摘　要： 介紹一種高效率,、高精度的振動(dòng)測(cè)量和分析方法。與傳統(tǒng)方法不同,，該方法是基于計(jì)算機(jī)及其運(yùn)行環(huán)境的一種無(wú)接觸測(cè)量方法,，通過(guò)測(cè)量與分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)圖象的數(shù)字化處理,，從而獲得傳統(tǒng)方法無(wú)法達(dá)到的滿意效果。
　　關(guān)鍵詞： 振動(dòng) 測(cè)量與分析 圖象處理

　　太陽(yáng)能電池帆板是人造衛(wèi)星的主要能源,。在衛(wèi)星巡航時(shí),，太陽(yáng)能電池帆板必須隨時(shí)根據(jù)陽(yáng)光照射的方向來(lái)調(diào)整自己的方位。這就相當(dāng)于在不斷給太陽(yáng)能電池帆板施加激勵(lì),，由于電池帆板具有薄而大的物理特性,，所以這個(gè)激勵(lì)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(yáng)能電池帆板,，以至于衛(wèi)星無(wú)法正常工作。因此,，對(duì)衛(wèi)星的電池帆板的振動(dòng)特性做一個(gè)詳細(xì)而精確的測(cè)量與分析,，并由此來(lái)決定帆板的控制結(jié)構(gòu)與控制規(guī)律，對(duì)于保障衛(wèi)星的安全運(yùn)行具有重大的意義,。這正是開發(fā)這個(gè)系統(tǒng)的初衷,。同時(shí)，任何一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)在工作時(shí)都有可能發(fā)生振動(dòng),，而且這些振動(dòng)往往會(huì)影響該系統(tǒng)的正常工作,。而當(dāng)前所使用的測(cè)量和分析方法主要是力學(xué)測(cè)量與分析方法，這種方法測(cè)量系統(tǒng)龐大,，數(shù)據(jù)分析效率低下,，甚至有時(shí)會(huì)損壞待測(cè)結(jié)構(gòu)并且所獲得的結(jié)果具有較大的隨機(jī)性。所以,，提出一種基于計(jì)算機(jī)的高效,、高精度的測(cè)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(jì)算機(jī)振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)主要由待測(cè)物體部分,、光學(xué)成像部分,、數(shù)據(jù)傳輸部分、計(jì)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(shí)，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(gè)U形物體擋在鏡頭前方時(shí)，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(huì)形成一個(gè)U形的陰影(圖2b)。當(dāng)物體振動(dòng)時(shí),，在任何時(shí)刻物體的形態(tài)都被以這種方式記錄下來(lái)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(guò)來(lái)的電信號(hào)與計(jì)算機(jī)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(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字解碼器,、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和色空變換等處理，通過(guò)PCI 總線傳送到計(jì)算機(jī)上的VGA卡實(shí)時(shí)顯示,，同時(shí)還能將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存實(shí)時(shí)存儲(chǔ),，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(wú)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(kù)函數(shù)來(lái)進(jìn)行這方面的處理。主要的庫(kù)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(qǐng)與釋放,。通過(guò)這些庫(kù)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(dòng)態(tài)分塊濾波算法
　　由于從攝像機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是物體及其周圍環(huán)境的真實(shí)反映,，所以存在著各種外在的干擾。即使在實(shí)驗(yàn)中盡量改善測(cè)量環(huán)境,，如讓與待分析振動(dòng)無(wú)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(qiáng)度，來(lái)減少物體自身投影的影響,。但是有用信號(hào)中混有的干擾信號(hào)總是無(wú)法完全消除的,。因此，在對(duì)原始圖象進(jìn)行識(shí)別處理之前,，必須將上述的干擾因素排除,，也就是要先對(duì)原始采樣信號(hào)進(jìn)行濾波。由于干擾信號(hào)的存在具有隨機(jī)性,，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“動(dòng)態(tài)分區(qū)濾波”的方法來(lái)進(jìn)行處理,。該方法的具體算法如下：第一步，將整個(gè)圖象區(qū)用十字形劃分為四塊B₁,、B₂,、B₃和B₄，如圖3所示,。

