[发明专利]基于条纹投影法的一种低速摄像机测量较高频振动的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现低频相机测量较高频振动的方法，属于光学振动测量领域。

背景技术

根据奈奎斯特采样定理，如果要完整地恢复出原始信号中的信息，采样的频率要大于原始信号中最高频率的2倍。一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍。普通工业相机40帧每秒的采样速率，理论上能测得的最高频率的信号为20Hz，具有很大的局限性。而采购高速率的相机成本比较大，并且随着相机采样频率的提高，数据储存的成本也大幅提高，更大大增加了测量成本。

发明内容

本发明提供一种基于条纹投影法的低速摄像机测量较高频振动的方法，可以使用普通工业相机测量高出其采样速率数倍的稳定振动，满足大多数工业振动测量的要求。本发明的技术方案如下：

基于条纹投影法的一种低速摄像机测量较高频振动的方法，包括下列步骤：

(1)将待测的稳定振动物体摆放在参考平面上，将电脑连接上投影仪，将生成黑白条纹图像通过投影仪投射在物体表面。

(2)设定相机采样频率及曝光时间，取采样间隔为实际振动周期外加一个小的相机曝光时间。

(3)调节相机曝光度使条纹图像黑白部分宽度相等，使用CCD相机以一定的速率拍摄投影到振动物体表面的条纹图像。

(4)测量系统参数，获得CCD相机到振动物体表面的距离，CCD相机与投影仪水平距离，相机焦距，实际条纹周期长度数据。

(5)对拍摄到所有条纹图像中有条纹的部分进行选取，使用傅里叶变换轮廓术恢复振动物体表面在每一采样时刻的高度变化。

(6)在获得的一系列复原图像中选取一个采样点，取得每一采样时刻该点的高度信息。

(7)在Matlab中使用绘图功能，以拍摄张数为横轴，步骤(6)中的高度数据为纵轴，绘制出选取的采样点高度的变化曲线即为振动轨迹。

(8)通过对比轨迹曲线最大值和最小值之间的高度差可以直接获得振幅数据，振动频率数据通过计算采样整个周期需要图像的张数乘以曝光时间得到。

本发明的有益效果如下：

1、本发明实现了低采样速率相机测量较高频振动的目标。

2、可移植性好，针对不同频率的振动测量，只需要改变曝光时间的数值即可，实验程序也能在各种操作系统下通用。

3、减少了振动测量时较高频振动的测量成本，并具有很高可靠性。

附图说明

图1本发明基于条纹投影法的原理示意图

图2本发明相机采样间隔的原理示意图

图3本发明的计算流程图

图4本发明的测量结果示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行进一步的说明阐述。

参见图1，本发明基于条纹投影法的原理示意图：待测的稳定振动物体摆放在参考平面上，其表面在每个不同时刻处在不同的位置。通过程序生成黑白条纹图像，连接到投影仪并投射在物体表面，CCD相机负责采集物体不同时刻的图像并储存。

条纹生成设备通过程序产生虚线框内所示的黑白条纹，连接上投影仪，调节投影仪的调焦旋钮使生成的图像清晰地投影在待测的振动物体上。控制振动物体产生一个恒定频率与幅度的低频振动。调节CCD相机的曝光度使条纹的黑白部分等宽，调节焦距使之对焦在振动物体表面。通过程序控制CCD的采样速率(本实验为10帧/秒)并保存所有图像，再通过Matlab软件计算出振动的频率和幅度。

参见图2，本发明相机采样间隔的原理示意图：由于采样相机的采样速率可能低于振动物体的实际频率，所以我们取采样间隔为实际振动周期外加一个很小的相机曝光时间T_b(本实验为400微秒)，即为图中的(T2-T1’)，这样还原一个振动周期需要(T1’-T1)/(T2-T1’)帧图像，所以通过获取的轨迹曲线可以反推理出物体实际振动的频率。

参见图3，本发明的计算流程图，以下简述其相应步骤：

(1)先摆放好振动物体，CCD相机等实验器材，测出CCD相机到投影仪的距离d，CCD相机到参考平面的距离l₀以及条纹的周期长度(1/f₀)。

(2)设定相机采样频率，视振动物体的大致频率确定(本实验中振动物体频率为30Hz，故设置采样速率为10帧/秒)。

(3)然后调节曝光和焦距，使得图像中的条纹达到清晰的程度，拍摄照片。