基于機器視覺的低頻振動臺動態性能參數測試方法

摘 要： 振動臺為低頻振動傳感器校準提供必要的輸入激勵，其動態性能參數對校準能力與精度具有重大影響。目前，振動臺動態性能參數的測量方法存在系統復雜或精度有限的問題，難以滿足日益增長的高性能振動臺動態性能參數測量需求。因此，提出一種基于機器視覺的低頻振動臺動態性能參數測試方法，通過結合高精度的攝像機標定與序列圖像亞像素級動態特征提取準確地復現振動臺不同頻率的位移，實現振動臺幅頻特性、重復性、失真度的可靠解算。通過與基于傳感器方法在0.01～10 Hz 范圍內進行對比試驗，所測量的幅頻特性平均誤差為0.611%，重復性最大誤差為0.174%，而其失真度最大誤差不超過1%，表明機器視覺法在低頻振動臺動態性能參數測試中具有出色的表現。

關鍵詞： 機器視覺; 低頻振動傳感器; 振動臺; 動態性能參數

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0099–06

0 引 言

近年來，低頻振動傳感器廣泛應用于鐵路安全運輸、橋梁健康監測、醫療輔助診斷、地質災害預警等工程領域的振動監測[1-3]，為了保證其監測數據的可靠性，需要在規定校準周期內對其進行校準。在校準中，振動臺為傳感器提供特定頻率和幅值的振動激勵[4-5]，其動態性能參數將直接影響校準結果。振動臺的主要動態性能參數包括幅頻特性、重復性、失真度[6]。常用的振動臺動態性能參數測量方法有激光干涉法[7] 和基于傳感器的方法[8]。激光干涉法通過激光干涉圖樣的條紋間距變化實現位移測量，其具有精度高、測量范圍寬、抗干擾能力強等優點，但涉及大行程、多自由度系統的位移測量時需要多個激光干涉儀，導致系統復雜、成本昂貴和靈活性差。傳感器將位移信息轉換成電信號，可實時測量多維度位移變化，但其測量范圍與精度往往受到限制。

目前，由于機器視覺具有非接觸、高精度、靈活性強等特點，已廣泛應用于諸多領域高精度位移測量[9-10]。Kurita T 等[11] 基于機器視覺開發了一種高精度的位移和位姿測量系統，位移和位姿測量精度約為3 μm 和0.02°。韓建平等[12] 使用機器視覺法實現了多點位移測量和模態參數識別，驗證了單目視覺即可替代傳統接觸式的結構測量方法。YangM 等[13-15] 提出基于機器視覺的高精度平面位移測量方法，與傳統方法進行對比實驗，表明了機器視覺方法是一種準確、可靠的方法。為提升振動傳感器的校準能力與效率，提出一種結合高精度的攝像機標定與圖像序列動態特征提取的機器視覺法，實現低頻振動臺的幅頻特性、重復性、失真度測量。此外，該方法僅需一套簡單、靈活的視覺測量系統即可測量寬低頻率范圍的振動臺動態性能參數。