摘 要: 介紹一種高效率、高精度的振動測量和分析方法。與傳統(tǒng)方法不同,該方法是基于計算機及其運行環(huán)境的一種無接觸測量方法,通過測量與分析軟件實現(xiàn)對振動圖象的數(shù)字化處理,從而獲得傳統(tǒng)方法無法達(dá)到的滿意效果。
關(guān)鍵詞: 振動 測量與分析 圖象處理
太陽能電池帆板是人造衛(wèi)星的主要能源。在衛(wèi)星巡航時,太陽能電池帆板必須隨時根據(jù)陽光照射的方向來調(diào)整自己的方位。這就相當(dāng)于在不斷給太陽能電池帆板施加激勵,由于電池帆板具有薄而大的物理特性,所以這個激勵很容易導(dǎo)致振顫。在一定條件下,還有可能演變成共振,這樣就非常容易損壞太陽能電池帆板,以至于衛(wèi)星無法正常工作。因此,對衛(wèi)星的電池帆板的振動特性做一個詳細(xì)而精確的測量與分析,并由此來決定帆板的控制結(jié)構(gòu)與控制規(guī)律,對于保障衛(wèi)星的安全運行具有重大的意義。這正是開發(fā)這個系統(tǒng)的初衷。同時,任何一個力學(xué)系統(tǒng)在工作時都有可能發(fā)生振動,而且這些振動往往會影響該系統(tǒng)的正常工作。而當(dāng)前所使用的測量和分析方法主要是力學(xué)測量與分析方法,這種方法測量系統(tǒng)龐大,數(shù)據(jù)分析效率低下,甚至有時會損壞待測結(jié)構(gòu)并且所獲得的結(jié)果具有較大的隨機性。所以,提出一種基于計算機的高效、高精度的測量與分析的方法具有廣闊前景和深遠(yuǎn)意義。
1 系統(tǒng)整體組成框圖
計算機振動測量分析系統(tǒng)主要由待測物體部分、光學(xué)成像部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、計算分析部分和結(jié)果輸出部分構(gòu)成。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)主要硬件介紹
2.1 CCD黑白攝像頭
CCD攝像管是電荷耦合器件,在硅片上集成了以陣列分布的成像單元及相應(yīng)的控制電路、輸出電路。當(dāng)有一束平行光照射到鏡頭上時,所有的成像單元處于導(dǎo)通狀態(tài),輸出的圖象為全亮平面(圖2a);當(dāng)有一個U形物體擋在鏡頭前方時,由于部分光線被擋住,導(dǎo)致部分成像單元處于截止?fàn)顟B(tài),所以輸出圖象就會形成一個U形的陰影(圖2b)。當(dāng)物體振動時,在任何時刻物體的形態(tài)都被以這種方式記錄下來了。光電三極管分布越密,分辨率就越高。
2.2 圖象采集卡
攝像頭傳送過來的電信號與計算機之間的接口是圖象采集卡。本系統(tǒng)所使用的圖象采集卡為DH-VRT-CG200圖象卡,是一種基于PCI總線的高速彩色圖象采集卡。該卡輸入彩色視頻信號經(jīng)過數(shù)字解碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和色空變換等處理,通過PCI 總線傳送到計算機上的VGA卡實時顯示,同時還能將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存實時存儲,以便作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)的傳送是由采集卡自身控制的,無須CPU的參與。其傳送速度可以達(dá)到40MB/s,每秒可傳送24幅清晰的圖像。
3 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
3.1 與圖象采集卡有關(guān)的函數(shù)
由于圖象數(shù)據(jù)是采集卡直接送到內(nèi)存的,所以必須有配套的庫函數(shù)來進(jìn)行這方面的處理。主要的庫函數(shù)包括圖象卡的調(diào)用,圖象參數(shù)的選擇和內(nèi)存的申請與釋放。通過這些庫函數(shù)的調(diào)用,我們可以很方便地選擇一定的色空格式將圖象數(shù)據(jù)送到指定的內(nèi)存塊去。
