采用力锤激励和摄影测量的结构振动模态分析系统及方法与流程

本发明属于结构振动模态测试领域，涉及一种采用力锤激励和摄影测量的结构振动模态分析系统及方法。
背景技术：
：实验模态分析，是获取工程结构振动频率、阻尼和模态振型等固有特性的基本手段。在实际工程应用中，按照数据获取的不同，常用于结构振动模态分析的方法主要分为两类：一是基于输入输出的传统模态分析，即实验模态分析(EMA)；二是只基于输出的模态分析，即工作模态分析(OMA)。近20年来，工作模态分析已日渐成为研究热点，由于工作模态分析是只基于输出响应的，即假定输入为白噪声，目前所有的基于输出的模态识别方法都在这一假定下发展出来。而工程实际中所遇到的输入很可能不满足这一假定，使识别工作普遍遇到一些困扰，如模态定阶困难、虚假模态过多、识别误差等。采用力锤来获取输入信号可以有效解决这一问题。常用来获取输出的有加速度传感器、激光测振仪和高速摄像机。加速度传感器是最常用也是使用最广泛的模态测试工具，具有直接测量、测量精度高等优势。但是，采用加速度传感器测量会引入附加质量，一些特殊测试条件下不宜使用接触式测量工具。相较于加速度传感器，激光测振仪是一种非接触式测量仪器，测量精度高，测量频率带宽广。不足之处在于，需要很长时间获取扫描区域的测量数据，费时费力。使用高速摄像机可以克服以上两种测量工具的不足，这种测量方法也被称为摄影测量技术。现有的基于摄影测量的模态分析系统，大多只能单独分析视频或图像，只能对结构进行OMA，不能同时分析视频和力锤的输入信号，无法发挥EMA的优势。本发明为克服现有缺陷，公开了一种采用力锤激励和摄影测量的结构振动模态分析系统，可同时分析力锤的输入和高速相机的输出，为实际工程结构提供可靠的非接触式实验模态分析技术。技术实现要素：要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种采用力锤激励和摄影测量的结构振动模态分析系统及方法。技术方案一种采用力锤激励和摄影测量的结构振动模态分析系统，其特征在于包括力锤、IEPE信号调理器、数据采集器、触发电路和高速摄像机；所述力锤内设有IEPE型压力传感器；力锤信号的输出端连接IEPE信号调理器，IEPE信号调理器的输出端引出一路信号到触发电路的输入端，另一路经过数据采集器连接数据处理PC单元；触发电路的输出端连接高速摄像机的触发线路，高速摄像机的输出连接数据处理PC单元；当力锤对被测量结构施加激励力时，IEPE型压力传感器将力信号转化为电信号输出，输出的电信号经过IEPE信号调理器和数据采集器输入至数据处理PC单元；同时，IEPE信号调理器的输出通过触发电路启动高速摄像机，高速摄像机实时摄取力锤对被测量结构施加激励力时的图像数据，并传输至数据处理PC单元；数据处理PC单元将两种信号进行处理对被测量结构进行结构振动模态分析。在IEPE信号调理器与数据采集器之间连接一级放大器。一种采用所述采用力锤激励和摄影测量的结构振动模态分析系统获得振动位移的方法，其特征在于步骤如下：步骤1、测量视场的相对分辨率μ系数：将高速摄像机以被测物体的圆形标记点为测量视场，用高速摄像机采集该含有圆形标记的数据图像，采用圆形检测算法求出其圆形轮廓位置以及直径像素p，则该测量点处的相对分辨率系数为dr为圆形标记的直径，p用圆形检测算法得到的圆的直径，单位是像素；步骤2：设置力锤激励的采样率为3200hz，采样时间4s；设置高速摄像机的采集帧率为3200fps，触发后的采集帧数为12800张；力锤敲击被测圆形标记点，力锤激励得到力信号，并触发高速摄像机采集模块得到视频数据图像；步骤3、视频数据图像特征点检测：以第一帧图像作为参考帧，以参考帧图像中的标记点为感兴趣区域RegionofInterest，ROI，采用Harris角点检测算法对ROI区域进行检测，得到若干个像素点的位置坐标；以像素点的位置坐标作为追踪的起始点；步骤4、对特征点进行目标跟踪：目标跟踪采用Kanade-Lucas-Tomasi算法，从t时刻开始，采集到的图像序列为S＝(It,It+1,...,It+k)，u＝(x,y)表示t时刻图像上u点的位置