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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410794563.2 (22)申请日 2014.12.19 G01M 7/06(2006.01) G01B 11/02(2006.01) G01B 11/26(2006.01) (71)申请人广州大学 地址 510006 广东省广州市番禺区广州大学 城外环西路230号 (72)发明人孙作玉 王晖 巫鹏飞 (74)专利代理机构广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 代理人陈卫 (54) 发明名称 一种多维振动测试系统 (57) 摘要 本发明属于结构动力学分析和测试技术领 域，具体涉及一种多维振动测试系统。一种多维振 动测试系统，。
2、包括振动源和结构模型，还包括设于 结构模型的投射装置，用于接收从投射装置发出 的投射光线的投影接收装置，用于收集投射在投 影接收装置上的图像的视频收集装置，用于建立 视频收集装置成像几何模型坐标轴的位置标定辅 助件，以及用于对视频收集装置收集到的图像进 行分析处理的图像提取分析模块。本发明将数字 图像处理技术应用于结构振动测试领域，实现对 结构模型多维振动测试，适用于多层结构及复杂 结构的振动测试。整个系统结构简单，成本低廉。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 (10)申请公布号 CN 104374538 。
3、A (43)申请公布日 2015.02.25 CN 104374538 A 1/1页 2 1.一种多维振动测试系统，包括振动源（1）和结构模型（2），所述振动源（1）用于向结 构模型（2）施加激励，其特征在于，所述测试系统还包括： 设于结构模型（2），跟随结构模型（2）运动并能实时反映结构模型（2）运动状态的投射 装置（3）； 用于接收从投射装置（3）发出的投射光线的投影接收装置（4）； 用于收集投射在投影接收装置（4）上的图像的视频收集装置（5）； 用于建立视频收集装置（5）成像几何模型坐标轴的位置标定辅助件（6）； 以及用于对视频收集装置（5）收集到的图像进行分析处理的图像提取分析模块（7。
4、）。 2.根据权利要求1所述的多维振动测试系统，其特征在于，所述结构模型（2）一侧设有 两个或两个以上的投射装置（3），相邻侧设有一个或一个以上的投射装置（3），每侧的投射 装置（3）皆设有对应的投影接收装置（4）。 3.根据权利要求1所述多维振动测试系统，其特征在于，所述投影装置（3）为激光投射 器，所述投影接收装置（4）为投影屏，所述激光投射器设于结构模型（2），跟随结构模型（2） 运动，并将光线投射到投影屏。 4.根据权利要求1所述多维振动测试系统，其特征在于，所述位置标定辅助件（6）为标 定纸，所述标定纸上印有若干个标定点（61）。 5.根据权利要求4所述多维振动测试系统，其特征在于，。
5、所述标定纸中的标定点（61） 为正方形/圆形，边长/直径为410mm，5行5列分布，共25点。 6.根据权利要求4所述多维振动测试系统，其特征在于，所述标定纸中相邻两个标定 点（61）间距为4080mm。 7.根据权利要求1-6任一项所述的多维振动测试系统，其特征在于，所述投射装置（3） 与相应的投影接收装置（4）之间的距离为5001000mm，且投射装置（3）发出的光线投射到 投影接收装置（4）所形成的点直径大小为13mm。 8.根据权利要求1-6任一项所述的多维振动测试系统，其特征在于，所述视频收集装 置（5）为CCD摄像机，图像提取分析模块（7）为安装有视频采集卡的计算机。 权 利 要 。
