摘 要： 介紹了基于普通USB數碼攝像頭與PC機作為硬件設備的視頻圖像振動測試技術，并采用該技術識別了索模型的一階、二階模態參數。基于Matlab軟件編制相應程序，獲取結構振動的位移時程曲線，采用模態分析確定索模型的一階、二階頻率以及相應的振型。試驗結果表明，該測振系統實現低頻結構的振動測試是可行的,同時可以逐步應用于工程實際。
關鍵詞： 視頻圖像；多項式擬合；索模型；振動測試；索力測量
在工程實際使用過程中，拉索往往由于腐蝕和振動等原因導致索力松弛，拉索的損害將會給結構帶來災難性的后果。索力的變化會影響結構內力分布和結構線型，因此索力可以作為結構健康狀態評估的重要指標。目前可供現場測定索力的方法主要有：(1)壓力表測定法；(2)壓力傳感器測定法；(3)頻率法；(4)磁通量法；(5)光纖光柵振動測試法。其中頻率法是目前索力測試的最佳選擇[1]。
圖像測量技術[2]具有表面全尺度、非接觸式、無負載效應、環境適應性強、重復可比性好、無設備損耗等優點，不僅適用于靜態測量，也適用于動態測量，還可進行全域高密度檢測。近年來數字圖像測量技術迅速發展，例如有劉敏[3]提出的結構一維大變形識別的數字圖像邊緣檢測法；袁向榮[4]提出的結構邊緣變形檢測一維DIC法，其邊緣識別精度可達到0.05像素；胡朝輝[5]提出的視頻圖像技術的結構振動測試。
本文基于數字圖像測量技術，用普通數碼攝像頭、PC機作為硬件設備，結合Matlab軟件完成了視頻圖像振動測試的系統設計，并且采用該測試系統在實驗室實現了索模型的振動測量。試驗結果表明，采用該測振系統對低頻結構的振動測量是可行的，并且在適當的安排下可以測得結構的高階模態參數。
1 視頻圖像振動測試系統簡介
視頻圖像振動測試是基于圖像測量技術的一種新的振動測試方法，相比常規振動測試方法，利用視頻圖像傳感器進行振動測試[6]是通過圖像傳感器實時拍攝并記錄被測對象振動狀態下的一系列瞬時圖像，然后對圖像進行數字化處理，最后獲得被測對象的一系列振動信息，并以此獲得被測對象的振動軌跡。具體測試流程如圖1所示。
提高圖像測量精度的關鍵技術是邊緣的定位方法，早期流行的經典邊緣檢測算子[7]提取的邊緣精度為整像素，因此只能判斷邊緣在某個像素點處，但是對更準確的位置便不能夠判斷了。隨著所需測量精度的提高，整像素級精度已經不能滿足實際測量的要求。因此高精度的亞像素邊緣定位算法便被應用于其中，較為常用的如矩算子法[8]、二次曲線擬合法[9-10]、高斯曲線擬合法[11]和多項式擬合法[3]。其中多項式擬合法定位精度高、計算簡單且易于實現，其基本思想是采用多項式函數擬合邊緣灰度的變化趨勢，數學表達式如下：
I(z)=c0+c1z+c2z2+…+cnzn
式中，z為邊緣附近像素點的位置，I為z點處的灰度值，c0，…，cn為擬和多項式中的系數，可通過最小二乘法來確定。
相比常規測試方法，多項式擬合法具有明顯的優點：
（1）屬于非接觸式測量，無需在被測對象上安裝傳感器，沒有任何負載效應，省去了傳感器的安裝和傳輸線布局等大量工作。
（2）只需配置多個攝像頭而無需進行現場傳感器的配線即可實現多點測試和線測試。
（3）傳感器與測試系統可集中放置，圖像信息可直接數字化，因此可方便地構成全自動全數字化振動測試處理、記錄系統，信息量比傳統方法大得多。
2 模型試驗及結果分析
測量環境：光照良好，模型索表面光滑平整，索的兩端固定，采用直徑為2.2 mm、長3.5 m的單根不繡鋼絲，剛度未知，均布質量為0.102 kg/m，攝像頭測量距離1.1 m。由于無法改變攝像頭焦距，測距太近拍攝的索過短，太遠則會降低像素精度，綜合考慮，本次試驗只拍攝索的中間一段。試驗簡圖如圖2所示。
開始振動試驗，待索振動穩定后進行視頻采集，采樣時間為5 s，幀數為150幀。利用Matlab程序處理圖像序列[5]，測試結果列于表1中。獲取各像素點的位移時程曲線和頻譜圖，其中部分如圖3所示，x軸對應時間間隔，y軸對應像素點在該時刻的位移（單位：像素）。
通過對索的模型動載試驗，經結果分析得出了以下結論：
（1）對于動態位移的測量，由本文方法測得的試驗數據均較合理，試驗均測出了對應索模型的一階、二階模態參數，一階頻率和二階頻率的測量值比值與理論值的比值誤差較小，因此認為在適當的安排下，基于普通數碼攝像頭與PC機的測振技術可用于低頻振動系統的測試，且可以通過測量得到二階模態參數；
（2）基于數字圖像處理技術在振動測試中測試數據應用于索力測量是可行的，但還需進一步研究得到更精確的結果；
（3）基于數字圖像處理技術在振動測試中測試數據在空間密度方面遠優于傳統方法；對于結構高頻、高階的振動測試，可借助高速、高清圖像采集設備，其測試分辨率有望得到提高。
參考文獻
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