位感条纹三维振动测量原理及试验研究
发布时间：2021-09-11 11:02
针对当前单目视觉测量方法难以实现结构三维振动同步测量的问题,提出一种基于位感条纹和高速相机的结构三维振动同步测量新方法。在建立测量系统完整的原理模型基础上,系统描述单相机成像坐标下采用单个位感条纹获取结构三维动态位移信息的测量原理,建立成像位感条纹三维编码动态参数与结构实际三维位移之间的内在联系,推导各维位移的计算公式。通过结构三维运动和视觉成像系统的联合仿真模型,验证位移测量原理和算法的正确性;并通过仿真和试验分析系统的测量性能及其影响因素。通过对结构已知三维运动的测量,并与基于三维加速度传感器的接触式测量方法进行对比试验,验证基于位感条纹的视觉测量方法及系统在实现结构三维振动位移准确同步测量的有效性。
【文章来源】：机械工程学报. 2019,55(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图5位感条纹图及宽度方向中心线确定原理2系统测量性能影响因素分析
三维位移测量的不确定度与位感条纹图像分辨率和信噪比的关系，对静止结构表面的位感条纹进行拍摄。模拟中采集了两组分辨率分别为476×238像素点和1276×638像素点的位感条纹序列，每组序列为200张。然后对不同分辨率的两组位感条纹序列图像加入不同量级的高斯白噪声，分别生成九组条纹信噪比分别为10、20、30、40、50、60、70、80和90dB的条纹序列。然后采用提出的位移算法计算各组条纹序列的三维位移并计算位移的标准偏差来评估位移测量的不确定度，模拟结果如图6所示。由图可知，当位感条纹图的分辨率固定时，其各方向的位移不确定度随着条纹图像信噪比的增加而减校从图6a和6b对比可以看出，增加位感条纹的图像分辨率也可以减小各方向位移的测量不确定度。从不同方向的位移不确定度变化曲线可以发现，在条纹图像信噪比低于50dB时，该测量系统X方向的位移不确定度比Y和Z方向的不确定度要大得多。而随着条纹质量的提高，测量系统三个方向的位移不确定度差别越来越校当位感条纹分辨率为1276×638像素点、信噪比为50dB时，X、Y和Z方向的位移不确定度分别为0.1μm、0.2μm和0μm。因此，在获得高质量的位感条纹图像的情况下，该系统可获得较好的三维位移分辨率。图6位感条纹图分辨率和信噪比与位移不确定度的关系3试验及分析为了验证提出的基于位感条纹的结构三维振动测量系统的可行性与准确性。搭建了一套试验测量系统分别对安装于三维电动移动平台的轻质平板结构和安装于激振器输出端悬臂梁的三维振动进行测量，试验装置如图7所示。试验中采用型号为PCO.1200hs的CMOS高速相机，其最大?
?Z方向上的时域运动曲线，其往复运动幅值与各移动平台设置的幅值相等。验证了该振动测量方法各方向位移计算算法的正确性与准确性，也说明了该基于单个位感条纹的结构三维振动测量系统可实现结构三维振动的同步测量。图8平板结构三维位移测量结果为了对该测量系统的测量精度进行验证，采用三维电动移动平台分别在X、Y和Z三个方向产生5步位移增量为10μm的阶梯运动。在运动过程中采用提出的动态测量系统对该位移进行测量，并通过提出的位移提取算法得到结构三个方向的阶梯位移曲线如图9所示。由图可知，系统可以分辨三个方向步距为10μm的阶梯运动。但是由于本系统中相机单个像素点尺寸和位深分别为12μm×12μm和8位，采集得到的位感条纹信噪比较差，导致计算条纹密度信息时的误差较大。所以系统X方向的位移曲线噪声水平较大。但是系统X和Y方向的位移信号信噪比较高，可实现微米量级位移的分辨与测量。图9结构三维阶梯位移试验测量结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于机器视觉的大柔性结构振动位移测量[J]. 徐超,张一凡,韩晓明,邓建军. 振动.测试与诊断. 2017(04)
[2]基于立体机器视觉的动目标空间位姿测试研究[J]. 歹英杰,汪伟,邓士杰,苏续军. 振动与冲击. 2015(16)
[3]基于计算机视觉的位移测试方法研究与实现[J]. 陈苏,陈国兴,韩晓健,戚承志,杜修力. 振动与冲击. 2015(18)
[4]基于双目立体视觉与数字散斑图像相关的全场振动测量[J]. 陈忠,陈教豆. 振动与冲击. 2015(13)
