基于相位的轴承试验台振动位移测量及模态分析算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于相位的轴承试验台振动位移测量及模态分析算法，包括：对轴承试验台的视频拍摄；基于gabor滤波器构建相位金字塔模型，加入不同振动方向不同尺度信息，将视频输入相位金字塔模型，通过gabor滤波器计算不同方向不同尺度的相位矩阵；通过差分法分别求解空间及时间轴向梯度变化，并用求解速度向量的外积公式求解横向和纵向速度随时间变化曲线；通过频域积分获得该尺度下视频全场像素点对应全场结构点的横纵向位移随时间的变化；然后利用SVD法对全场位移信号进行分解，通过FDD法对核函数系数进行分解，利用峰峰值法获得奇异值分量上的结构固有频率。获得奇异值分量上的结构固有频率。获得奇异值分量上的结构固有频率。

【技术实现步骤摘要】
基于相位的轴承试验台振动位移测量及模态分析算法


[0001]本专利技术涉及视觉测量方法领域，具体涉及一种基于相位的轴承试验台振动位移测量及模态分析算法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的不断提高，近年来关于轴承损伤检测研究更加深入，轴承作为机电设备使用最为广泛的零部件，其健康状态直接影响机组的正常运行，为避免连锁故障的发生，在轴承早期损伤阶段实现故障溯源并及时排除隐患具有非常重要的意义。对比目前现有的振动测量手段，大多数需要有线的接触式测量，且只能进行局部检测。如果能建立一个系统、全面的视觉实时监测系统，就可以对轴承或其他结构进行全场、非接触的有效监控，并有效地预防和减少安全事故的发生。基于机器视觉的实时检测技术及设备的开发，是结构故障的重要防线和保障措施。
[0003]目前国内外都已经发展利用机器视觉手段来进行的结构监测，如数字图像相关法进行振动测量，在测量精度和范围等方面有了较大的提高，但这类方法的主要问题是对特征区域要求较高、非全场，以及易受光照条件影响，限制了其应用范围。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于相位的轴承试验台振动位移测量及固有频率提取算法，以解决现有技术检测方法对特征区域要求较高、非全场，易受光照条件影响的问题，同时对全场的位移数据进行结构固有频率的提取。
[0005]为达到上述的目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]本申请实施例公开了一种基于相位的轴承试验台振动位移测量算法，依次包括以下步骤：
[0007]步骤1：根据待检测物体的振动情况，采用不同高速相机对物体的全场进行拍摄；
[0008]步骤2：基于gabor滤波器构建方向可控金字塔，并构建至少4层金字塔，用于之后位移测量的实现，其中包括利用不同尺度和方向的相位对振动位移的求解任务；
[0009]步骤3：在步骤2中利用不同尺度和方向的相位对振动位移的求解任务中，构建不同尺度和方向gabor滤波器对视频进行处理，输出相应的各组相位图，相位经过对相应的方向的速度梯度进行求解，同时对相位图的每个像素点进行对时间的速度梯度求解，以计算出随时间变化的全场速度数据，利用频域积分该尺度下视频全场像素点对应全场结构点的横纵向位移随时间的变化，计算所述全场x，y方向振动的速度通过如下公式计算出来：
[0010][0011]式中，为不同尺度和方向gabor滤波器输出的各组相位图，即视频中不同尺度和方向的相位；θ为可人为定义的方向变量；r为尺度变量，即对应方向可控金字塔的层；u，v即为物体分别在x，y方向振动的速度；
[0012]步骤4：采用基于相位的视觉位移测量算法获得全场位移，然后采用基于SVD的轴承模态分析算法进行模态分析，基于SVD的轴承模态分析算法，首先利用SVD方法计算出全场位移的前K阶主成分，之后通过频域分解法对核函数系数进行分解，利用峰峰值法获得奇异值分量上的结构固有频率，频域分解法公式如下：
[0013]p(t
i
)＝Φ
SD
q(t
i
)+v(t
i
)
[0014]式中，p(t
i
)为核函数系数，Φ
SD
为空间域的模态振型矩阵，v(t
l
)为测量所产生的噪声。
[0015]优选地，在上述基于相位的轴承试验台振动位移测量算法中，相机为高速相机，帧率为待测频率的2倍及以上。
[0016]优选地，在上述基于相位的轴承试验台振动位移测量算法中，构建方向可控金字塔的滤波器为可提取不同方向不同尺度下纹理特征的gabor滤波器，视频数据送入滤波器中进行处理并计算相位信息。
