关于振动试验视频图像测试技术探讨

戴鑫

摘 要：如今，随着科学技术的发展，数字视频技术的应用也是越来越广泛。一套用于设计视频图像的测振系统是以普通USB数码摄像头和PC终端作为主要硬件设备。采用这种测振系统可以轻松识别出悬挂集中质量的简支梁模型并且得出相应的一阶模态数据。同时利用一款编辑软件，对振动视频的采集以及图像边缘进行编制监测，获取梁振动过程中发生位移的时程曲线，并对这些曲线进行模态分析，得出简支梁模型的固有频率、阻尼比以及振型，通过相关试验验证表明，利用这种测振方法进行低频结构的振动测试是正确的。

关键词：振动与波；数字视频；振动测试

前言

目前为了解决结构振动的问题，必须要进行动载试验。以往都是采取加速度、应变测试元件等一些常规的点式监测方法来获取所需要的振动信息。对于这些常规检测方法来说，不仅监测获取的信息不全，而且还都是接触式的测量，在这些监测过程中因为需要考虑到负载效应等因素的影响，因此很难准确的了解到全面的结构状态。而对于一些振动状态比较复杂的结构来说，常规的监测方法就显得不够完美。为了获取复杂结构的振动信息，全面掌握振动状态如果还是采取常规的监测方法的话，就需要在复杂结构的多个地方设置传感器，即使这样，在最后的数据传输也难以实现数据同步，整个监测过程不仅工作量大，测事时间较长，而且还会增加整个项目的預算。为了更好的解决这类问题，采用图像测量技术就更好的表现出与传统测量技术的不同，例如，不用和测量对象进行接触，也能完成表面全尺寸、无负载效应的监测工作，同时图像测量监测技术也有着很强的环境适应能力、无设备损耗以及重复可比性等优点。对于这种监测技术来说，无论是静态测量还是动态测量，都能够完成结构空间的高密度监测工作，并且也能获取全面精确的监测信息。正是因为视频图像监测技术的这些优点，才使得视频图像监测技术从刚刚问世之初就受到高度关注，近年来也得到了迅速发展，被越来越多的监测工作投入使用。例如，李敏提出的结构一维大变形识别的数字图像边缘监测法，员向荣提出的结构边缘变形监测法等。本篇文章讲述的是在数字图像监测技术的基础上，然后利用数码摄像头以及PC终端作为主要硬件设备的监测系统，最后利用相关的编辑软件完成视频图像测振的工作。对于这种监测技术，也在实验室进行了挂集中质量的简支梁模型的振动监测的试验，试验结构表明，采用这种视频图像监测技术，能够更好的完成低频结构的振动测量的工作。

一、 视频图像测振系统

对于监测的结构振动的动态响应数据我们能够看作为一组准静态数据的时域序列。而利用视频图想监测技术完成工作的原理就是，利用CCD或者CMOS图像传感器对目标对象进行实时拍摄同时记录下拍摄对象的在振动状态下的一系列实时图像。利用视频图像技术能更好的识别出准静态的变形序列的振动状态。同时对所获取的数据进行处理，根据数据处理结果模拟出监测对象的振动轨迹。这种视频图像监测系统一般是由硬件系统和软件系统共同组成的。

对于硬件系统来说，监测对象的视频监测不仅可以使用视频采集卡，还可以使用USB接口的普通的数码摄像机。对于数码采集卡来说，一般会提供相应品牌和型号的动态数据连接库以及开发工具包，因此，使用数码采集卡来说，其价格也相对比较昂贵。而对于USB接口的普通数码摄像机来说，其价格便宜，性能也能完成相应工作，并且也不需要使用配图采集卡就可以直接进行视频图像的处理。另一方面，对软件系统来说，是在相应的编制程序基础上，进行包括视频采集、视频分解、图像处理以及信号分析等四个模块。

二、动态位移的识别方法

动态位移的图像边缘有阶跃型和屋脊型两种灰度变化趋势。对于常规的边缘监测方法来说，只能够检测出整像素的边缘，如果需要监测出更精确的位置信息，就需要采用亚像素边缘定位方法来实现。目前最常用的亚像素边缘定位方法有矩算子法、高斯曲线拟合法以及多项式拟合法。其中矩算子法的工作原理是以理想的二级阶跃边缘来计算实际的边缘，这种计算方式固然会存在一些计算误差。对于高斯曲线拟合法来说，采用这种方法的计算则更能接近实际边缘尺寸，因为高斯拟合法也具有高精确定位的特点。同时，对于一些不规则的边缘来说，也可以精确的计算出实际边缘尺寸，但是采用高斯拟合法的测量虽然结果精确，但需要比较大的计算量，过程比较繁琐，计算机也很难实现。而多项式拟合法则刚好能满足前两项方法的优点，不仅定位信息精确，而且过程相对比较简单，容易实现，因此，相比之下，就体现出多项式拟合法是一种更好的边缘定位方法。多项式拟合法的基本思路就是采取多项式函数来拟合边缘灰度的变化趋势。在实际监测边缘的过程中，对于一些灰度变化比较明显的边缘，可以采用获取垂直边缘附近的像素来进行识别，同时位置边缘对应的也是多项式函数曲线的转折点。

三、模型试验

根据相关信息，进行一次采用槽形梁同时在三分点处悬挂质量为1KG的质量块，整个梁长度为1.2m，同时相同长度的材质相同，质量忽略不计。整个梁的表面均匀光滑，呈纯黑色，在光照良好的时间段进行拍摄，拍摄背景颜色选择纯白色，这样有利于边缘的确定。同时采用普通的数字摄像头进行视频的采集工作。采用施加集中外力进行激振，使其产生初始位移，在实验场所开始进行振动试验。等到简支梁振动稳定后在进行视频的采集工作。然后利用相关的软件对采集到的数据信息进行处理，选用多项式拟合边缘灰度曲线，来得到各个像素点所发生的位移时间序列，然后选出相应的位移时程绘制出曲线和频谱图。

四、结语

正式因为采用普通数码摄像头以及PC终端机作为主要设备的视频图像振测系统价格低廉以及性能稳定的优点，同时此振测系统的测试原理也相对比较简单、整个测试过程都可采用非接触的方式。也没有其它的负载效应，因此采用视频图像振测技术进行检测的方式在目前也是被广泛接受，随着如今硬件设施价格的不断降低以及视频图像处理技术的不断提高，更是推动了视频图像振测技术的快速发展。本篇文章在数字图像测量技术的基础上，又采用相关处理软件来完成非接触式振动的检测工作，同时通过实验室模型进行相关实验，实现了简支梁模型振动的测量工作，其相关的实验数据为视频图像测振技术进一步应用到实际结构的振动检测工作提供了有力的参考价值。

参考文献：

[1]董湘婉.基于三维数字图像检测技术的钢桁梁振动分析研究[D].广州大学，2018.

[2]徐旻杰.基于视频图像边缘检测技术的斜拉桥振动研究[D].广州大学，2018.

[3]张盼.基于视频图像边缘检测技术的两跨连续梁振动研究[D].广州大学，2016.