JP3969888B2 - Vibration state measuring method and apparatus - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スリットの開口幅の振動状態を計測する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
亀裂の間隙などスリットの開口幅の振動状態を計測する必要に迫られることがある。たとえば、橋桁に生じた疲労亀裂などの部分的な損傷を供用下で溶接により補修する場合、亀裂間隙は車両の通過により振動（変動）しており、高温割れの発生が懸念される。この高温割れの発生の有無は、亀裂部の振動状態、すなわち図６に示す橋桁Ｂの亀裂１の開口変位変化量Δδ、およびその振動周波数ｆと、亀裂部周辺の剛性を表す指標の一つである拘束度Ｒｐ（亀裂を１ｍｍ狭めるために必要な亀裂長さ方向の荷重）により決定される。したがって、実際の橋桁の供用下での補修溶接を行うためには、亀裂１の開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆを計測し、その場でΔδおよびｆ、さらにＲｐを判断し、高温割れが発生しないことを確認する必要がある。
【０００３】
従来、上記亀裂間隙などの振動状態の計測には、クリップゲージを用いて計測する接触式の手法が一般的に使用されている。図７に基づいて、従来のクリップゲージを用いた開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆの計測方法について説明する。
橋桁Ｂの亀裂１の周辺にナイフエッジ２を取付けてクリップゲージ３を固定し、このクリップゲージ３の出力（振動のアナログ信号）を出力調整アンプ（ダイナミックアンプ）４で調整し、ＡＤ変換器５を介してコンピュータ６へ取込み、連続した振動の波形データより開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆの計測している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の計測方法では、橋桁の亀裂１の開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆをクリップゲージ３を用いて計測する際に、亀裂部周辺に、クリップゲージ３を固定するために、ナイフエッジ２を取り付けなければならず、また、亀裂１の周辺にナイフエッジ２を取り付ける作業は高所での作業となることが多く、危険を伴うという問題があった。
【０００５】
またクリップゲージ３の出力を出力調整アンプ４で調整しなければ正確な値が得られないため、専門的な知識が必要であった。
そこで、本発明は、専門的知識を必要とせず、安全に簡易に振動を計測する方法およびその装置を提供することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、スリットの開口幅の振動状態を計測する方法であって、
前記スリットの振動周波数より高速なタイミングで前記スリットの画像データを求めて蓄積し、これら各画像データ毎に、画像データを２値化して輝度分布を求め、この輝度分布より前記スリットの開口幅を求めて順に記憶し、順に記憶したスリットの開口幅の時間変化より、スリットの開口変位変動量とその実振動周波数を求めることを特徴とするものである。
【０００７】
また請求項２に記載の発明は、スリットの開口幅の振動状態を計測する装置であって、
前記スリットの光学的撮像手段と、前記光学的撮像手段により撮像された前記スリットの画像データを、スリットの振動周波数より高速なタイミングで蓄積する蓄積手段と、前記蓄積手段に蓄積された各画像データ毎に、画像データを２値化して輝度分布を求め、この輝度分布より前記スリットの開口幅を求めて出力する第１演算手段と、前記第１演算手段より出力された前記スリットの開口幅を順に記憶し、記憶したスリットの開口幅の時間変化より、スリットの開口変位変動量とその実振動周波数を求める第２演算手段を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
上記方法および構成によれば、スリットの画像データよりスリットの開口変位変動量とその実振動周波数が求められる。よって、非接触で計測でき、従来のような亀裂部に対するナイフエッジおよびクリップゲージの取付け作業が不要となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態における振動状態計測装置の概略構成図である。
亀裂（スリットの一例）１に対向して、高速ビデオカメラ（光学的撮像手段および蓄積手段の一例）11を設置し、この高速ビデオカメラ11により撮影され蓄積された、亀裂１およびその周辺の画像データを画像処理ボード（第１演算手段の一例）12で画像処理してパーソナルコンピュータ（第２演算手段の一例）13に取り込んでいる。
【００１０】
一般に（振動）周波数の高い現象を計測するためには、計測器は、その現象の周波数の数倍以上の周波数の応答速度が必要である。たとえば、計測する周波数が０．３３Ｈｚの場合、４１．７Ｈｚ（＝２４ｍｓｅｃ間隔）の高速タイミングで画像処理を行っている。高速ビデオカメラ11では、２４ｍｓｅｃ間隔で上記画像を撮影して蓄積し、この蓄積された２４ｍｓｅｃ毎の各画像データを画像処理ボード12により画像処理している。すなわち、画像処理ボード12は、高速ビデオカメラ11に蓄積された各画像データ毎に、画像データを２値化して輝度分布を求め、この輝度分布より亀裂１の開口幅δを求めてコンピュータ13へ出力している。
【００１１】
コンピュータ13は、画像処理ボード12より出力された亀裂１の開口幅δを順に記憶し、これら記憶された亀裂１の開口幅δの時間変化を求め、この求めた時間変化より、亀裂１の開口変位変動量Δδとその振動周波数ｆを求めている。
画像処理ボード12とコンピュータ13による、高速ビデオカメラ11の画像データから亀裂１の開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆを求める手順を図２のフローチャートを参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
計測員により高速ビデオカメラ11により亀裂１およびその周辺の撮影が行われ、撮影が終了すると、キーボードやマウスによりコンピュータ13へ画像処理の実行指令が入力される。すると、コンピュータ13より画像処理ボード12へ画像開始指令が発せられ（ステップ−１）、画像処理ボード12は、この画像開始指令の入力を確認すると（ステップ−２）、画像処理を開始する。
【００１３】
まず高速ビデオカメラ11より１画像（フレーム）データを取り込んで、この画像データを、図３（ｂ）に示すように、画像の濃淡差が区別できるように２値化する（ステップ−３）。
次に、図３（ｃ）に示すように、亀裂１の中央部の輝度分布を求め（ステップ−４）、求めた輝度分布より亀裂１の開口幅δを求めてコンピュータ13へ出力する（ステップ−５）。
【００１４】
コンピュータ13は入力した亀裂１の開口幅δを記憶する（ステップ−６）。
画像処理ボード12は、上記ステップ−１〜ステップ−３を高速ビデオカメラ11に蓄積された全ての画像データにて行い、画像処理の終了を確認すると（ステップ−７）、コンピュータ13へ画像処理終了信号を出力する（ステップ−８）。
