摘 要： 介紹了基于普通USB數(shù)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(tài)參數(shù)。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(tài)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(tǒng)實現(xiàn)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(tài)評估的重要指標。目前可供現(xiàn)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(huán)境適應性強、重復可比性好、無設備損耗等優(yōu)點，不僅適用于靜態(tài)測量，也適用于動態(tài)測量，還可進行全域高密度檢測。近年來數(shù)字圖像測量技術迅速發(fā)展，例如有劉敏[3]提出的結構一維大變形識別的數(shù)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(shù)字圖像測量技術，用普通數(shù)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(tǒng)設計，并且采用該測試系統(tǒng)在實驗室實現(xiàn)了索模型的振動測量。試驗結果表明，采用該測振系統(tǒng)對低頻結構的振動測量是可行的，并且在適當?shù)陌才畔驴梢詼y得結構的高階模態(tài)參數(shù)。
1 視頻圖像振動測試系統(tǒng)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(guī)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(tài)下的一系列瞬時圖像，然后對圖像進行數(shù)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(xiàn)，其基本思想是采用多項式函數(shù)擬合邊緣灰度的變化趨勢，數(shù)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(shù)，可通過最小二乘法來確定。
相比常規(guī)測試方法，多項式擬合法具有明顯的優(yōu)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(xiàn)場傳感器的配線即可實現(xiàn)多點測試和線測試。
（3）傳感器與測試系統(tǒng)可集中放置，圖像信息可直接數(shù)字化，因此可方便地構成全自動全數(shù)字化振動測試處理、記錄系統(tǒng)，信息量比傳統(tǒng)方法大得多。
2 模型試驗及結果分析
測量環(huán)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(wěn)定后進行視頻采集，采樣時間為5 s，幀數(shù)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(tài)位移的測量，由本文方法測得的試驗數(shù)據(jù)均較合理，試驗均測出了對應索模型的一階、二階模態(tài)參數(shù)，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?shù)陌才畔拢谄胀〝?shù)碼攝像頭與PC機的測振技術可用于低頻振動系統(tǒng)的測試，且可以通過測量得到二階模態(tài)參數(shù)；
（2）基于數(shù)字圖像處理技術在振動測試中測試數(shù)據(jù)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(shù)字圖像處理技術在振動測試中測試數(shù)據(jù)在空間密度方面遠優(yōu)于傳統(tǒng)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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