坐标，记为It(x,y)在t至t+1时刻发生运动偏移量d＝(dx,dy)，则u一点在第t+1时刻图像上的位置记为It+1(x+dx,y+dy)；在以点u为中心的邻域w内，存在差值函数：ε(d)＝ε(dx,dy)＝∫w(It(x,y)-It+1(x+dx,y+dy))2dw目的是计算出运动偏移量d，使得ε(d)的值最小；此过程采用牛顿迭代法使得ε(d)的值收敛，若超出迭代设置次数仍不收敛，则认为该位置点追踪失效；步骤5、筛选目标跟踪轨迹：图像It作为最终轨迹的起始图像，从u点开始追踪为正向追踪，直至图像It+k，则运动轨迹为(ut,ut+1,...,ut+k)，记为It+k→It记为反向追踪但起始追踪点为末端点为ut；令则正反向两种的追踪轨迹误差为：设定阈值为δ＝0.001，单位：像素；当时，认为追踪的轨迹是有效的，否则认为追踪失效；步骤6、测量点的振动位移：根据步骤1测量点处的相对分辨率系数μ，步骤4得到符合精度要求的跟踪轨迹Tk，则该测量点处的振动位移为：x＝μ·Tk。所述步骤3中，采用SURF和最小特征检测算法取代Harris角点检测算法，得到若干个像素点的位置坐标。所述步骤4中，采用牛顿迭代法使得ε(d)的值收敛的迭代次数设置为30～50。一种采用所述采用力锤激励和摄影测量的结构振动模态分析系统，以及所述获得的振动位移进行模态分析的方法，其特征在于步骤如下：步骤(1)、频响函数计算：在被测量结构上设置有n个测量点，固定在第o个测量点处(o≤n)，激振k次，每次的激励力记为fi(i＝1,2,...k)；每激振一次，测得结构所有测量点的振动位移为：X＝{x1,x2,...xn}，激振k次后，每次测量点的振动位移为：Xi(i＝1,...2k)；频响函数为其中，表示Xi与fi的互功率谱估计，表示fi的自功率谱估计；频响函数矩阵为分别对进行全相位时移相位差矫正，得到新的频响函数步骤(2)、模态参数辨识：对得到的k次频响函数矩阵取平均，即将Ho写成其中No(ω)为分子多项式，D(ω)为分母多项式；则其中，N为多项式阶次，Zj(ω)为基函数，矩阵系数Aj和Boj就是最后要估计的参数；确定分母系数矩阵α(α＝{A1,A2,...An}T)，求解α的伴随矩阵的特征值λr和特征向量V，其极点就是特征值λr，模态参与向量Lr就是V矩阵的最后一行；第r阶的固有频率ωr和阻尼比ζr由下式计算：第r阶的模态振型φr由下式计算：其中，[LR]为下残余项，[UR]为上残余项。有益效果本发明提出的一种采用力锤激励和摄影测量的结构振动模态分析系统及方法，采用力锤激励和摄影测量的非接触式结构振动模态测试和分析系统，其特点在于，克服了以往的基于摄影测量的模态分析系统大多仅能对结构进行OMA的分析，本发明通过力锤与视频的同步采集，可达到全场位移同步测量，可准确估计由力锤和视频确定的结构频响函数矩阵，充分发挥EMA的优势，提高模态参数识别的精度和可靠性。实现对结构的快速高精度的非接触式模态测试和分析。附图说明图1是硬件系统设计。图2是悬臂梁的模态测试示意图。图3是相对分辨率的测试图。图4是振动位移计算的流程图。图5是目标跟踪算法的误差计算过程。图6是模态分析流程图。图7是悬臂梁结构振动模态的稳态图计算结果具体实施方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：硬件设计：1、力锤激励模块：包括力锤、IEPE信号调理器、电荷放大器、数据采集设备和数据采集软件。力锤激励系统的作用是对被测量结构施加激励力并采集激励力信号。该系统所用到的力锤，其工作原理是在其内部集成有一个IEPE型压力传感器，力锤的锤头敲击被测结构，会触发压力传感器工作，将力信号转化为电信号输出，输出的电信号被数据采集设备采集到实验用计算机中，再除以力锤的灵敏度就转化成了力信号。需要注意的是，IEPE型传感器一般不能直接连接数据采集设备的，需要一个恒流源供电，即IEPE信号调理器。因此，在本系统中，力锤信号的输出端先接入IEPE信号调理器，再从IEPE信号调理器引出输出端到计算机。当选用灵敏度较小的型号时，其力信号转化为电信号的转化比率低，产生电信号幅值较低。