一种基于机器视觉的低频振动校准装置的制作方法

本发明属于振动校准技术领域，尤其适用于低频、大振幅的高精度振动传感器及测量仪校准。

背景技术：

低频振动传感器及测量仪被广泛用于桥梁建筑、地震、精密仪器、航空航天等领域的实时监控与振动参数测量。振动传感器及测量仪由于生产过程中的制造误差等原因或投入使用一段时间后设备老化等原因使其性能指标可能发生变化，导致振动传感器及测量仪所测得振动数据不准确，因此需要定期对振动传感器及测量仪进行校准。振动传感器及测量仪的校准是保证振动传感器及测量仪所测数据准确、可靠的前提。低频振动具有能量大、破坏性强的特点，低频振动传感器或测量仪用于低频振动信号的测量，因此对于低频振动传感器及测量仪的校准具有重要意义。

典型的振动传感器及测量仪校准方法有激光干涉绝对法校准、比较法校准等。该类校准装置及方法对于中高频振动传感器及测量仪校准结果很好，但对于超低频或低频、大振幅的振动传感器及测量仪校准，其无法在振动传感器及测量仪的整个测量范围内保证较好的校准结果。虽然目前校准技术人员对于低频、大振幅的振动传感器及测量仪的绝对法与比较法校准提出了许多改进与优化方案，但总体校准结果还是达不到振动传感器及测量仪在整个测量范围内高精度校准的需求。激光干涉绝对法在低频、大振幅时会出现散斑噪声，激光与振动台面很难保证严格垂直，且易受到环境噪声的影响，激光干涉仪成本较高，激光干涉绝对法只有在校准环境达到一定要求时才能保证低频振动传感器及测量仪的高精度校准；比较法在低频、大振幅时标准传感器的自身精度有限，使得整体校准结果精度不高。

因此，针对目前激光干涉绝对法与比较法对于低频、大振幅振动传感器及测量仪校准的不足，本发明提供一种操作简单、校准系统价格低、校准环境要求低、在振动传感器及测量仪的测量范围内实现高精度校准的低频振动校准装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种操作方便、校准系统成本低、校准环境要求低、整个测量范围内高精度校准的低频振动校准装置。

本发明实施实例提供一种基于机器视觉的低频振动校准装置，包括：

振动台，用于提供低频振动校准的激励信号；

标定板，用于成像及图像采集设备中视觉装置的标定；

照明设备，必要时用于提供成像及图像采集设备的照明；

成像及图像采集设备，实时拍摄并采集用于低频振动校准的振动台移动序列图像；

图像传输设备，用于实时传输成像及图像采集设备采集的低频振动序列图像；

图像处理及显示设备，用于处理采集到的振动序列图像，所测低频振动的数据存储及波形显示，输出校准结果。

所述振动台为提供标准低频振动激励信号的低频振动台，其由基座与振动工作台面组成。

所述照明设备为自然光源或白炽灯或日光灯。

所述成像及图像采集设备包括视觉装置与图像采集卡及隔振台等其他附属设备，隔振台用于固定视觉装置并使其垂直于振动台工作台面。

所述标定板选用几何尺寸已知的棋盘格方格板。

所述图像传输设备包括千兆以太网卡与网线或同轴电缆等，其中图像传输设备通过PCI-E总线与计算机通讯。

所述图像处理及显示设备包括计算机与显示器。

所述的低频振动校准类型包括位移型、速度型、加速度型低频振动传感器或测量仪。

本发明校准装置具有如下有益效果：

⑴与传统的低频振动校准装置相比，本发明校准装置操作简单、方便，只需调整视觉装置中相机的安装高度与镜头焦距，得到不同校准频率下合适的校准视场，即可实现低频振动校准。

⑵本发明校准装置中最为核心的部分为视觉装置，相对于激光干涉仪而言，其成本低。

⑶本发明校准装置可有效满足不同规格及尺寸的低频振动传感器或测量仪的校准，可实现多个振动传感器或测量仪的同时校准。

⑷本发明校准装置能够有效保证低频振动传感器及测量仪在整个测量范围内的高精度校准需求。

附图说明

图1为基于机器视觉的垂直低频振动校准装置示意图；

图2为基于机器视觉的水平低频振动校准装置示意图；

图3为基于机器视觉的低频振动校准工作原理图；

图4为本发明装置的具体实施实例所拍摄的部分低频振动序列图像；

图5-7为本发明装置的具体实施实例的低频振动校准结果图。

图中标号：

1-标定板；2-振动台；3-振动台工作台面；4-被校准低频振动传感器或测量仪；5-照明设备；6-成像及图像采集设备；7-图像传输设备；8-图像处理及显示设备。

具体实施方式

为了解决目前低频、大振幅振动校准在整个测量范围内校准精度有限及校准系统成本高的问题，本发明提供了一种基于机器视觉的低频振动校准装置，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做详细描述。