[0017]优选地，在上述基于相位的轴承试验台振动位移测量算法中，求解速度向量的外积公式中需分别代入不同方向的相位信息，将相位信息利用公式求解速度并积分获得位移。
[0018]相应地，还公开了一种基于相位的轴承试验台振动模态分析算法，SVD算法对权利要求1获得的位移数据进行降维，需提前将三维相位信号重新排列为二维信号，每一时间帧下为一个向量，将二维信号进行降维。
[0019]优选地，在上述基于相位的轴承试验台振动模态分析算法中，轴承模态分析算法采用的SVD法为改进后的SVD法，将二维信号经分解获得核函数系数，对核函数系数进行FDD，最后用峰峰值法即可获得结构固有频率。
[0020]与现有技术相比，本专利技术首先根据待测构件的结构情况，选择易于进行拍摄同时距损伤件较近的一面进行拍摄，考虑到轴承振动特性，相机设置的帧率要尽量高于第一阶模态的二倍；然后根据每帧图片的大小确定获取金字塔第几层的数据，充分考虑计算所需内存及运行时间的同时，保证结果具有鲁棒性；然后建立速度向量的外积公式，求出相位图不同方向的速度梯度，利用相位的速度梯度求解振动速度并积分；从而获得全场的振动位移数据；最后针对全场位移数据进行降维，维数可根据重组出的图片与原图片进行对比，计算相似度来确定；然后将降维后的数据进行FDD分析。
[0021]专利技术抛开传统的基于拉格朗日角度的处理方式，从欧拉视角将每个像素点作为对象进行考虑，充分发挥相位信息中包含的位移信息及受光照影响较小的的优点。
[0022]本专利技术无需标记点，便于实现，同时相机拍摄的视频即为振动信号，实现了全场及非接触测量。
[0023]本专利技术运用全部像素点的振动信息进行模态辨识，从而大大提高了辨识的准确度。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，
还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1所示为本专利技术实施例中基于相位的轴承试验台振动的全场位移测量及频率提取算法的流程图；
[0026]图2所示为本专利技术实施例中所采用的检测装置系统框图；
[0027]图3所示为本专利技术实施例中视觉位移测量原理框图；
[0028]图4所示为本专利技术实施例中轴承模态识别原理框图。
具体实施方式
[0029]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0030]如图1所示，本专利技术系统采用高速相机型号为：Photron FASTCAM Mini AX200，图像分辨率为1024
×
1024，相机帧率为4000fps，结构光源选择一台120W LED照明灯，振动视频保存到计算机中。
[0031]相位金字塔的建立及位移的估计：
[0032]可操纵金字塔具有无定向、实值高和低通系数，描述的是带通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位的轴承试验台振动位移测量算法，其特征在于，依次包括以下步骤：步骤1：根据待检测物体的振动情况，采用不同高速相机对物体的全场进行拍摄；步骤2：基于gabor滤波器构建方向可控金字塔，并构建至少4层金字塔，用于之后位移测量的实现，其中包括利用不同尺度和方向的相位对振动位移的求解任务；步骤3：在步骤2中利用不同尺度和方向的相位对振动位移的求解任务中，构建不同尺度和方向gabor滤波器对视频进行处理，输出相应的各组相位图，相位经过对相应的方向的速度梯度进行求解，同时对相位图的每个像素点进行对时间的速度梯度求解，以计算出随时间变化的全场速度数据，利用频域积分该尺度下视频全场像素点对应全场结构点的横纵向位移随时间的变化，计算所述全场x，y方向振动的速度通过如下公式计算出来：式中，为不同尺度和方向gabor滤波器输出的各组相位图，即视频中不同尺度和方向的相位；θ为可人为定义的方向变量；r为尺度变量，即对应方向可控金字塔的层；u，v即为物体分别在x，y方向振动的速度；步骤4：采用基于相位的视觉位移测量算法获得全场位移，然后采用基于SVD的轴承模态分析算法进行模态分析，基于SVD的轴承模态分析算法，首先利用SVD方法计算出全场位移的前K阶主成分，之后通过频域分解法对核函数系数进行分解，利用峰峰值法获得奇异值分量上的结构固有频率，频域分解法公式如下：p(t
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹善成，孟子然，朱军，徐超，
申请(专利权)人：西北工业大学太仓长三角研究院，
类型：发明
国别省市：