本發(fā)明屬于振動(dòng)形變測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體的是一種振動(dòng)形變觀測(cè)方法、裝置及記錄方法。

背景技術(shù)：

研究物體在振動(dòng)時(shí)的形變非常重要，可以分析物體振動(dòng)時(shí)的受力情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。另外，研究動(dòng)物運(yùn)動(dòng)(例如昆蟲翅膀振動(dòng))也是一種觀測(cè)振動(dòng)物體形變的工作。在研究聲學(xué)的時(shí)候，也會(huì)分析物體的振動(dòng)形變。通常這些物體的振動(dòng)頻率都比較快，一般從幾十赫茲到上千赫茲，此時(shí)肉眼無(wú)法直接觀測(cè)物體振動(dòng)時(shí)候的形變，通常的方法是通過高速攝影機(jī)記錄下來(數(shù)千到數(shù)萬(wàn)幀每秒)，再以通常的播放速度(25幀每秒左右)回放，才可以觀測(cè)到振動(dòng)形變。但是高速攝影機(jī)成本非常高，而且需要大功率照明才可以正常拍攝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提出了低成本的振動(dòng)形變觀測(cè)、裝置及和記錄方法。

本發(fā)明技術(shù)方案提出一種振動(dòng)形變觀測(cè)方法，首先對(duì)被觀測(cè)的振動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行振動(dòng)頻率測(cè)量，記測(cè)量結(jié)果為f，然后合成一個(gè)頻率為f-δ的方波信號(hào)，δ為預(yù)設(shè)的頻率差值，按照此方波信號(hào)控制光源以頻率f-δ閃爍，在時(shí)間上拉長(zhǎng)展示物體振動(dòng)時(shí)的形變狀況，拉長(zhǎng)為將物體振動(dòng)的原始振動(dòng)過程的f/δ倍。

而且，頻率差值δ取值0.1到2赫茲之間。

而且，光源亮起的占空比為10％。

本發(fā)明相應(yīng)提供一種振動(dòng)形變觀測(cè)裝置，包括換能器1、信號(hào)調(diào)理器2、頻率分析模塊3、頻率合成器4和光源5，換能器1、信號(hào)調(diào)理器2、頻率分析模塊3、頻率合成器4和光源5依次連接，

所述換能器1，用于采集被觀測(cè)的振動(dòng)目標(biāo)的振動(dòng)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理器2；

所述信號(hào)調(diào)理器2，用于將換能器1輸入的電信號(hào)放大濾波，并傳輸?shù)筋l率分析模塊3；

所述頻率分析模塊3，用于提取出被觀測(cè)的振動(dòng)目標(biāo)的振動(dòng)頻率f，并傳輸?shù)筋l率合成器4；

所述頻率合成器4，用于合成一個(gè)頻率為f-δ的方波信號(hào)，δ為預(yù)設(shè)的頻率差值，并傳輸?shù)焦庠?；

所述光源5，用于以頻率f-δ閃爍，在時(shí)間上拉長(zhǎng)展示物體振動(dòng)時(shí)的形變狀況，拉長(zhǎng)為將物體振動(dòng)的原始振動(dòng)過程的f/δ倍。

而且，頻率差值δ取值0.1到2赫茲之間。

而且，光源亮起的占空比為10％。

而且，換能器1采用振動(dòng)傳感器或者話筒。

本發(fā)明相應(yīng)提供一種振動(dòng)形變記錄方法，首先對(duì)被觀測(cè)的振動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行振動(dòng)頻率測(cè)量，記測(cè)量結(jié)果為f，然后合成一個(gè)頻率為f-δ的方波信號(hào)，δ為預(yù)設(shè)的頻率差值，按照此方波信號(hào)控制光源以頻率f-δ閃爍，在時(shí)間上拉長(zhǎng)展示物體振動(dòng)時(shí)的形變狀況，拉長(zhǎng)為將物體振動(dòng)的原始振動(dòng)過程的f/δ倍；采用攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，記錄在時(shí)間上拉長(zhǎng)的物體振動(dòng)時(shí)的形變狀況。

而且，使快門曝光時(shí)間長(zhǎng)于光源的閃爍周期。

或者，用光源控制信號(hào)控制攝像機(jī)快門。

本發(fā)明利用頻率差累計(jì)相位差的方式，巧妙實(shí)現(xiàn)了用肉眼即可對(duì)高速振動(dòng)物體形變的觀測(cè)，同時(shí)可以用普通攝像機(jī)對(duì)高速振動(dòng)物體的形變進(jìn)行攝像記錄，而且提供低成本的振動(dòng)形變觀測(cè)裝置，適于推廣使用，具有重要的市場(chǎng)價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的物體振動(dòng)頻率、光源閃爍頻率與觀測(cè)到的振動(dòng)頻率之間的關(guān)系示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的頻率分析合成電路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