3.2 關(guān)于圖像提取的算法
3.2.1 動態(tài)分塊濾波算法
由于從攝像機傳送過來的數(shù)據(jù)是物體及其周圍環(huán)境的真實反映,所以存在著各種外在的干擾。即使在實驗中盡量改善測量環(huán)境,如讓與待分析振動無關(guān)的物體(如支撐物等)不要進(jìn)入圖象,增加光線照射的強度,來減少物體自身投影的影響。但是有用信號中混有的干擾信號總是無法完全消除的。因此,在對原始圖象進(jìn)行識別處理之前,必須將上述的干擾因素排除,也就是要先對原始采樣信號進(jìn)行濾波。由于干擾信號的存在具有隨機性,所以本系統(tǒng)設(shè)計了“動態(tài)分區(qū)濾波”的方法來進(jìn)行處理。該方法的具體算法如下:第一步,將整個圖象區(qū)用十字形劃分為四塊B1、B2、B3和B4,如圖3所示。
然后通過下面的公式求出每塊的平均灰度值H1、H2、H3和H4。其中H的上標(biāo)(0)代表第零次分區(qū),以下上標(biāo)意義與此相同。
再將每一個分塊按上述方法分成四等份B11、B12、B13和B14,這樣就把噪音信號進(jìn)行“分而濾之”的處理,如圖4所示。
利用類似的公式對每小塊求出塊平均灰度值H11、H12、H13和H14。
然后將這四個灰度值和母分區(qū)灰度值H1作比較,定義如下控制量:
可以重復(fù)以上的步驟,直到控制量δ小于某一指定值,可以認(rèn)為在此時的每一小塊中所出現(xiàn)的灰度值奇異點為干擾信號。這樣,就能用當(dāng)前的塊灰度平均值代替塊中的各點灰度值,從而也就到達(dá)了濾去噪音信號的目的。
3.2.2 二值化算法
濾波以后,就可以對圖象進(jìn)行二值化處理了。二值化算法的核心在于如何獲得一個良好的灰度閾值,使得圖象的二值化處理能達(dá)到最佳效果。如果該閾值選得過亮,那么圖象就會在物體本身之外產(chǎn)生許多黑斑,達(dá)不到分辨的目的;如果該閾值選得過暗,又會使待測物體的外形變小,導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。為了對圖象進(jìn)行更好的提取,必須選擇一個較好的閾值自動選擇算法。在計算機顯示器上,每個像素的顏色有R,G,B三部分構(gòu)成,當(dāng)R=G=B=255時,該點為白色,也就是對應(yīng)為亮點;當(dāng)R=G=B=0時該點為黑色,也就是對應(yīng)為暗點。由于圖象是黑白的,所以對于同一點,其R,G,B的值大致相同,首先將屏幕上每個像素的R值讀到一個二維矩陣R[i][j]中,由于實驗背景選定為白色,而且已經(jīng)對圖象進(jìn)行了濾波處理,因此得到的圖象點的R值的分布應(yīng)該是在振動物體的位置上有個突起的峰(谷),而其他位置上變化應(yīng)該很平滑。所以通過對這i×j個值求平均值得到Ravi作為原始閾值是具有分辨能力的。通過實驗,在此閾值控制下,圖象的二值化效果一般能夠滿足要求。為了進(jìn)行彌補,系統(tǒng)另外設(shè)置了人工控制的模式。也就是在閾值附近通過手動控件進(jìn)行調(diào)整,并隨時監(jiān)控圖象處理的結(jié)果,直到滿意為止。
3.2.3 圖象線化處理算法
該算法的主要目的就是從圖象中提取到可以進(jìn)行后處理的數(shù)據(jù)。首先按列找到二值化處理后圖象的陰影上、下邊沿,按著兩個邊沿數(shù)據(jù)求一個平均值Yavi[i]。將這些值看成是一維振動結(jié)構(gòu)的中心線,在忽略物體材料的微小不均勻性的情況下,該曲線的形態(tài)就能認(rèn)為是物體的振動形態(tài)。如圖5所示。
將這些數(shù)據(jù)存儲到文件中,準(zhǔn)備進(jìn)行參數(shù)求解和分析。由于顯示器的最小單位是像素,所以在求取Yi(avi)時必須用整型數(shù)據(jù)進(jìn)行運算。這樣在所得到的中心線上會出現(xiàn)一些不光滑的地方。對此系統(tǒng)將數(shù)據(jù)讀到分析模塊中時,采用了線性插值和二次曲線插值的方法來進(jìn)行平滑處理,獲得了良好的效果。