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　　然后通過(guò)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(gè)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(hào)進(jìn)行“分而濾之”的處理，如圖4所示,。
　　利用類似的公式對(duì)每小塊求出塊平均灰度值H₁₁,、H₁₂、H₁₃和H₁₄,。
　　
　　然后將這四個(gè)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(shí)的每一小塊中所出現(xiàn)的灰度值奇異點(diǎn)為干擾信號(hào),。這樣，就能用當(dāng)前的塊灰度平均值代替塊中的各點(diǎn)灰度值,，從而也就到達(dá)了濾去噪音信號(hào)的目的,。
3.2.2 二值化算法
　　濾波以后，就可以對(duì)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(gè)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(guò)亮,，那么圖象就會(huì)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(guò)暗,，又會(huì)使待測(cè)物體的外形變小,，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。為了對(duì)圖象進(jìn)行更好的提取,，必須選擇一個(gè)較好的閾值自動(dòng)選擇算法,。在計(jì)算機(jī)顯示器上，每個(gè)像素的顏色有R,，G,，B三部分構(gòu)成，當(dāng)R＝G＝B＝255時(shí),，該點(diǎn)為白色,，也就是對(duì)應(yīng)為亮點(diǎn)；當(dāng)R＝G＝B＝0時(shí)該點(diǎn)為黑色,，也就是對(duì)應(yīng)為暗點(diǎn),。由于圖象是黑白的，所以對(duì)于同一點(diǎn),，其R,，G，B的值大致相同，首先將屏幕上每個(gè)像素的R值讀到一個(gè)二維矩陣R[i][j]中,，由于實(shí)驗(yàn)背景選定為白色,，而且已經(jīng)對(duì)圖象進(jìn)行了濾波處理，因此得到的圖象點(diǎn)的R值的分布應(yīng)該是在振動(dòng)物體的位置上有個(gè)突起的峰(谷),，而其他位置上變化應(yīng)該很平滑,。所以通過(guò)對(duì)這i×j個(gè)值求平均值得到Ravi作為原始閾值是具有分辨能力的。通過(guò)實(shí)驗(yàn),，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(bǔ),，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(guò)手動(dòng)控件進(jìn)行調(diào)整,，并隨時(shí)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(gè)邊沿?cái)?shù)據(jù)求一個(gè)平均值Yavi[i],。將這些值看成是一維振動(dòng)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(dòng)形態(tài),。如圖5所示,。

　　將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)必須用整型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。這樣在所得到的中心線上會(huì)出現(xiàn)一些不光滑的地方,。對(duì)此系統(tǒng)將數(shù)據(jù)讀到分析模塊中時(shí),，采用了線性插值和二次曲線插值的方法來(lái)進(jìn)行平滑處理，獲得了良好的效果,。
3.2.4 振動(dòng)參數(shù)分析的算法
　　通過(guò)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(diǎn)的X(k)采樣函數(shù)。參數(shù)分析的基本算法就是對(duì)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(guò)對(duì)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(gè)模塊的功能通過(guò)調(diào)用Matlab庫(kù)函數(shù)和編程來(lái)實(shí)現(xiàn),。
4 對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試和結(jié)果
　　試件采用圖1(a)所示的一維振動(dòng)結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　用本系統(tǒng)對(duì)其振型作了鑒定性的測(cè)量和分析,。所使用的待測(cè)物體的材料為有機(jī)玻璃,，總長(zhǎng)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(gè)質(zhì)量適當(dāng)?shù)捻来a作為配重來(lái)減緩振動(dòng)頻率,。根據(jù)振動(dòng)理論，如果改變配重M1和M2的質(zhì)量,，或者改變長(zhǎng)度a和b的值(見圖1)都會(huì)引起各階振型所對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生移動(dòng),。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(shí)驗(yàn),。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,。

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