振動(dòng)物體的振動(dòng)頻率一般在幾十到上千赫茲，而且其振動(dòng)頻率主要由材料、形狀、尺寸決定，因此其振動(dòng)頻率比較穩(wěn)定，每次振動(dòng)的過程也基本一致。因此，本發(fā)明提出用一個(gè)閃光頻率接近其振動(dòng)頻率的光源對(duì)其照明(例如比振動(dòng)頻率低1赫茲)，由于每次振動(dòng)與照明的頻率差的原因，照明的時(shí)刻與振動(dòng)位置的相位差即可在一個(gè)周期內(nèi)順序變化，而變化的頻率正好是振動(dòng)頻率與光源閃動(dòng)頻率之差。這樣即可順序捕捉到振動(dòng)物體一個(gè)周期內(nèi)不同相位時(shí)的狀態(tài)，連接起來正好是振動(dòng)物體的連續(xù)形變。雖然物體振動(dòng)頻率沒有改變，但是觀測(cè)到的視覺振動(dòng)頻率卻是振動(dòng)頻率與閃光頻率之差(例如1赫茲)，此時(shí)可以清晰觀測(cè)到物體振動(dòng)時(shí)各個(gè)位置發(fā)生的形變，同時(shí)也可以用普通攝像機(jī)進(jìn)行記錄，但因光源是閃爍的，攝像可能會(huì)造成黑條、閃動(dòng)現(xiàn)象，本發(fā)明進(jìn)一步提出：一方面可以通過調(diào)整曝光時(shí)間改善，另一方面，如果攝像機(jī)支持快門控制，可以將控制光源的信號(hào)直接或者分頻后控制攝像機(jī)快門，以達(dá)到完全同步，保證攝像效果。

首先用換能器(振動(dòng)傳感器或者話筒)對(duì)被觀測(cè)的振動(dòng)目標(biāo)的振動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量，記測(cè)量結(jié)果為f，然后合成一個(gè)頻率為f-δ的信號(hào)，頻率差值δ優(yōu)選取值0.1到2赫茲之間，并以此信號(hào)控制光源的閃爍，即光源以頻率f-δ閃爍。其亮起的占空比優(yōu)選控制在10％左右，即在每個(gè)周期內(nèi)，光源亮起的時(shí)間占總時(shí)間的10％，例如光源的閃爍頻率為100赫茲，則每個(gè)周期的長(zhǎng)總時(shí)間度是10毫秒，光源亮起1毫秒，熄滅9毫秒。占空比太低則目標(biāo)亮度不夠，不易觀測(cè)，占空比太高則會(huì)引起觀測(cè)目標(biāo)模糊的情況。

設(shè)物體的任意質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方程為：

a＝a×cos(t×f×2×π+ω)公式1

其中a為質(zhì)點(diǎn)的位置，a為振幅，t為時(shí)間，f為振動(dòng)頻率，ω為初始相位。每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的初始相位不盡相同。

則光源閃爍方程為：(為簡(jiǎn)化表示，用正弦波表示，實(shí)際為方波，光源在高電平時(shí)亮)

l＝b×cos(t×(f－δ)×2×π)公式2

其中l(wèi)是光源狀態(tài)，b為振幅，由于控制光源的是方波，因此實(shí)際中b＝1。

實(shí)際設(shè)計(jì)是占空比可調(diào)的方波，讓光源在高電平時(shí)亮，為簡(jiǎn)化分析，認(rèn)為光源在l＝1的時(shí)候亮。則光源亮起的時(shí)候，滿足的條件是：

t×(f－δ)×2×π＝2×n×π，n＝0,1,2,3……公式3

其中n為周期數(shù)。

則：

t＝n/2(f－δ)，n＝0,1,2,3……公式4

所觀測(cè)到的振動(dòng)物體的任意質(zhì)點(diǎn)的狀態(tài)為：

s＝a×cos((n/2(f－δ))×f×2×π+ω)，n＝0,1,2,3……公式5

再假設(shè)將物體振動(dòng)一個(gè)周期的時(shí)間1/f平均分成f－δ等份，每段時(shí)間長(zhǎng)度為1/(f×(f－δ))，如果在每個(gè)等份時(shí)刻觀測(cè)物體，則可以觀測(cè)到物體的振動(dòng)狀態(tài)，且觀測(cè)到的狀態(tài)為：