6、求 书CN 104374538 A 1/5页 3 一种多维振动测试系统 技术领域 0001 本发明属于结构动力学分析和测试技术领域，具体涉及一种多维振动测试系统。 背景技术 0002 结构试验是一门试验科学和技术，是研究和发展土木工程结构新材料、新结构、新 施工工艺以及检验结构计算分析和设计理论的重要手段，在土木工程结构科学研究和技术 创新等方面起着重要作用。动力试验是结构试验的内容之一，其具体项目较多，主要的项目 有动力特性试验、颤振试验、摆振试验、落震试验和振动冲击环境试验。结构振动测试系统 对于动力试验系统的测试是十分关键。 0003 传统的测试技术已经比较成熟，并且成功运用多年，但是它。
7、也有局限性。以往的振 动测试技术无法测试带显著扭转效应的结构位移量。以位移传感测试为例，传统的位移传 感器是直接连在结构上的，当结构有x、y方向的位移时，位移传感器会跟着有位移响应，从 而转化成电信号测出这个位移响应。当出现扭转效应的时候则会出现致命的误差。真实结 构在地震、风、海浪等随机激励荷载作用下，扭转效应往往是不可避免的。因此科学地测试 结构物空间运动的线位移和角位移，是实验测试技术面临的挑战。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题是，一种新的结构振动测试系统，解决传统测试方法在 结构有显著扭转效应时有较大误差问题，该方法取材简单，成本低廉。 0005 为解决上述技术问题，本发明。
8、采用的技术方案是： 一种多维振动测试系统，包括振动源、结构模型，所述振动源用于向结构模型施加激 励；还包括设于结构模型，跟随结构模型运动并能实时反映结构模型运动状态的投射装置； 用于接收从投射装置发出的投射光线的投影接收装置；用于收集投射在投影接收装置上的 图像的视频收集装置；用于建立视频收集装置成像几何模型的位置标定辅助件；以及用于 对视频收集装置收集到的图像进行分析处理的图像提取分析模块。本发明将图像处理技术 引进振动测试系统中，在结构模型上设置投射装置，通过投射装置将结构模型受到振动源 激励后产生的各方向上的实时位移状态投射到投影接收装置上。收集投影接收装置上图 像，获取一定时间内投射点。
9、的位移信息，反算出结构模型的位移运动信息。 0006 进一步地，所述结构模型一侧设有两个或两个以上的投射装置，相邻侧设有一个 或一个以上的投射装置，每侧的投射装置皆设有对应的投影接收装置。三个投影接收装置 设置于结构模型上，三个投射点的位移信息即为结构模型三个位置的位移信息，根据投射 点位移信息反算出结构模型的两个平动位移量和一个角位移量。当结构模型形状不规则， 或需要振动测试提供更精确的结果时，应根据实际需要增加投射装置和投影接收装置。 0007 作为一种可选方案，所述投影装置为激光投射器，所述投影接收装置为投影屏，所 述激光投射器设于结构模型，跟随结构模型运动，并将运动轨迹投射于投影屏。激。
10、光投射器 与投影屏配合成像，再通过图像处理技术计算结构模型多个维度上的位移量，无需如传统 说 明 书CN 104374538 A 2/5页 4 振动测试系统那样使用大量传感器数据线，简化系统结构和测试、计算步骤，同时获得较高 的测试精度。且激光投射器和投影屏容易获得，价格低廉。 0008 优选地，所述位置标定辅助件为标定纸，所述标定纸上印有若干个标定点。使用标 定纸作为位置标定辅助件，简单方便。 0009 优选地，所述标定纸中的标定点为正方形/圆形，边长/直径为410mm，5行5列 分布，共25点。标定点过大，不宜提高标定精度；选用标定点过少，不仅不宜提高精度，且标 定范围受到限制变小，不利于。
11、测试。 0010 优选地，所述标定纸中相邻两个标定点间距为4080mm。标定点宜紧凑布置；标定 点间距过大，降低标定精度。 0011 优选地，所述投射装置与相应的投影接收装置之间的距离为5001000mm，且投射 装置发出的光线投射到投影接收装置所形成的点直径大小为13mm。由于激光发射器投射 出的激光束具有发散性，如果距离过大，则投影接收装置激光靶点过大，不利于靶点位置信 息的提取；且距离控制在5001000mm，利于系统装置布置，不占用大量空间。点直径大小控 制在13mm同样是为了精确提取点的位置信息。 0012 作为一种可选方案，所述视频收集装置为CCD摄像机，图像提取分析模块为安装 有。