コンピュータ13は、この画像処理終了信号を入力すると（ステップ−９）、順に記憶された亀裂１の開口幅δから、図４に示す開口幅δの時間変化を求める（ステップ−10）。
【００１５】
この求めた時間変化による亀裂１の開口幅δの変化により、ピーク値（亀裂１の開口幅δの変化がプラスよりマイナスへ転ずる点の値）を求め（ステップ−11）、このピーク値と、次のピーク値間に存在する最小値の亀裂１の開口幅δの変化により開口変位変化量Δδを求め（ステップ−12）、ピーク値とピーク値間の時間（１周期）により振動周波数ｆを求める（ステップ−13）。
【００１６】
連続するピーク値から各開口変位変化量Δδと振動周波数ｆが求められると（ステップ−14）、求められた開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆの平均値を求めて開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆの計測値とし、この計測値をディスプレイなどへ出力する（ステップ−15）。
上記手順により、高速ビデオカメラ11の画像データより開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆが計測される。
（実験例）
亀裂１をＨスリットタイプとした試験片を用意し、この試験片の下端を固定し、上端を疲労試験機に取り付け、疲労試験機の周波数を０．３３Ｈｚに設定して試験片に振動を与え、そのときの亀裂１の間隙の振動を計測した。
【００１７】
本発明の画像処理により亀裂１の開口幅δの時間変化を計測した結果を図５（ａ）に示す。図５（ａ）に示すように、スリット部の中央から２０ｍｍ離れた位置を測定している。比較例として図５（ｂ）に従来のクリップゲージによる亀裂１の開口幅δの時間変化を計測した結果を示す。クリップゲージではスリット中央部とスリット両端部を計測している。
【００１８】
これら本発明の画像処理により求めた亀裂１の開口幅δの時間変化と、クリップゲージにより求めた亀裂１の開口幅δの時間変化による、開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆの演算結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】

Figure 0003969888
表１に示すように、疲労試験機の設定周波数（亀裂１の振動）を変更した場合にでも、結果はよく一致しており、計測結果に差はないことがわかる。
このように、画像処理により求めた開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆは、従来のクリップゲージによる方法と計測結果に差がないことから、本発明の振動状態計測装置を実用に供することができ、また非接触で計測できることから、従来のような亀裂部に対するナイフエッジおよびクリップゲージの取付け作業が不要となり、高所でも安全に計測作業を行うことができる。また構成が高速ビデオカメラ11と画像処理ボード12およびコンピュータ13とからなるため、簡易で、特に専門的な知識を必要とせず、容易に計測を行うことができる。
【００２０】
また現場で簡易で容易に、亀裂１の開口変位変化量Δδおよびその振動周波数ｆを求めることができることにより、実際の橋桁の供用下での補修溶接を行う際に、迅速に高温割れが発生しないことを確認することが可能となる。
なお、本実施の形態では、高速ビデオカメラ11により画像データを収集しているが、ＣＣＤカメラなどの撮像手段と画像メモリなどの画像データの高速記憶手段であればよい。また第１演算手段として画像処理ボード12を設けているが、この第１演算手段の機能をコンピュータ13に持たせるようにすることもできる。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、スリットの画像データよりスリットの開口変位変動量とその振動周波数が求めることができ、したがって非接触で計測できることから、従来のような亀裂部に対するナイフエッジおよびクリップゲージの取付け作業が不要となり、高所でも安全に計測作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における振動状態計測装置の概略構成図である。
【図２】同振動状態計測装置の計測手順を説明するフローチャートである。
【図３】同振動状態計測装置の計測方法の説明図である。
【図４】同振動状態計測装置の計測方法の説明図である。
【図５】同振動状態計測装置の計測結果の特性図である。
【図６】振動を発生する亀裂の説明図である。
【図７】従来の振動状態計測装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 亀裂（スリット）
１１ 高速ビデオカメラ（光学的撮像手段および蓄積手段）
１２ 画像処理ボード（第１演算手段）
１３ コンピュータ（第２演算手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring a vibration state of an opening width of a slit.
[0002]
[Prior art]
In some cases, it is necessary to measure the vibration state of the opening width of the slit, such as a gap between cracks. For example, when repairing a partial damage such as a fatigue crack generated in a bridge girder by welding under service, the crack gap vibrates (fluctuates) due to passage of the vehicle, and there is a concern that hot cracking may occur. The presence or absence of the occurrence of this hot crack is one of the indices indicating the vibration state of the crack part, that is, the opening displacement change amount Δδ of the crack 1 of the bridge girder B shown in FIG. 6, its vibration frequency f, and the rigidity around the crack part. This is determined by the constraint degree Rp (the load in the crack length direction necessary for narrowing the crack by 1 mm). Therefore, in order to perform repair welding under the actual use of a bridge girder, the opening displacement variation Δδ of the crack 1 and its vibration frequency f are measured, and Δδ and f and Rp are judged on the spot, and hot cracking is performed. It is necessary to confirm that this does not occur.
