基于条纹投影的远程低频振动测量方法与流程

本发明涉及一种远程低频振动测量方法，属于光学振动测量领域。

背景技术：

在目前的工业检测中，对于大型建筑，桥梁等的低频振动测量一般使用接触式测量或传感器测量的方法。其中，接触式测量的时间往往比较长而且很难进行大范围检测，传感器测量的精度会随传感器自身使用时间的增加而降低，并且嵌入在建筑内的传感器是否能正常工作需要实时确认，增加了测量结果的不确定性。如果测量结果不能正确反映建筑的实际振动状态，那么没有被检测到的异常振动就可能对建筑物造成永久损伤，严重时会造成重大人员伤亡和财产损失。基于这种原因，这里提出一种基于条纹投影的远程光学振动测量方法，可以很好地检测到低频振动。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以对低频振动进行远程测量的测量方法。本发明的技术方案如下：

一种基于条纹投影的远程低频振动测量方法，包括下列的步骤：

(1)在条纹生成设备中生成等宽度的黑白条纹图像。

(2)将条纹生成设备连接上投影仪，投射黑白条纹到待测振动台表面，调节ccd相机曝光度使所采集到的条纹图像的黑白部分宽度相等，使用ccd相机拍摄投影到振动台表面的条纹图像。

(3)测量系统参数，获得ccd相机到振动台表面的距离，ccd相机与投影仪水平距离，相机焦距，实际条纹周期长度等数据。

(4)对拍摄到条纹图像中有条纹的部分进行选取，使用傅里叶轮廓变换术恢复振动台表面在每一采样时刻的高度变化。

(5)在获得的一系列复原图像中选取一个采样点，取得每一采样时刻该点的高度信息。

(6)建立一个表格，将步骤五中得到的高度信息填入表格中，每个高度数据对应其采样时刻。

(7)在matlab中使用绘图功能，以时间为横轴，步骤六中的高度数据为纵轴，绘制出选取的采样点高度的变化曲线即为振动轨迹。

(8)选取相邻两个波峰/波谷的时间轴坐标，计算出振动的频率，再通过相邻的波峰和波谷高度差计算出振动的幅度。

本发明的有益效果如下：

1、简单方便地解决了测量某些不容易到达位置或不可接触位置处振动的问题，该方法具有较高的精度和灵敏度。

2、可移植性好，针对不同位置处的振动测量，只需要改变投影条纹的位置和ccd相机拍摄的位置即可，实验程序也能在各种操作系统下通用。

3、整体设计算法简单，步骤少，在ccd相机低帧率采样的情况下能够实现实时监测，对异常振动及时做出警告。

附图说明

图1本发明基于条纹投影系统的远程低频振动测量的装置示意图

图2本发明基于条纹投影系统的远程低频振动测量的计算流程图

图3本发明基于条纹投影系统的远程低频振动测量结果

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行进一步的说明阐述。

参见图1，本发明基于条纹投影系统的远程低频振动测量的装置示意图：图像采集采用高清120万像素ccd相机，投影设备采用epson的cb-s18+型投影仪，待测物体采用可控频率和振幅的振动台，条纹生成设备是任意pc或便携移动设备，只要设备可以连接到投影仪即可，图像接收设备安装有ccd相机驱动与matlab程序，不需要安装其他软件，可以很方便地进行远程振动测量。

条纹生成设备通过程序产生虚线框内所示的黑白条纹，连接上投影仪，调节投影仪的调焦旋钮使生成的图像清晰地投影在待测的振动台上。控制振动台产生一个恒定频率与幅度的低频振动。调节ccd相机的曝光度使条纹的黑白部分等宽，调节焦距使之对焦在振动台表面。通过程序控制ccd的采样速率(默认为40帧/秒)并保存所有图像，再通过matlab软件计算出低频振动的频率和幅度。

参见图2，本发明基于条纹投影系统的远程低频振动测量的计算流程图，以下简述其相应步骤：

(1)先调节振动台使之正常运转，通过调节相机使得图像中的条纹达到清晰的程度，拍摄照片。

(2)从获取到的图像中选一幅作为参考图像i0，其余图像分别作为i1，i2，……，im(其中m为拍摄到图像的总张数)，对所有图像选择其中有条纹的部分。

(3)对上一步选择好的所有图像进行二维傅里叶变换，得到一系列频谱图f0，f1，f2，……，fm。

(4)设计一个矩形窗函数w进行滤波，得到频谱图中的基频分量。具体方法是将窗函数与频谱图相乘，即w×fm(m＝0,1,2，……，m)。在窗函数内的频谱分量不变，窗函数外的频谱分量变为零。对所有图像进行此步操作。

(5)对选取到的基频分量进行二维傅里叶反变换恢复到时域，得到参考图像和每一幅其他实验图像的基频反变换矩阵

(6)将参考图像的基频反变换矩阵与每一幅其他实验图像的基频反变换矩阵共轭相乘，即计算(m＝1,2，……，m)。取每一组计算结果的自然对数，再取其虚部即可得到相位差将其带入到相位高度转换公式中，可得到振动台表面每一时刻的复原图像。

(7)选取一个采样点，提取上一步中每一时刻的复原图像在采样点处的高度值，并按照时间先后绘制该采样点的振动轨迹曲线，最后从轨迹曲线中得到该低频振动的频率和幅度。

参见图3，本发明基于条纹投影系统的远程低频振动测量结果，可以看出振动从频率1hz，振幅约1mm到频率2hz，振幅约2mm有一个明显的突变，这是由于实验中我们在2.6s左右改变了振动台的参数。在测量其他低频振动时，我们也可以得到一条类似的振动轨迹曲线，从而计算出振动的频率和幅度。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种基于条纹投影的远程低频振动测量方法，包括：在条纹生成设备中生成等宽度的黑白条纹图像。将条纹生成设备连接上投影仪，投射黑白条纹到待测振动台表面，调节CCD相机曝光度使所采集到的条纹图像的黑白部分宽度相等，拍摄投影到振动台表面的条纹图像。对拍摄到条纹图像中有条纹的部分进行选取，使用傅里叶轮廓变换术恢复振动台表面在每一采样时刻的高度变化。以时间为横轴，高度数据为纵轴，绘制出选取的采样点高度的变化曲线即为振动轨迹。选取相邻两个波峰/波谷的时间轴坐标，计算出振动的频率，再通过相邻的波峰和波谷高度差计算出振动的幅度。

技术研发人员：吕辰刚;刘宇翔;高嘉乐;张绪赓;苌雨晴;刘宁
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2017.07.13
技术公布日：2017.10.27