12、视频采集卡的计算机。普通CCD摄像机和视频采集卡等容易获得，取材简单，成本低廉。 0013 作为一种可选方案，所述结构模型为多层结构，且每层皆设有投射装置。结构模型 各层皆可设置投射装置，以满足对复杂结构的振动测试。 0014 多维振动的测试方法，包括以下步骤： S1. 安装布置：投射装置安装于结构模型，跟随结构模型运动，实时反映结构模型的运 动状态；投影接收装置4与投射装置3相对设置；位置标定辅助件设置于投影接收装置前； 开启投射装置，确保从投射装置发出的投射点完全落入位置标定辅助件所限定的范围内； S2. 标定：关闭投射装置，调整视频收集装置的位置，使位置标定辅助件所限定的范围 完全落入所。
13、收集到的图像范围内；采集一段35秒视频图像，提取视频文件中任意一帧，运 用图像处理技术提取位置标定辅助件标定点位置坐标，对视频收集装置中收集到的图像进 行曲面拟合标定； S3. 测试：去除标定辅助件，开启投射装置，振动源向结构模型施加激励，视频收集装 置同步收集相应的投射装置投射到投影接收装置的图像，确保不存在丢帧现象； S4. 分析：运用数字图像处理技术对采集来的视频实时提取帧，分析帧得到结构模型 的位移运动信息，停止施加激励，同步停止视频采集，反算结构模型的响应量，整理数据绘 制结构层位移运动曲线。 0015 本发明所述的多维测试系统和测试方法较现有技术具有以下显著的优点： 1、通过在结构。
14、模型上设置多个自由度，既可以测试结构振动两个水平方向位移，也可 以测试结构振动扭转角度； 2、当结构模型具有多个结构层时，只需要在各个结构层设置投射装置，即可进行多层 结构同步测试，克服了传统测试手段难以同时对多个结构层进行振动测试的弊端； 3、无需布置大量传感器数据线，简化了振动测试系统结构，使其尤为适用于体积较大， 结构较为复杂的模型，同时减少测试和数据分析工作量，简单易行，且具有较高精度； 4、取材简单，使用的普通CCD摄像机、激光投射器和视频采集卡等容易获得的设备，成 说 明 书CN 104374538 A 3/5页 5 本低廉。 附图说明 0016 图1为本发明多维振动测试系统一个实。
15、施例的结构示意图； 图2为图1所示实施例测试过程中的使用状态图 图3为本发明多维振动测试系统另一实施例的结构示意图； 图4为图3所示实施例中使用的标定纸示意图； 图5为本发明另一种可用标定纸的示意图； 图6为图3所示实施例中视频收集装置布置示意图； 图7为进行视频收集装置位置标定时的示意图； 图8为进行视频收集装置位置标定时视频图像示意图； 图9为视频收集装置位置标定流程图； 图10为进行多维振动测试过程中的使用状态图； 图11为本发明多维振动测试方法流程图； 图12为本发明再一实施例测试过程中的使用状态图。 具体实施方式 0017 为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图。
16、并举实施例， 对本发明进一步详细说明。 0018 实施例1： 如图1所示为本发明一种多维振动测试系统一个实施例。本实施例多维振动测试系统 包括振动源1和结构模型2，结构模型2为多层结构，本实施例中，针对结构模型2中某一 结构层进行多维振动测试。本实施例中，所述振动源1为振动底座，结构模型2设于振动底 座。还包括设于结构模型2的投射装置3，且结构模型2一侧设有两个投射装置3，相邻侧 设有一个投射装置3。两个投影接收装置4设于结构模型2的两侧，与投射装置3相对应， 以接收投射装置3发出的光线，并在投影接收装置4上显像。两个投影接收装置4与结构 模型2之间设有视频收集装置5。投影接收装置4上覆盖有作。
