СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ ОБЪЕКТА
METHOD TO MEASURE PARAMETRES OF OBJECT VIBRATION

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения параметров вибрации, и может быть использовано для контроля работы производственного оборудования, экспертизы промышленной безопасности производственных объектов, при обследовании и оценке технического состояния строительных конструкций.
Известен способ измерения размаха вибрации объекта, включающий закрепление на объекте тест-объекта, выполненного в виде мерного клина, и регистрацию изображения тест-объекта с вибрационным размытием, которую осуществляют посредством визуальной фиксации точки пересечения крайних положений мерного клина на определенном расстоянии от острия. Основание мерного клина градуируют и оцифровывают в миллиметрах размаха вибрации. Измерение проводят при вибрации с частотой 8 Гц и выше в направлении вверх-вниз. (Иориш Ю.М. Виброметрия. Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Машгиз, 1963, стр.468-469).
Недостатками описанного способа являются узкая область применения вследствие определения одного параметра - размаха вибрации и неширокий диапазон измеряемых значений размаха вибрации, ограниченный в определении наименьших значений размаха зависимостью от длины и высоты мерного клина, а также низкая точность измерения, обусловленная погрешностями визуальной фиксации.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототип) является способ измерения размаха вибрации объекта, включающий закрепление на объекте тест-объекта и регистрацию изображения тест-объекта с вибрационным размытием. При этом в качестве тест-объекта используют двойные марки, выполненные в виде нескольких пар темных кругов. Каждая пара выполнена из кругов равного диаметра, расположенных в направлении вибрации. При вибрации объекта с частотой более 8 Гц регистрируют изображение тест-объекта с вибрационным размытием в той паре темных кругов, где наблюдают появление трех соприкасающихся кругов равного диаметра с более темным кругом, расположенным в середине. При этом диаметр круга равен размаху вибрации объекта, а регистрацию осуществляют посредством визуального наблюдения (Е.Rule, F.J.Suellentrop and Т.A.Peris Optical Method for Measurement of Vibration Amplitudes, «Rev. Scientif. Instrum.», 1959, №1, p.40-41).
Недостатками описанного способа являются узкая область применения вследствие возможности определения одного параметра - размаха вибрации объекта и низкая точность измерения, обусловленная погрешностями оператора при осуществлении визуальной регистрации изображения тест-объекта с вибрационным размытием вследствие трудности точного выделения из нескольких пар изображений с вибрационным размытием необходимого изображения в виде трех соприкасающихся кругов с более темным кругом посередине равного диаметра.
Предлагаемым изобретением решается задача расширения области применения и повышения точности измерения.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе измерения параметров вибрации объекта, включающем закрепление на объекте тест-объекта и регистрацию изображения тест-объекта с вибрационным размытием, в качестве тест-объекта используют миру, выполненную в виде групп параллельных парных штрихов, имеющих общую ось симметрии, с расстоянием между штрихами в группе, равным удвоенной ширине штриха, уменьшающейся от группы штрихов с низкой пространственной частотой к группе штрихов с высокой пространственной частотой, сначала с помощью видеокамеры формируют на экране монитора компьютера изображение миры для каждой частоты кадровой развертки видеокамеры до получения неподвижного изображения миры с вибрационным размытием и фиксацией соответствующей частоты кадровой развертки видеокамеры, равной частоте вибрации объекта, после чего регистрируют в неподвижном изображении миры с вибрационным размытием нулевой контраст в группе штрихов с наиболее низкой пространственной частотой, в которой ширина штриха равна размаху вибрации объекта.
Расширение области применения за счет возможности определения частоты вибрации объекта и повышение точности измерения достигается тем, что в качестве тест-объекта используют миру, выполненную в виде групп параллельных парных штрихов, имеющих общую ось симметрии, с расстоянием между штрихами в группе, равным удвоенной ширине штриха, уменьшающейся от группы штрихов с низкой пространственной частотой к группе штрихов с высокой пространственной частотой, сначала с помощью видеокамеры формируют на экране монитора компьютера изображение миры для каждой частоты кадровой развертки видеокамеры до получения неподвижного изображения миры с вибрационным размытием и фиксацией соответствующей частоты кадровой развертки видеокамеры, равной частоте вибрации объекта, после чего регистрируют в неподвижном изображении миры с вибрационным размытием нулевой контраст в группе штрихов с наиболее низкой пространственной частотой, в которой ширина штриха равна размаху вибрации объекта.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показана схема устройства для измерения параметров вибрации объекта, предназначенного для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 - мира, которую используют в предлагаемом способе в качестве тест-объекта, общий вид; на фиг.3 - неподвижное изображение миры с вибрационным размытием, сформированное на экране монитора компьютера, общий вид.