参考图1与图2为一种基于机器视觉的低频振动校准装置示意图。本校准装置由标定板1、振动台2、振动台工作台面3、照明设备5、成像及图像采集设备6、图像传输设备7、图像处理及显示设备8组成。

振动台工作台面3为振动台2的工作面，被校准低频振动传感器或测量仪4固定于振动台工作台面3上，被校准低频振动传感器或测量仪4与振动台工作台面3之间为刚性连接，被校准低频振动传感器或测量仪4与工作台面3具有同一运动特性；成像及图像采集设备6与被校准低频振动传感器或测量仪4的位置相对应；标定板1与振动台工作台面3相对应，并且两者位于同一平面内；成像及图像采集设备6固定于隔振台上，成像及图像采集设备6垂直于振动台工作台面3，成像及图像采集设备6与标定板1、振动台工作台面3所组成的同一平面垂直；成像及图像采集设备6与图像处理及显示设备8由图像传输设备7连接，图像处理及显示设备8实现被校低频振动传感器或测量仪4的运动特性测量；照明设备5放置在振动台2、成像及图像采集设备6之间。

振动台2用于提供低频振动校准的激励信号；

标定板1用于成像及图像采集设备中视觉装置的标定；

照明设备5用于提供成像及图像采集设备的照明；

成像及图像采集设备6实时拍摄并采集用于低频振动校准的振动台移动序列图像；

图像传输设备7用于实时传输成像及图像采集设备采集的低频振动序列图像；

图像处理及显示设备8用于处理采集到的振动序列图像，所测低频振动的数据存储及波形显示，输出校准结果。

参考图3为基于机器视觉的低频振动校准工作原理图。本发明低频振动校准的工作原理包括：

步骤S170：成像及图像采集设备实时采集低频振动序列图像，采集图像帧数满足Nyquist采样定理，保证能够反映低频振动传感器及测量仪的频率特性；

步骤S180：图像传输设备实时传输成像及图像采集设备采集到的低频振动原始序列图像；

步骤S190：图像处理及显示设备通过摄像机标定确定图像坐标系与世界坐标系的对应关系，低频振动序列图像的亚像素边缘检测处理得到表征低频振动的图像坐标点；

步骤S200：通过摄像机标定与亚像素边缘检测结果计算对应低频振动台帧间图像的空间位移，进而得到低频振动的位移/速度/加速度-时间信号；

步骤S210：低频振动位移/速度/加速度-时间信号的数据存储与显示；

步骤S220：输出低频振动传感器及测量仪的校准结果。

参考图4为本发明装置的具体实施实例所拍摄的部分低频振动序列图像，被校振动传感器固定于振动台工作台面，标定板放置于工作平面的右侧。本发明实施实例中的具体参数为：视觉装置的分辨率为1292x964、帧率为30fps，8mm焦距镜头，分辨率越大所采集的图像质量越好，帧率越高所校准的振动频率越高，视觉装置的安装高度和视场有关，取决于校准时低频振动传感器的振动幅度；8x8棋盘格相机标定板大小为200mmx200mm；光源选用60W的白炽灯；振动台选择水平空气轴承低频振动台；被校低频振动传感器选用加速度型传感器。本次实验的相机安装高度约为1.2m，视场范围约为510mmx380mm。

参考图5-7为本发明装置的具体实施实例的低频振动校准结果图，本次校准中的激光干涉绝对法校准结果是在环境达到低频振动传感器校准要求时完成。从不同频率的校准结果图中可以看出本发明装置与激光干涉仪所测加速度-时间信号的相对误差均小于1％，其说明了本发明装置的校准结果与此时的激光干涉绝对法的校准精度相当，本发明装置可有效克服目前低频、大振幅振动传感器及测量仪的校准系统成本高、校准环境要求高、整个测量范围内校准精度有限的问题。

以上所述详细说明是针对本发明有效可行实施实例的具体说明，并非用以对本发明作任何形式上的限定。应当指出的是，本领域技术人员可以在未脱离本发明技术原理下做出若干改进、变更或有效实施，这些改进、变更或有效实施均应包含于本发明的保护范围。