17、为位置标定辅助件6的标定 纸。注意视频收集装置5应设置于既不阻挡对投射装置3投射出的光线产生阻挡，又能确 保投影接收装置4上覆盖有标定纸的范围完全落入成像画面中的位置上。图像提取分析模 块7与视频收集装置5连接，对视频收集装置5中收集到的视频图像进行实时提取帧并进 行分析。 0019 本实施例多维振动系统按上述设置好后，按以下步骤进行多维振动测试： S1、标定：如图1所示，关闭投射装置3，调整视频收集装置5的位置，使位置标定辅助 件6所限定的范围完全落入所收集到的图像范围内；采集一段35秒视频图像，提取视频文 件中任意一帧，运用图像处理技术提取位置标定辅助件标定点位置坐标，对视频收集装置 中收。
18、集到的图像进行曲面拟合标定； S2、测试：如图2所示，去除标定辅助件6，开启投射装置3，振动源1向结构模型2施加 激励，视频收集装置5同步收集相应的投射装置3投射到投影接收装置4的图像，确保不存 在丢帧现象； 说 明 书CN 104374538 A 4/5页 6 S3、分析：运用数字图像处理技术对采集来的视频实时提取帧，分析帧得到结构模型2 的位移运动信息，反算结构模型2的响应量，停止施加激励，同步停止视频采集，整理数据 绘制结构层位移运动曲线。 0020 实施例2： 如图3所示为本发明一种多维振动测试系统另一个实施例。本实施例的多维振动测试 系统，包括振动源1，结构模型2，作为投射装置3被设。
19、置的激光投射器，作为投影接收装置 4被设置的投影屏，作为视频收集装置5被设置的CCD摄像机，作为位置标定辅助件6被设 置的标定纸，以及作为图像提取分析模块7的计算机。本实施例中，振动源1为振动底座。 结构模型2为多层结构，本实施例中，针对结构模型2中多个结构层进行多维振动测试。 0021 具体地，本实施例所使用的结构模型2为多层结构，设于振动底座上。结构模型2 一侧设有两个激光投射器，相邻侧设有一个激光投射器。结构模型2两侧分别设有一个投 影屏，用以接收三个激光投射器投射出来的光线。所述光线在投影屏上形成点，该点的位置 实时反映结构模型2上相应点的位置变化。投影屏上覆盖有标定纸，如图4所示为本。
20、实施例 中所使用的标定纸，标定点61为正方形，边长为410mm，间距为4080mm，5行5列分布，共 25点。此外，如图5所示，标定点61也可以为圆形，直径为410mm。需要说明的是，位置标 定辅助件6也可以使用其他设备，如标定板等常用于建立图像几何模型坐标的工具皆可使 用，不对发明保护范围起限制作用。每块投影屏和结构模型2之间设有CCD摄像机。如图 3所示，摄像机的位置不应阻挡激光投射器投射出来的光线。且如图8所述，CCD摄像机的 位置设置也要保证标定纸上的标定范围完全落入CCD摄像机拍摄出来的图像范围内，优选 地，标定纸上的标定范围位于图像范围正中央且标定范围占图像范围面积80%。进一步地。
21、， 如图6所示，摄像机与投影屏之间的距离L1以5001000mm为优选，同时应确保激光投射器 发出的光线投射到投影屏上时所形成的点直径大小在13mm之间，且所有激光投射器投射 在投影屏上的点皆落入标定范围内。所述计算机上安装有视频收集卡，以收集提取CCD摄 像机拍摄到的视频图像，再进行分析处理，反算结构模型2的运动信息。 0022 如图11所示为使用本实施例多维振动测试系统进行振动测试的流程图。具体地， 需按以下步骤： S1：安装布置：如图3所示，结构模型2设于振动底座，结构模型2每层设置三个激光投 射器，其中两个激光投射器位于结构模型2的一侧，剩下一个位于结构模型2的另一侧；投 影屏与激光投。