s’＝a×cos((n/2(f－δ))×2×π+ω)，n＝0,1,2,3……公式6

s-s’＝-2×a×sin(n×π×f/(f-δ))×sin(n×π×(f-1)/(f-δ))，n＝0,1,2,3……公式7

令d為某質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)某時(shí)刻的位置與實(shí)際觀測(cè)到的位置的距離差，則：

d＝sin(n×π×f/(f-δ))×sin(n×π×(f-1)/(f-δ))，n＝0,1,2,3……公式8

由于δ取值很小(優(yōu)選取值在0.1到2之間)，f值一般在幾十到一千赫茲之間，故f-δ、f、f－1三個(gè)數(shù)值非常接近，因此，f/(f-δ)與(f-1)/(f-δ)的值都接近于1，于是d的值接近于sin(n×π)×sin(n×π)，而n為整數(shù)，因此d接近于0，即使當(dāng)f＝50赫茲，δ＝2赫茲的時(shí)候，d的值也不大于0.01?？梢哉J(rèn)為，觀測(cè)到的物體的振動(dòng)狀態(tài)s與其實(shí)際的振動(dòng)狀態(tài)s’是非常接近的，且所觀測(cè)到的物體的視覺效果振動(dòng)頻率為δ。由于原來質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率為f，而實(shí)際觀察到的振動(dòng)頻率為δ，f的值一般是幾十到幾百赫茲，而δ的值一般是0.1-2赫茲，因此相當(dāng)于把原來的振動(dòng)過程拉長(zhǎng)了f/δ倍，差不多是幾十到幾千倍。

因此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種振動(dòng)形變觀測(cè)方法，首先對(duì)被觀測(cè)的振動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行振動(dòng)頻率測(cè)量，記測(cè)量結(jié)果為f，然后合成一個(gè)頻率為f-δ的方波信號(hào)，δ為預(yù)設(shè)的頻率差值，按照此方波信號(hào)控制光源以頻率f-δ閃爍，在時(shí)間上拉長(zhǎng)展示物體振動(dòng)時(shí)的形變狀況，拉長(zhǎng)為將物體振動(dòng)的原始振動(dòng)過程的f/δ倍。

本發(fā)明經(jīng)過實(shí)驗(yàn)提出，δ優(yōu)選取值在0.1到2赫茲之間，可以取得比較舒適的觀測(cè)效果，當(dāng)物體振動(dòng)頻率較高的時(shí)候，可以適當(dāng)提高δ的取值，但一般不宜超過5hz，否則觀測(cè)效果不好。特別的，當(dāng)δ＝1赫茲的時(shí)候，d＝0。

故此，通過本發(fā)明的方法，清晰準(zhǔn)確觀測(cè)到了物體振動(dòng)時(shí)的形變狀況，并可以用普通攝像機(jī)進(jìn)行記錄。

圖1中，畫出了物體振動(dòng)頻率為10赫茲(振幅為1的實(shí)線)，即f＝10。光源閃爍頻率為9赫茲(振幅為0.2的虛線)即δ＝1，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是振幅。在橫軸上的圓圈代表的是光源閃爍的時(shí)刻，此時(shí)對(duì)應(yīng)于公式2中l(wèi)＝1，’x’符號(hào)表示在光源亮起的時(shí)刻，物體振動(dòng)的狀態(tài)，’口’符號(hào)表示在物體振動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)，將時(shí)間均分為9份，每一份時(shí)刻開始時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)，可見，每一個(gè)’x’符號(hào)都有’口’符號(hào)對(duì)應(yīng)，’x’符號(hào)連接起來的點(diǎn)劃線就相當(dāng)于把物體振動(dòng)狀態(tài)在時(shí)間上拉長(zhǎng)，也就是視覺上感覺到振動(dòng)變慢了，可以用肉眼觀測(cè)到了。其視覺頻率恰好為1赫茲，即物體振動(dòng)頻率與閃光頻率的差頻δ。