Кроме того, на фиг.1, 2 и 3 показано следующее:
R и стрелка - размах и направление вибрации объекта;
а - ширина штриха в группе параллельных парных штрихов миры;
А - расстояние между центрами штрихов в группе параллельных парных штрихов миры;
поз.6, 7, 8, 9, 10 - обозначение групп параллельных парных штрихов миры, начиная от группы штрихов 6 с низкой пространственной частотой к группе штрихов 10 с высокой пространственной частотой.
Устройство для измерения параметров вибрации объекта снабжено закрепленным на объекте 1 тест-объектом 2, в качестве которого используют миру (фиг.2), выполненную в виде групп параллельных парных штрихов, имеющих общую ось симметрии, с расстоянием между штрихами в группе, равным удвоенной ширине штриха, уменьшающейся от группы штрихов с низкой пространственной частотой к группе штрихов с высокой пространственной частотой. Исследуемый объект 1 с закрепленной на нем мирой 2 оптически связан с видеокамерой 3 с изменяемой частотой кадровой развертки, например ВИДЕОСКАН-415-2001, которая соединена с персональным компьютером, состоящим, в частности, из системного блока 4 и монитора 5 (фиг.1).
Способ измерения параметров вибрации объекта осуществляют следующим образом.
На объекте 1 закрепляют тест-объект 2, в качестве которого используют миру. Последнюю располагают на объекте 1 таким образом, чтобы общая ось симметрии групп параллельных парных штрихов была перпендикулярна направлению вибрации объекта 1. Перед началом измерения осуществляют калибровку устройства. Для этого при неподвижном объекте 1 с закрепленной мирой 2 с помощью видеокамеры 3 формируют на экране монитора 5 компьютера изображение миры 2 и устанавливают посредством объектива видеокамеры 3 такой масштаб увеличения изображения миры 2, чтобы в группе штрихов с наиболее высокой пространственной частотой размер светлого промежутка между штрихами составлял 1-2 пикселя. После этого проводят измерения. Объект 1 с закрепленной мирой 2 подвергают вибрации. Сначала с помощью видеокамеры 3 формируют на экране монитора 5 компьютера изображение миры 2 для каждой частоты кадровой развертки видеокамеры 3 до получения неподвижного изображения миры 2 с вибрационным размытием (фиг.3) и фиксацией соответствующей частоты кадровой развертки видеокамеры 3. Частота кадровой развертки может быть изменена в диапазоне от минимальной до максимальной частоты, поддерживаемой видеокамерой 3. Получение неподвижного изображения миры 2 с вибрационным размытием соответствует появлению стробоскопического эффекта, при этом зафиксированная частота кадровой развертки видеокамеры 3 равна частоте вибрации объекта 1. После чего на экране монитора 5 регистрируют в неподвижном изображении миры 2 с вибрационным размытием нулевой контраст в группах штрихов. Для этого в каждой группе штрихов, начиная с группы под номером 6 (фиг.3), определяют, например, посредством визуального наблюдения наличие нулевого контраста в виде отсутствия промежутка между штрихами. Таких групп штрихов может оказаться несколько, например две группы. На фиг.3 это группы штрихов под номерами 8 и 10. Из них выбирают группу штрихов с наиболее низкой пространственной частотой, то есть группу под номером 8. При этом условии ширина штриха (а) в группе под номером 8 равна размаху вибрации (R) объекта 1.
В предлагаемом способе измерение параметров вибрации объекта, в частности частоты и размаха вибрации, основано на двух физических эффектах: стробоскопическом и эффекте возникновения нулевого контраста в изображении миры.
Проявление стробоскопического эффекта, выраженного в наличии неподвижного изображения миры 2 с вибрационным размытием на экране монитора 5 компьютера, позволяет зафиксировать частоту кадровой развертки видеокамеры 3, равную частоте вибрации объекта 1.