22、射器相对设置，投影屏与激光投射器的距离应确保激光投射器发出的光线投 射到投影屏上时所形成的点直径大小在13mm之间；在投影屏上张贴标定纸，开启激光投 射器，调整激光投射器与标定纸的相对位置，确保激光投射器投射出的点落入标定纸的标 定范围内； S2. 标定：如图7和8所示，对CCD摄像机进行标定时，应先关闭投射装置3，CCD摄像 机的位置，使其与投影屏之间的距离L1在5001000mm之间，且标定纸的标定范围完全落入 CCD摄像机拍摄出来的图像范围内；采集一段35秒视频图像，传输至计算机，提取视频文 件中任意一帧，运用图像处理技术提取标定纸上标定点61的位置坐标，对摄像机中收集到 的图像进行曲面。
23、拟合标定,图10所示，进行振动测试前，先检测S2中系统标定步骤是否满 足要求，若不满足，则重复S2；若满足则进行测试步骤S3，具体流程参见图9； S3. 测试：如图10所示，去除标定辅助件，开启激光投射器，振动底座向结构模型2施 说 明 书CN 104374538 A 5/5页 7 加激励，激光投射器将结构模型2收到激励后相应点的运动轨迹投射至投影屏上，CCD摄影 机捕捉投影屏上投射点的位置变化形成视频，传输至计算机； S4. 分析：计算机接收到CCD摄像机的视频后，设置于其上的视频收集卡，运用数字图 像处理技术对采集来的视频实时提取帧，分析帧得到结构模型2的位移运动信息，停止施 加激励，同步。
24、停止视频采集，根据结构模型2各层三个激光投射器投射点的位移信息列出 三个非线性方程，解方程组得结构模型2被测试层的响应量，整理数据绘制结构层位移时 程曲线。 0023 实施例3： 如图12所示为本发明再一实施例的在进行多维振动测试过程中的使用状态图。本实 施例的多维振动测试系统，包括振动源1，结构模型2，作为投射装置3被设置的激光投射 器，作为投影接收装置4被设置的投影屏，作为视频收集装置5被设置的CCD摄像机，以及 作为图像提取分析模块7被设置的计算机。 0024 本实施例多维振动测试系统与实施例2的区别在于，施加于结构模型2上的激励 由外界环境提供，如人为的推动、碰撞或锤击等。即所述振动源。
25、1为外界环境而非振动底 座。本实施例模拟特定测试对象在外界环境振动激励下进行多维振动测试。 0025 测试方法与实施例2的区别在于无需将结构模型2设于振动底座，将激光投射器 设置于结构模型2的各层，然后布置好投影屏、CCD摄像机，连接计算机与CCD摄像机，进行 标定。测试时，只需人为地向结构模型2施加激励即可。后续数据处理与实施例2中所阐 述的一致。计算得出的数据结果精确，本发明不仅适用于在实验室中进行模拟测试，同样适 用于对外界环境中特定结构物的多维振动测试。 0026 本发明将数字图像处理技术应用于结构振动测试领域，实现对结构模型多维振动 效应的测试。本发明不但适用于单层结构，同样可以用于。
26、多层结构及复杂结构的振动测试。 整个系统结构简单，成本低廉，相比传统需布置大量传感器数据线的振动测试系统具有更 高的适应性和可用性。且测试数据运算处理简单，结果精确。 0027 以上针对本发明所提供的一种多维振动测试系统，本文中应用了具体个例对本发 明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思 想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上 均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 说 明 书CN 104374538 A 1/6页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104374538 A 2/6页 9 图3 图4 图5 说 明 书 附 图CN 104374538 A 3/6页 10 图6 图7 图8 说 明 书 附 图CN 104374538 A 10 4/6页 11 图9 说 明 书 附 图CN 104374538 A 11 5/6页 12 图10 说 明 书 附 图CN 104374538 A 12 6/6页 13 图11 图12 说 明 书 附 图CN 104374538 A 13 。