Measurement of two-dimensional vibration and calibrationusing the low-cost machine vision camera

Seo Woo Kim; Jeong-Guon Ih

doi:10.7776/ASK.2018.37.2.099

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2018 Vol.37, Issue 2 Preview Page Next Page

Measurement of two-dimensional vibration and calibrationusing the low-cost machine vision camera 저가의 머신 비전 카메라를 이용한 2차원 진동의 측정 및 교정

31 March 2018. pp. 99-109

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Abstract

The precision of the vibration-sensors, contact or non-contact types, is usually satisfactory for the practical measurement applications, but a sensor is confined to the measurement of a point or a direction. Although the precision and frequency span of the low-cost camera are inferior to these sensors, it has the merits in the cost and in the capability of simultaneous measurement of a large vibrating area. Furthermore, a camera can measure multi-degrees-of-freedom of a vibrating object simultaneously. In this study, the calibration method and the dynamic characteristics of the low-cost machine vision camera as a sensor are studied with a demonstrating example of the two-dimensional vibration of a cantilever beam. The planar image of the camera shot reveals two rectilinear and one rotational motion. The rectilinear vibration motion of a single point is first measured using a camera and the camera is experimentally calibrated by calculating error referencing the LDV (Laser Doppler Vibrometer) measurement. Then, by measuring the motion of multiple points at once, the rotational vibration motion and the whole vibration motion of the cantilever beam are measured. The whole vibration motion of the cantilever beam is analyzed both in time and frequency domain.

Keywords

Vibration measurement

Machine vision camera

Image processing

Gaussian curve fitting

Calibration

Modal analysis

현존하는 진동 측정 센서는 정밀도 면에서는 대부분의 진동을 측정하기에 충분하나, 센서 한 개로 하나의 지점이나 방향에 한정하여 측정할 수밖에 없다는 단점을 갖고 있다. 반면 카메라의 경우, 정밀도나 측정 가능한 주파수 영역의 면에서는 다소 불리하지만, 한 번에 광범위한 영역의 진동을 측정할 수 있고 가격 면에서 유리하며 다자유도의 진동을 동시에 측정할 수 있다는 큰 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 저가의 머신 비전 카메라가 진동 측정 센서로서 어느 정도의 오차 범위 내에서 진동을 측정할 수 있는지 알아본 후, 실제 외팔보의 진동을 측정하였다. 카메라의 2차원 평면 이미지는 두 방향의 직선 운동과 한 방향의 회전 운동을 나타낼 수 있다. 먼저 단일 점의 진동을 카메라로 측정하고, LDV(Laser Doppler Vibrometer) 측정을 기준으로 한 카메라 측정의 오차를 실험적으로 교정하였다. 다음으로 다중 점의 진동을 한 번에 측정하여 회전 진동과 외팔보 전체 형상의 진동을 측정하였다. 외팔보 전체 형상 진동은 주파수와 시간 영역 모두에 대하여 분석하였다.

키워드

진동 측정

머신 비전 카메라

이미지 처리

가우시안 곡선 맞춤

교정

모드 해석

References

1.P. Castellini, M. Martaarelli, and E. Tomasini, “Review: laser doppler vibrometer: development of advanced solutions answering to technology’s needs,” Mechanical Systems and Signal Processing 20, 1265-1285 (2006).

J. Chen, A. Davis, N. Wadhwa, F. Durand, W. Freeman, and O. Buyukozturk, “Video camera-based vibration measurement for civil infrastructure applications,” J. Infrastructure Systems, B4016013 (2016).

K. S. Son, H. S. Jeon, J. H. Park, and J. W. Park, “Vibration displacement measurement technology for cylindrical structures using camera images,” Nuclear Engineering and Technology, 47, 488-499 (2015).

H. S. Jeon, Y. C. Choi, J. H. Park, and J. W. Park, “Parameter studies for measuring vibration by using camera,” Trans. KSNVE. 20, 1033-1037 (2010).

R. E. Jacobson, S. F. Ray, and G. G. Attridge, The Manual of Photography: Photographic and Digital Imaging, 9^th edition (Focal Press, Oxford, 2000), pp.72-82.

J. S. Bendat and A. G. Piersol, Random Data: Analysis and Measurement Procedures, 4^thedition (John Wiley & Sons, New Jersey, 2010), Chap. 10.

M. Irani and P. Anandan, “About direct methods,” IWVA, 267-277 (1999).

P. H. S. Torr and A. Zisserman, “Feature based methods for structure and motion estimation,” IWVA, 278-294 (1999).

A. M. Wahbeh, J. P. Caffrey, and S. F. Masri, “A vision-based approach for the direct measurement of displace-ments in vibrating systems,” Smart Materials and Struc-tures, 12, 785-794 (2003).

R. C. Gonzalez and R. E. Woods, Digital Image Processing, 2^ndedition (Prentice Hall, Upper Saddle River, 2002), Chaps. 2, 3.

Information

Publisher :The Acoustical Society of Korea
Publisher(Ko) :한국음향학회
Journal Title :The Journal of the Acoustical Society of Korea
Journal Title(Ko) :한국음향학회지
Volume : 37
No :2
Pages :99-109
Received Date : 2018-01-17
Accepted Date : 2018-03-29
DOI :https://doi.org/10.7776/ASK.2018.37.2.099

The Journal of the Acoustical Society of KoreaISSN:1225-4428(Print) 2287-3775(Online)한국음향학회

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