[0003]
Conventionally, a contact-type method of measuring using a clip gauge is generally used for measuring the vibration state such as the crack gap. Based on FIG. 7, a method for measuring the opening displacement change Δδ and the vibration frequency f thereof using a conventional clip gauge will be described.
A knife edge 2 is attached around the crack 1 of the bridge girder B and the clip gauge 3 is fixed. The output (analog signal of vibration) of the clip gauge 3 is adjusted by an output adjustment amplifier (dynamic amplifier) 4, and an AD converter 5 And the aperture displacement change Δδ and its vibration frequency f are measured from waveform data of continuous vibration.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional measuring method, when measuring the opening displacement change amount Δδ of the crack 1 of the bridge girder and the vibration frequency f using the clip gauge 3, a knife is used to fix the clip gauge 3 around the crack portion. The edge 2 has to be attached, and the operation of attaching the knife edge 2 around the crack 1 is often a work at a high place, which is dangerous.
[0005]
In addition, since the accurate value cannot be obtained unless the output of the clip gauge 3 is adjusted by the output adjustment amplifier 4, specialized knowledge is required.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for measuring vibrations safely and easily without requiring specialized knowledge.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the invention according to claim 1 of the present invention is a method for measuring a vibration state of an opening width of a slit,
The image data of the slit is obtained and accumulated at a timing faster than the vibration frequency of the slit, and for each of these image data, the luminance distribution is obtained by binarizing the image data, and the opening width of the slit is determined from this luminance distribution. It is characterized in that it is obtained and stored in order, and the amount of change in the opening displacement of the slit and its actual vibration frequency are obtained from the time variation of the opening width of the slit stored in order.
[0007]
The invention according to claim 2 is an apparatus for measuring the vibration state of the opening width of the slit,
Optical imaging means of the slit, storage means for storing the image data of the slit imaged by the optical imaging means at a timing faster than the vibration frequency of the slit, and each image data stored in the storage means Each time, the image data is binarized to obtain a luminance distribution, the first calculation means for obtaining and outputting the opening width of the slit from the luminance distribution, and the opening width of the slit output from the first calculation means. It is characterized by comprising second calculation means for storing in order, and obtaining the slit opening displacement fluctuation amount and its actual vibration frequency from the time variation of the stored slit opening width.