圖2展示了實(shí)現(xiàn)原理，換能器1、信號(hào)調(diào)理模塊2、頻率分析模塊3、頻率合成器4和光源5依次連接。換能器1采集振動(dòng)目標(biāo)的振動(dòng)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理模塊2，信號(hào)在此被放大以及濾波后傳輸?shù)筋l率分析模塊3，提取出物體振動(dòng)的瞬時(shí)頻率f，并由此頻率決定頻率合成器4所合成的信號(hào)頻率f-δ，δ是頻率差，該信號(hào)是方波信號(hào)，占空比可調(diào)，用于控制光源5產(chǎn)生閃爍的照明，高電平的時(shí)候，光源5打開，低電平時(shí)光源5關(guān)閉。頻率合成器4采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的成本較低，而且實(shí)現(xiàn)容易，除此之外，也可以用fpga或者vco(壓控振蕩器)等來實(shí)現(xiàn)。頻率分析模塊3和頻率合成器4可以集成實(shí)現(xiàn)為頻率分析合成模塊，可以采用鎖相環(huán)和壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)，或者采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。換能器1可以采用振動(dòng)傳感器或者話筒。頻率合成器4的輸出傳送到光源5可采用開關(guān)組件實(shí)現(xiàn)。光源5可采用普通的白色led照明光源。信號(hào)調(diào)理模塊2可以采用現(xiàn)有的信號(hào)調(diào)理器。

此外，還可以設(shè)置電源為需要的部件提供工作電壓。進(jìn)一步地，可以提供控制面板供用戶自行進(jìn)行設(shè)置。

如圖3，實(shí)施例用振動(dòng)傳感器11、信號(hào)調(diào)理器12、頻率分析合成模塊13、開關(guān)組件14、白色led照明光源15以及電源16和控制面板17來實(shí)現(xiàn)。振動(dòng)傳感器11、信號(hào)調(diào)理器12、頻率分析合成模塊13、開關(guān)組件14和白色led照明光源15依次連接，控制面板17連接頻率分析合成模塊13，電源16分別連接信號(hào)調(diào)理器12、頻率分析合成模塊13、開關(guān)組件14。

對(duì)于可以接觸到的觀測(cè)目標(biāo)，振動(dòng)傳感器11接觸觀測(cè)目標(biāo)，以探測(cè)其振動(dòng)頻率。對(duì)于難以接觸的觀測(cè)目標(biāo)(例如昆蟲振動(dòng)的翅膀)，換能器也可以用話筒，用以采集目標(biāo)振動(dòng)發(fā)出的聲音，以檢測(cè)其振動(dòng)頻率。

信號(hào)調(diào)理器12用lm324運(yùn)算放大器組成，所實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)振動(dòng)傳感器11采集到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，并進(jìn)行濾波，一般來說只保留1000赫茲以下的信號(hào)，因?yàn)槎鄶?shù)振動(dòng)物體的頻率在此范圍內(nèi)。

頻率分析合成模塊13采用單片機(jī)時(shí)，性能要求不高，但優(yōu)選帶有計(jì)時(shí)器timer，以便實(shí)現(xiàn)頻率分析。此處選用atmel的atmega328。

控制面板17優(yōu)選提供的作用一是控制信號(hào)調(diào)理器12的放大倍數(shù)以及濾波截止頻率，二是控制預(yù)設(shè)頻率差δ以及光源的亮度?？刂泼姘?7的設(shè)置可以輸入到單片機(jī)，通過單片機(jī)進(jìn)行控制。

經(jīng)信號(hào)調(diào)理器12處理后的信號(hào)送至單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，得到其頻率f，然后將f減去控制面板17預(yù)設(shè)的頻率差δ，得到光源閃爍頻率f-δ，并根據(jù)該值控制單片機(jī)自身具備的計(jì)時(shí)器(timer)，使得計(jì)時(shí)器的輸出信號(hào)的頻率為f-δ，同時(shí)還根據(jù)控制面板17設(shè)置的亮度設(shè)置計(jì)時(shí)器timer輸出信號(hào)的的占空比。

開關(guān)組件14由場(chǎng)效應(yīng)管ifr540構(gòu)成，單片機(jī)的計(jì)時(shí)器輸出的信號(hào)控制開關(guān)組件14，當(dāng)輸出信號(hào)為高電平的時(shí)候，開關(guān)組件14導(dǎo)通，控制白色led照明光源15發(fā)光，當(dāng)輸出低電平的時(shí)候，開關(guān)組件14截止，白色led照明光源15關(guān)閉。白色led照明光源15應(yīng)當(dāng)照射到被觀測(cè)目標(biāo)上。

按照這樣的設(shè)計(jì)，白色led照明光源15的閃爍頻率即可以比觀測(cè)目標(biāo)振動(dòng)頻率高δ，當(dāng)δ為0.1到2之間的時(shí)候，肉眼可以清晰觀測(cè)到振動(dòng)形變的情況，并可以用普通攝像機(jī)或照相機(jī)進(jìn)行影像記錄。