Эффект возникновения нулевого контраста в изображении миры позволяет определить размах вибрации объекта 1. За время периода кадра видеокамеры 3 происходит вибрационное размытие в изображении миры 2. При этом в разных группах штрихов в зависимости от соотношения размаха вибрации и пространственной частоты штрихов в группах штрихов наблюдают нулевой, отрицательный или положительный контрасты. Изменение контраста в группах штрихов миры описывают с помощью частотно-контрастной характеристики (ЧКХ). Для матричного фотоприемника видеокамеры с размерами дискретных фоточувствительных элементов, равными Δx и Δy в горизонтальном (координата x) и вертикальном (координата у) направлениях, когда изображение перемещается вдоль оси y, а считывание сигнала осуществляется в горизонтальном направлении вдоль оси х, ЧКХу по координате у определяют из соотношения (Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое описание) / Под общ. ред. А.Н.Писаревского, А.Ф.Чернявского. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. C.102):
где ν - пространственная частота штрихов миры;
υ - скорость перемещения изображения штрихов миры относительно чувствительной поверхности матричного фотоприемника видеокамеры;
t - время экспозиции, в данном случае равное периоду кадра видеокамеры;
Δy - размер дискретных фоточувствительных элементов в вертикальном (координата у) направлении.
Влияние конечного размера фоточувствительного элемента матричного фотоприемника видеокамеры на контраст штрихов в изображении миры характеризуется вторым сомножителем в формуле (1), который дает возможность оценить минимальную ширину штрихов в изображении миры на экране монитора при калибровке устройства. Светлый промежуток между штрихами в группе штрихов с наиболее высокой пространственной частотой неподвижной миры с вибрационным размытием на экране монитора должен составлять 1-2 пикселя, что соответствует размеру 1Δy÷2Δy. Расстояние между центрами штрихов в группе параллельных парных штрихов миры (А) лежит в диапазоне 2Δy÷4Δy, и второй сомножитель для наиболее высокой пространственной частоты примет постоянное значение в диапазоне 0,64÷0,9. При выполнении этого условия в реализации способа изменение контраста определяет только первый сомножитель. Задавая время экспозиции у матричного фотоприемника, равное периоду смены кадров видеокамеры, а также принимая во внимание стробоскопический эффект, когда каждая точка миры за время смены кадров проходит путь, равный удвоенному размаху (R), аргумент синуса преобразуется к виду:
Учитывая, что расстояние (А) между центрами штрихов в группе параллельных парных штрихов миры равно удвоенной ширине штриха (а) в группе параллельных парных штрихов миры и пространственная частота (ν) обратно пропорциональна расстоянию между центрами штрихов в группе параллельных парных штрихов миры, из функции sin(πν2R) получают условие возникновения первого нулевого контраста в группе штрихов, в которой ширина штриха (а) равна размаху вибрации (R), и условие второго нулевого контраста, когда удвоенная ширина штриха (2а) равна размаху вибрации (R). В качестве конкретного примера рассмотрим неподвижное изображение миры с вибрационным размытием (фиг.3), полученное на экране монитора 5 компьютера, при вибрации объекта 1 с закрепленной мирой 2 (фиг.1) с частотой 25 Гц при размахе вибрации, равном 1 мм, и частоте кадровой развертки видеокамеры 3, равной 25 Гц. При этом ширина штриха в каждой группе штрихов миры задана. В группах штрихов под номерами 8 и 10 (фиг.3) наблюдают нулевой контраст. Ширина штриха (а) в группе штрихов под номером 8 равна 1 мм, а в группе штрихов под номером 10 ширина штриха (а) равна 0,5 мм. Между двумя группами штрихов с нулевым контрастом расположена группа штрихов под номером 9 с отрицательным контрастом, или ложным разрешением, когда светлый промежуток между штрихами вырождается в темный. Ширина штриха в данной группе равна 0,8 мм. Группа штрихов под номером 7 с шириной штриха, равной 1,2 мм, и группа штрихов под номером 6 с шириной штриха, равной 1,4 мм, имеют положительный контраст. Полученный практический результат полностью совпадает с теоретическим результатом, предсказанным формулой (1). В предлагаемом способе повышение точности измерения размаха вибрации объекта обусловлено тем, что точка нулевого контраста имеет высокую чувствительность к изменению контраста при изменении соотношения пространственной частоты и размаха вибрации, а также возможностью однозначной регистрации нулевого контраста, в частности, в двух группах штрихов миры и выбора из них группы штрихов с наиболее низкой пространственной частотой для определения размаха вибрации вследствие наличия у каждой группы штрихов соответствующего ей контраста.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет расширить область применения и повысить точность измерения.