[0008]
According to the above method and configuration, the amount of variation in the opening displacement of the slit and its actual vibration frequency are obtained from the image data of the slit. Therefore, measurement can be performed in a non-contact manner, and a conventional knife edge and clip gauge mounting operation for a cracked portion is not necessary.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a vibration state measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
A high-speed video camera (an example of optical imaging means and storage means) 11 is installed opposite to the crack (an example of a slit) 1, and images of the crack 1 and its surroundings that are photographed and stored by the high-speed video camera 11. Data is image-processed by an image processing board (an example of a first computing means) 12 and taken into a personal computer (an example of a second computing means) 13.
[0010]
In general, in order to measure a phenomenon having a high (vibration) frequency, the measuring instrument needs to have a response speed of a frequency several times or more the frequency of the phenomenon. For example, when the measurement frequency is 0.33 Hz, image processing is performed at a high-speed timing of 41.7 Hz (= 24 msec interval). The high-speed video camera 11 captures and accumulates the above images at 24 msec intervals, and the image processing board 12 performs image processing on the accumulated image data every 24 msec. That is, the image processing board 12 binarizes the image data for each image data stored in the high-speed video camera 11 to obtain a luminance distribution, obtains the opening width δ of the crack 1 from the luminance distribution, and sends it to the computer 13. Output.
[0011]
The computer 13 sequentially stores the opening width δ of the crack 1 output from the image processing board 12, obtains the time change of the stored opening width δ of the crack 1, and determines the opening of the crack 1 from the obtained time change. The displacement fluctuation amount Δδ and its vibration frequency f are obtained.
A procedure for obtaining the opening displacement variation Δδ of the crack 1 and its vibration frequency f from the image data of the high-speed video camera 11 by the image processing board 12 and the computer 13 will be described in detail with reference to the flowchart of FIG.
[0012]
A photographer takes a picture of the crack 1 and its surroundings with the high-speed video camera 11, and when the photography is finished, an image processing execution command is input to the computer 13 by a keyboard or a mouse. Then, an image start command is issued from the computer 13 to the image processing board 12 (step-1). When the image processing board 12 confirms the input of this image start command (step-2), the image processing board 12 starts image processing.
[0013]
First, one image (frame) data is taken in from the high-speed video camera 11, and this image data is binarized so that the difference in lightness and darkness of the image can be distinguished as shown in FIG. 3B (step-3).
Next, as shown in FIG. 3C, the luminance distribution at the center of the crack 1 is obtained (step-4), and the opening width δ of the crack 1 is obtained from the obtained luminance distribution and output to the computer 13 (step). -5).
[0014]
The computer 13 stores the input opening width δ of the crack 1 (step -6).
The image processing board 12 performs the above steps -1 to -3 for all the image data stored in the high-speed video camera 11, and confirms the end of the image processing (step -7). A signal is output (step-8).
When this image processing end signal is input (step-9), the computer 13 obtains the temporal change of the opening width δ shown in FIG. 4 from the opening width δ of the crack 1 stored in order (step-10).
[0015]
The peak value (the value at which the change in the opening width δ of the crack 1 changes from positive to negative) is determined by the change in the opening width δ of the crack 1 due to the obtained time change (step -11). The change in opening displacement Δδ is obtained from the change in the opening width δ of the crack 1 having the minimum value existing between the next peak values (step -12), and the vibration frequency f is calculated from the time between the peak values and the peak value (one cycle). Obtain (step -13).
[0016]
When each opening displacement change amount Δδ and the vibration frequency f are obtained from the continuous peak values (step -14), the obtained opening displacement change amount Δδ and the average value of the vibration frequency f are obtained, and the opening displacement change amount Δδ and The measured value of the vibration frequency f is used, and this measured value is output to a display or the like (step-15).
Through the above procedure, the aperture displacement change amount Δδ and its vibration frequency f are measured from the image data of the high-speed video camera 11.
(Experimental example)
Prepare a test piece with crack 1 as an H-slit type, fix the lower end of this test piece, attach the upper end to a fatigue tester, set the frequency of the fatigue tester to 0.33 Hz, and give vibration to the test piece The vibration of the gap of the crack 1 at that time was measured.
[0017]
FIG. 5A shows the result of measuring the time change of the opening width δ of the crack 1 by the image processing of the present invention. As shown in FIG. 5A, a position 20 mm away from the center of the slit portion is measured. As a comparative example, FIG. 5B shows the result of measuring the time change of the opening width δ of the crack 1 by a conventional clip gauge. The clip gauge measures the center of the slit and both ends of the slit.
