时程曲线。
[0023]实施例3:
如图12所示为本发明再一实施例的在进行多维振动测试过程中的使用状态图。本实施例的多维振动测试系统，包括振动源1，结构模型2，作为投射装置3被设置的激光投射器，作为投影接收装置4被设置的投影屏，作为视频收集装置5被设置的CXD摄像机，以及作为图像提取分析模块7被设置的计算机。
[0024]本实施例多维振动测试系统与实施例2的区别在于，施加于结构模型2上的激励由外界环境提供，如人为的推动、碰撞或锤击等。即所述振动源I为外界环境而非振动底座。本实施例模拟特定测试对象在外界环境振动激励下进行多维振动测试。
[0025]测试方法与实施例2的区别在于无需将结构模型2设于振动底座，将激光投射器设置于结构模型2的各层，然后布置好投影屏、CXD摄像机，连接计算机与CXD摄像机，进行标定。测试时，只需人为地向结构模型2施加激励即可。后续数据处理与实施例2中所阐述的一致。计算得出的数据结果精确，本发明不仅适用于在实验室中进行模拟测试，同样适用于对外界环境中特定结构物的多维振动测试。
[0026]本发明将数字图像处理技术应用于结构振动测试领域，实现对结构模型多维振动效应的测试。本发明不但适用于单层结构，同样可以用于多层结构及复杂结构的振动测试。整个系统结构简单，成本低廉，相比传统需布置大量传感器数据线的振动测试系统具有更高的适应性和可用性。且测试数据运算处理简单，结果精确。
[0027]以上针对本发明所提供的一种多维振动测试系统，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【权利要求】
1.一种多维振动测试系统，包括振动源(I)和结构模型(2)，所述振动源(I)用于向结构模型(2)施加激励，其特征在于，所述测试系统还包括: 设于结构模型(2)，跟随结构模型(2)运动并能实时反映结构模型(2)运动状态的投射装置(3)； 用于接收从投射装置(3 )发出的投射光线的投影接收装置(4 ); 用于收集投射在投影接收装置(4)上的图像的视频收集装置(5); 用于建立视频收集装置(5)成像几何模型坐标轴的位置标定辅助件(6)； 以及用于对视频收集装置(5)收集到的图像进行分析处理的图像提取分析模块(7)。
2.根据权利要求1所述的多维振动测试系统，其特征在于，所述结构模型(2)—侧设有两个或两个以上的投射装置(3)，相邻侧设有一个或一个以上的投射装置(3)，每侧的投射装置(3)皆设有对应的投影接收装置(4)。
3.根据权利要求1所述多维振动测试系统，其特征在于，所述投影装置(3)为激光投射器，所述投影接收装置(4)为投影屏，所述激光投射器设于结构模型(2)，跟随结构模型(2)运动，并将光线投射到投影屏。
4.根据权利要求1所述多维振动测试系统，其特征在于，所述位置标定辅助件(6)为标定纸，所述标定纸上印有若干个标定点(61)。
5.根据权利要求4所述多维振动测试系统，其特征在于，所述标定纸中的标定点(61)为正方形/圆形，边长/直径为4?10mm,5行5列分布,共25点。
6.根据权利要求4所述多维振动测试系统，其特征在于，所述标定纸中相邻两个标定点(61)间距为4(T80mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的多维振动测试系统，其特征在于，所述投射装置(3)与相应的投影接收装置(4)之间的距离为50(Tl000mm，且投射装置(3)发出的光线投射到投影接收装置(4)所形成的点直径大小为f3mm。
8.根据权利要求1-6任一项所述的多维振动测试系统，其特征在于，所述视频收集装置(5)为CCD摄像机，图像提取分析模块(7)为安装有视频采集卡的计算机。
【文档编号】G01M7/06GK104374538SQ201410794563
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】孙作玉, 王晖, 巫鹏飞 申请人:广州大学