頻率分析合成模塊13也可以采用鎖相環(huán)和壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)，參見圖4：包括參考頻率源101、鎖相環(huán)102、混頻器103和壓控振蕩器104，信號(hào)調(diào)理器12連接混頻器103，參考頻率源101和混頻器103分別連接鎖相環(huán)102，鎖相環(huán)102連接壓控振蕩器104，壓控振蕩器104的輸出連接混頻器103和開關(guān)組件14。信號(hào)調(diào)理器12的信號(hào)和壓控振蕩器104的輸出信號(hào)都送至混頻器103進(jìn)行混頻，以求得差頻信號(hào)。壓控振蕩器104的輸出信號(hào)同時(shí)送至開關(guān)組件14控制光源。參考頻率源101與混頻器103得到的差頻信號(hào)送至鎖相環(huán)環(huán)102進(jìn)行比較。

首先將參考頻率源101設(shè)置為δ，混頻器103將來自信號(hào)調(diào)理器12的信號(hào)和壓控振蕩器104的信號(hào)混頻得到差頻信號(hào)，差頻信號(hào)和來自參考頻率源101的信號(hào)送入鎖相環(huán)102進(jìn)行比較，并用比較結(jié)果控制壓控振蕩器104，在鎖相環(huán)102的控制下，使得壓控振蕩器104合成的信號(hào)與來自信號(hào)調(diào)理器12的信號(hào)的頻率差為δ。此時(shí)壓控振蕩器104的輸出信號(hào)與來自信號(hào)調(diào)理器12的信號(hào)始終維持一個(gè)差頻δ。

具體實(shí)施時(shí)，參考頻率源(refclock)、鎖相環(huán)(pll)、混頻器(vco)和壓控振蕩器(mixer)可以采用現(xiàn)有元器件。比較低成本的實(shí)現(xiàn)是選用lm567，該芯片集成了pll,vco。參考頻率源使用通用的晶體振蕩器分頻產(chǎn)生。

本發(fā)明實(shí)施例還相應(yīng)提供一種振動(dòng)形變記錄方法，首先對(duì)被觀測(cè)的振動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行振動(dòng)頻率測(cè)量，記測(cè)量結(jié)果為f，然后合成一個(gè)頻率為f-δ的方波信號(hào)，δ為預(yù)設(shè)的頻率差值，按照此方波信號(hào)控制光源以頻率f-δ閃爍，在時(shí)間上拉長(zhǎng)展示物體振動(dòng)時(shí)的形變狀況，拉長(zhǎng)為將物體振動(dòng)的原始振動(dòng)過程的f/δ倍；采用攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，記錄在時(shí)間上拉長(zhǎng)的物體振動(dòng)時(shí)的形變狀況。

當(dāng)需要攝像時(shí)，需要注意，由于光源是閃爍的，人的眼睛可以通過視覺暫留效應(yīng)產(chǎn)生物體連續(xù)運(yùn)動(dòng)的假象，但是攝像機(jī)的快門是瞬間打開的，因此有可能產(chǎn)生閃爍、黑條現(xiàn)象。本發(fā)明進(jìn)一步提出通過兩種可以選擇的方式來解決這個(gè)問題：

1，如果攝像機(jī)的快門無(wú)法通過外部觸發(fā)控制，則可以適當(dāng)延長(zhǎng)快門曝光時(shí)間。具體的，應(yīng)當(dāng)使快門曝光時(shí)間長(zhǎng)于光源的閃爍周期。例如，光源閃爍頻率為100赫茲，則其閃爍周期為

1/100＝0.01秒

只要讓攝像機(jī)的快門曝光時(shí)間等于0.01秒，就可以保證在每一次曝光期間，捕捉到一次光源照明。進(jìn)一步的，如果攝像機(jī)的快門曝光時(shí)間等于0.02秒，就可以保證每一次曝光時(shí)間捕捉到兩次光源照明。這樣可保證攝像結(jié)果沒有閃爍和黑條。

2，如果攝像機(jī)支持快門外部觸發(fā)，則可以用光源控制信號(hào)控制攝像機(jī)快門。由于一般攝像機(jī)的幀頻大約在24-30fps，低于光源閃爍頻率，因此不是每次光源亮起的信號(hào)都能觸發(fā)快門，但是這樣能使得每次快門曝光的時(shí)候都有光源照明，并使幀頻盡可能高。

本發(fā)明中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行舉例說明。任何熟悉該技術(shù)的技術(shù)人員在本發(fā)明做揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，都可輕易得到其變化或替換，因此本發(fā)明保護(hù)范圍都應(yīng)涵蓋在由權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍之內(nèi)。