[0018]
The calculation results of the opening displacement change Δδ and the vibration frequency f based on the time change of the opening width δ of the crack 1 obtained by the image processing of the present invention and the time change of the opening width δ of the crack 1 obtained by the clip gauge are shown. Table 1 shows.
[0019]
[Table 1]
Figure 0003969888
As shown in Table 1, even when the set frequency of the fatigue tester (vibration of the crack 1) is changed, the results are in good agreement and it can be seen that there is no difference in the measurement results.
As described above, since the opening displacement change amount Δδ and the vibration frequency f obtained by the image processing are not different from the conventional clip gauge method and the measurement result, the vibration state measuring device of the present invention can be put into practical use. In addition, since measurement can be performed in a non-contact manner, a conventional knife edge and clip gauge mounting operation for a cracked portion is unnecessary, and the measurement operation can be performed safely even at a high place. In addition, since the configuration includes the high-speed video camera 11, the image processing board 12, and the computer 13, it is simple and can be easily measured without requiring specialized knowledge.
[0020]
Further, since the change amount Δδ of the opening displacement of the crack 1 and its vibration frequency f can be obtained simply and easily at the site, hot cracking does not occur quickly when repair welding is performed under the actual service of the bridge girder. It becomes possible to confirm that.
In the present embodiment, the image data is collected by the high-speed video camera 11, but any imaging means such as a CCD camera and high-speed storage means for image data such as an image memory may be used. Further, although the image processing board 12 is provided as the first calculation means, the computer 13 can be provided with the function of the first calculation means.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the amount of variation in the opening displacement of the slit and the vibration frequency thereof can be obtained from the image data of the slit, and thus can be measured in a non-contact manner. Clip gauge installation work is not required, and measurement work can be performed safely even at high places.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a vibration state measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining a measurement procedure of the vibration state measuring apparatus.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a measurement method of the vibration state measurement apparatus.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a measurement method of the vibration state measurement apparatus.
FIG. 5 is a characteristic diagram of measurement results of the vibration state measuring apparatus.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a crack that generates vibration.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a conventional vibration state measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Crack (slit)
11 High-speed video camera (optical imaging means and storage means)
12 Image processing board (first computing means)
13 Computer (second computing means)

Claims (2)

スリットの開口幅の振動状態を計測する方法であって、
前記スリットの振動周波数より高速なタイミングで前記スリットの画像データを求めて蓄積し、
これら各画像データ毎に、画像データを２値化して輝度分布を求め、この輝度分布より前記スリットの開口幅を求めて順に記憶し、
順に記憶したスリットの開口幅の時間変化より、スリットの開口変位変動量とその実振動周波数を求めること
を特徴とする振動状態計測方法。A method of measuring the vibration state of the slit opening width,
Find and accumulate image data of the slit at a timing faster than the vibration frequency of the slit,
For each of these image data, the image data is binarized to obtain a luminance distribution, the opening width of the slit is obtained from this luminance distribution and stored in order,
A vibration state measuring method characterized in that an opening displacement fluctuation amount of the slit and an actual vibration frequency thereof are obtained from a time change of the opening width of the slit stored in order. スリットの開口幅の振動状態を計測する装置であって、
前記スリットの光学的撮像手段と、
前記光学的撮像手段により撮像された前記スリットの画像データを、スリットの振動周波数より高速なタイミングで蓄積する蓄積手段と、
前記蓄積手段に蓄積された各画像データ毎に、画像データを２値化して輝度分布を求め、この輝度分布より前記スリットの開口幅を求めて出力する第１演算手段と、
前記第１演算手段より出力された前記スリットの開口幅を順に記憶し、記憶したスリットの開口幅の時間変化より、スリットの開口変位変動量とその実振動周波数を求める第２演算手段
を備えたことを特徴とする振動状態計測装置。A device for measuring the vibration state of the opening width of the slit,
Optical imaging means of the slit;
Storage means for storing image data of the slit imaged by the optical imaging means at a timing faster than the vibration frequency of the slit;
For each image data stored in the storage means, first calculation means for binarizing the image data to obtain a luminance distribution, obtaining the opening width of the slit from the luminance distribution, and outputting,
There is provided second calculation means for sequentially storing the opening widths of the slits output from the first calculation means, and for determining the amount of variation in the slit opening displacement and the actual vibration frequency based on the time variation of the stored slit opening width. A vibration state measuring device characterized by the above.
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