[5]基于条纹投影的振动扬声器形变测量[J]. 陈露,王效惠,李雪,张启灿. 光学与光电技术. 2015(01)
[6]无目标计算机视觉技术在斜拉索振动测试中的应用研究[J]. 季云峰. 振动与冲击. 2013(20)
[7]频谱分析的校正方法[J]. 谢明,丁康. 振动工程学报. 1994(02)
本文编号：3392882
【文章来源】：机械工程学报. 2019,55(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图5位感条纹图及宽度方向中心线确定原理2系统测量性能影响因素分析
三维位移测量的不确定度与位感条纹图像分辨率和信噪比的关系，对静止结构表面的位感条纹进行拍摄。模拟中采集了两组分辨率分别为476×238像素点和1276×638像素点的位感条纹序列，每组序列为200张。然后对不同分辨率的两组位感条纹序列图像加入不同量级的高斯白噪声，分别生成九组条纹信噪比分别为10、20、30、40、50、60、70、80和90dB的条纹序列。然后采用提出的位移算法计算各组条纹序列的三维位移并计算位移的标准偏差来评估位移测量的不确定度，模拟结果如图6所示。由图可知，当位感条纹图的分辨率固定时，其各方向的位移不确定度随着条纹图像信噪比的增加而减校从图6a和6b对比可以看出，增加位感条纹的图像分辨率也可以减小各方向位移的测量不确定度。从不同方向的位移不确定度变化曲线可以发现，在条纹图像信噪比低于50dB时，该测量系统X方向的位移不确定度比Y和Z方向的不确定度要大得多。而随着条纹质量的提高，测量系统三个方向的位移不确定度差别越来越校当位感条纹分辨率为1276×638像素点、信噪比为50dB时，X、Y和Z方向的位移不确定度分别为0.1μm、0.2μm和0μm。因此，在获得高质量的位感条纹图像的情况下，该系统可获得较好的三维位移分辨率。图6位感条纹图分辨率和信噪比与位移不确定度的关系3试验及分析为了验证提出的基于位感条纹的结构三维振动测量系统的可行性与准确性。搭建了一套试验测量系统分别对安装于三维电动移动平台的轻质平板结构和安装于激振器输出端悬臂梁的三维振动进行测量，试验装置如图7所示。试验中采用型号为PCO.1200hs的CMOS高速相机，其最大?
?Z方向上的时域运动曲线，其往复运动幅值与各移动平台设置的幅值相等。验证了该振动测量方法各方向位移计算算法的正确性与准确性，也说明了该基于单个位感条纹的结构三维振动测量系统可实现结构三维振动的同步测量。图8平板结构三维位移测量结果为了对该测量系统的测量精度进行验证，采用三维电动移动平台分别在X、Y和Z三个方向产生5步位移增量为10μm的阶梯运动。在运动过程中采用提出的动态测量系统对该位移进行测量，并通过提出的位移提取算法得到结构三个方向的阶梯位移曲线如图9所示。由图可知，系统可以分辨三个方向步距为10μm的阶梯运动。但是由于本系统中相机单个像素点尺寸和位深分别为12μm×12μm和8位，采集得到的位感条纹信噪比较差，导致计算条纹密度信息时的误差较大。所以系统X方向的位移曲线噪声水平较大。但是系统X和Y方向的位移信号信噪比较高，可实现微米量级位移的分辨与测量。图9结构三维阶梯位移试验测量结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于机器视觉的大柔性结构振动位移测量[J]. 徐超,张一凡,韩晓明,邓建军. 振动.测试与诊断. 2017(04)
[2]基于立体机器视觉的动目标空间位姿测试研究[J]. 歹英杰,汪伟,邓士杰,苏续军. 振动与冲击. 2015(16)
[3]基于计算机视觉的位移测试方法研究与实现[J]. 陈苏,陈国兴,韩晓健,戚承志,杜修力. 振动与冲击. 2015(18)
[4]基于双目立体视觉与数字散斑图像相关的全场振动测量[J]. 陈忠,陈教豆. 振动与冲击. 2015(13)
[5]基于条纹投影的振动扬声器形变测量[J]. 陈露,王效惠,李雪,张启灿. 光学与光电技术. 2015(01)
[6]无目标计算机视觉技术在斜拉索振动测试中的应用研究[J]. 季云峰. 振动与冲击. 2013(20)
[7]频谱分析的校正方法[J]. 谢明,丁康. 振动工程学报. 1994(02)
本文编号：3392882
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