此时，为了便于做后续的力信号分析，需要加一个电荷放大器。2、触发相机采集模块，包括IEPE信号调理器、触发电路、相机外部触发线、高速摄像机和高速视频采集软件。触发相机采集系统的作用是保证模态分析系统可以同时采集到激励信号和响应信号，即当力锤敲击被测结构时触发高速相机同步采集。在力锤激励系统中，力锤的信号经过IEPE信号调理器，从IEPE信号调理器的输出端引出一路信号到触发电路的输入端，触发电路中集成有电压比较器和电荷放大器，与电压比较器设置的基准电压进行比较，当输入端电压大于基准电压时，电压比较器模块开始工作，输出一个TTL电平；否则，电压比较器模块不工作。其中，电压比较器模块采用TLV3501芯片，延迟时间可以达到4.5ns，可以保证在采样频率高达1MHz以内不会出现触发延迟。输出电压的幅值等于触发电路的供电电压，通常供电电压为3.5～5V。将触发电路的输出端连接至相机外部触发线路，触发线路的另一端接高速相机的外部触发口，当触发口接受到TTL电平时，高速摄像机开始采集视频。方法步骤：1、振动位移计算：(1)测量视场的相对分辨率计算：测量视场的相对分辨率α表示为：为了尽量避免镜头导致的图像畸变，只在测量点处的领域计算其先对分辨率。具体步骤：在待测量点附近放置与其在同一平面内的圆形标记，已知圆形标记的直径为dr＝15mm，采用圆形检测算法求出其圆形轮廓位置以及直径像素p，则测量点处的相对分辨率系数可表示为(2)特征点检测：采集到高速视频源以后，提取视频的第一帧图像作为参考帧。以参考帧图像中的某一个标记点为例，手动选择标记点区域(ROI区域)，用Harris角点检测算法对ROI区域进行检测，得到若干个像素点的位置坐标。除了Harris角点检测算法以外，还可以用SURF和最小特征检测算法。将这些像素点的位置坐标作为追踪的起始点。(3)对特征点进行目标跟踪：目标跟踪采用Kanade-Lucas-Tomasi(KLT)算法：假设参考点的位置为(x,y),发生了运动偏移量d＝(ξ,η)，则第二帧的位置为(x+ξ,y+η)。KLT算法假设两点处的亮度是一致的，即I(x,y,0)＝I(x+ξ,y+η,t)。令J(X)＝I(x,y,0)，I(X+d)＝I(x+ξ,y+η,t)，则J(X)＝I(X+d)+n(X)(1)其中n(X)为噪声。两点处亮度的差异值可以表示为：ε＝∫w[I(X+d)-J(X)]2wdX(2)其中，w是设定的求解区域窗的大小；ε记为残差，是关于运动偏差d的二次方的函数。首先，对I(X+d)做一阶泰勒展开，得到：I(X+d)＝I(X)+g·d(3)其中代入式(2)可得：ε＝∫w[I(X)+g·d-J(X)]2wdX＝∫w(h+g·d)2wdX(4)其中h＝I(X)-J(X)。使残差最小，令(4)式的最后一项对d的一阶微分为零，即：∫w(h+g·d)gwdA＝0(5)由于(g·d)g＝(ggT)d，并且认为d在w内是连续的，则：(∫wggTwdA)d＝-∫whdgwdA(6)可以简化为G·d＝e，其中G＝∫wggTwdA，e＝∫w(J-I)gwdA，e是计算残差，求解d使用牛顿迭代法。经实验验证，设定迭代次数为30次。当结果收敛时，认为得到的解为精确解；若不收敛，则认为该位置点追踪失效。(4)筛选目标跟踪轨迹：在对每个测量点区域进行特征点检测时，会得到很多纹理特征点。然而，并非每个特征点的跟踪精度都很高，甚至在跟踪某些特征点时会丢失像素点的位置信息。因此，需要对这些特征点的跟踪轨迹进行筛选假设图像序列为S＝(It,It+1,...,It+k),其中，u＝(x1,y1)表示t时刻图像点处的位置。图像It作为最终轨迹的起始图像，从u点开始追踪，直至图像It+k，则运动轨迹为(ut,ut+1,...,ut+k)。称此过程为正向追踪，记为同样，It+k→It记为反向追踪但起始追踪点为末端点为ut。令则正反向两种的追踪轨迹误差为：设定阈值为δ＝0.001(单位：像素)，当时，认为追踪的轨迹是有效的，否则认为追踪失效。(5)估计测量点的振动位移：由步骤(1)得到测量点处的相对分辨率系数α，步骤(4)得到符合精度要求的跟踪轨迹Tk，则该测量点处的振动位移可表示为：x＝α·Tk。