3.2.4 振動參數(shù)分析的算法
通過上述各步驟的圖象處理工作,可以獲得結(jié)構(gòu)(如橫梁)上的任意點的X(k)采樣函數(shù)。參數(shù)分析的基本算法就是對X(k)進(jìn)行離散傅立葉變換,并在頻域內(nèi)進(jìn)行分析處理。通過對幅值/相位圖的分析,就能得到各階振型的頻率和其它所需要的各種參數(shù)。這個模塊的功能通過調(diào)用Matlab庫函數(shù)和編程來實現(xiàn)。
4 對系統(tǒng)的測試和結(jié)果
試件采用圖1(a)所示的一維振動結(jié)構(gòu),其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。
用本系統(tǒng)對其振型作了鑒定性的測量和分析。所使用的待測物體的材料為有機玻璃,總長為110cm,寬度為5cm,厚度為0.4cm。攝像頭垂直照射在厚度方向上。由于采用的采集卡的采集速度為24幅/秒,所以在該試件上加上兩個質(zhì)量適當(dāng)?shù)捻来a作為配重來減緩振動頻率。根據(jù)振動理論,如果改變配重M1和M2的質(zhì)量,或者改變長度a和b的值(見圖1)都會引起各階振型所對應(yīng)的頻率發(fā)生移動。因此,在改變這些參數(shù)的條件下進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)采集與分析實驗。選取了兩張有代表性的頻譜曲線進(jìn)行比較。如圖7、圖8所示。
在上述兩張頻譜圖上,可以清晰地看到一階振型和二階振型所對應(yīng)的頻率發(fā)生了移動。而且經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)兩張圖上頻率比值也發(fā)生了變化。這正是由于改變了配重M1和M2在待測物體上的位置,根據(jù)振動理論,必然會發(fā)生這種現(xiàn)象。由此也就間接地證明了本系統(tǒng)的可用性。還通過建立初步數(shù)學(xué)模型并結(jié)合振動理論的方法進(jìn)行了一些估算,其結(jié)果也與實驗結(jié)果相吻合。
5 系統(tǒng)改進(jìn)和進(jìn)一步的工作
本系統(tǒng)達(dá)到了精確、高效的目的。有待改進(jìn)的問題是:首先,由于所采用的攝像頭的采樣頻率為電視頻率,所以在振動頻率高于2Hz時會出現(xiàn)圖象嚴(yán)重模糊,這就對圖象提取的算法提出了很高的甚至是不可達(dá)到的要求。為了使本系統(tǒng)能適用于高頻分析,必須采用采集速度更快的圖像采集卡。其次,通過上面兩張頻譜圖看到高階振型的頻率的譜功率相當(dāng)?shù)奈⑿?,以至幾乎無法發(fā)現(xiàn)。為了解決這個問題,一方面可以通過提高攝像頭的分辨率的途徑,使得隱藏在噪音信號中的小幅值高階振型能夠較好地分辨出來;同時還可以通過使用激振器進(jìn)行激勵以及改進(jìn)圖像處理的算法等方法來加以改善。在這些改進(jìn)的基礎(chǔ)上,這種基于計算機圖象處理的振動測量和分析方法將有很廣闊的應(yīng)用前景。
對于一維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的測量和分析實驗,已經(jīng)取得了較好的結(jié)果。還要針對二維面結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量分析。主要設(shè)想是利用現(xiàn)有分析一維結(jié)構(gòu)的結(jié)果,通過在面結(jié)構(gòu)上畫線條,或者打光柵的方法,實現(xiàn)將二維結(jié)構(gòu)一維化來進(jìn)行測量和分析。具體結(jié)果將在后續(xù)的文章中介紹。
參考文獻(xiàn)
1 倪振華.振動力學(xué).西安:西安交通大學(xué)出版社,1989
2 圖像處理技術(shù).上海:上海交通大學(xué)出版社,1988