2、实验模态分析(EMA)。实验模态分析主要分为两个步骤：一是综合力锤的输入和相机的输出计算结构的频率响应函数；二是由频响函数估计结构的模态参数，即频率、阻尼和振型。(1)频响函数计算：若在被测量结构上设置有n个测量点，固定在第o个测量点处(o≤n)，激振k次，每次的激励力记为fi(i＝1,2,...k)。每激振一次，测得结构所有测量点的振动位移为：X＝{x1,x2,...xn}，激振k次后，每次测量点的振动位移为：Xi(i＝1,2...k)。频响函数可由Xi与F的傅里叶变换之比表示，即实验模态分析中，估计Hi(f)的方法通常采用H1估计法，即其中，表示Xi与fi的互功率谱估计，表示fi的自功率谱估计。则频响函数矩阵的完整一列可表示为以为参考，分别对进行全相位时移相位差矫正，得到新的频响函数(2)模态参数辨识：对得到的k次频响函数矩阵取平均，即将Ho写成其中No(ω)为分子多项式，D(ω)为分母多项式。No(ω)和D(ω)可分别表示为其中，N为多项式阶次，Zj(ω)为基函数，矩阵系数Aj和Boj就是最后要估计的参数。确定了分母系数矩阵α(α＝{A1,A2,...An}T)，通过求解α的伴随矩阵的特征值λr和特征向量V，其极点就是特征值λr，模态参与向量Lr就是V矩阵的最后一行。第r阶的固有频率ωr和阻尼比ζr可由式(7)求得，第r阶的模态振型φr可由式(8)求得：其中，[LR]为下残余项，[UR]为上残余项。以悬臂梁的自由-自由模态测试为例。采用力锤激励和摄影测量的结构振动模态测试分析系统，包括硬件系统设计(图1)和软件系统分析。悬臂梁的自由-自由模态测试示意图如图2所示。其中：悬臂梁1、力锤2、信号调理器3、触发电路4、数据采集设备5、高速摄像机6、补光系统7、结构振动模态分析计算机8。具体实验步骤如下：1.实验设置。将悬臂梁的两端用弹簧绳悬挂，模拟自由-自由测试状态。测试一侧的表面粘贴标记点以作为测量点，调整相机位置，使测量视场集中在悬臂梁的标记点一侧，如图1所示。相机的采集帧率为3200fps，采集时间为4s；2.计算测量视场的相对分辨率。在悬臂梁的上方，放置一个特定的圆形标记，已知圆形标记的直径为15mm。用高速相机采集一张图像，如图3所示。采用圆检测算法得到图像中圆形标记所占的像素数，计算得到相对分辨率。为减小测量时图像畸变造成的影响，在每个测量点处都进行此操作，得到每个测量点处的相对分辨率。3.力锤信号和视频信号同步采集。同步采集需要用到的硬件有力锤、高速摄像机、相机外部触发线、数据采集设备、IEPE信号调理器、触发电路和实验用计算机。为保证采集数据的一致性，设置力锤激励系统的采样率为3200hz,采样时间4s，设置触发相机采集系统的采集帧率为3200fps，触发后的采集帧数为12800张。力锤敲击第三个测量点时，力锤激励模块得到力信号，触发相机采集模块得到视频源。4.振动位移计算。将步骤3得到视频源输入振动位移计算系统，得到所有测量点的坐标位置随时间的变化曲线。视频算法处理系统的具体流程图如图4所示。目标跟踪轨迹误差的计算过程如图5所示。模态参数计算。综合多次激励后的力信号和振动位移信号，由实验模态分析系统得到结构的模态参数。模态分析流程如图6所示。图7是悬臂梁结构振动模态的稳态图，表1是加速度传感器和高速相机辨识的频率结果。表2是加速度传感器和高速相机测量的MAC值。表1加速度传感器和高速相机的频率辨识结果阶次加速度传感器高速相机160.83460.8752330.344330.5243544.699545.9654812.488814.12651134.7111138.10471511.7461514.374表2加速度传感器和高速相机的MAC值计算结果阶次123456198.071.522.261.670.551.7223.9997.961.722.632.112.8432.412.0697.541.572.932.4141.791.742.9393.822.640.9150.371.323.042.4390.083.0261.981.321.861.783.4886.52当前第1页1 2 3