Método y sistema para medir vibraciones.

Método y sistema para medir vibraciones en un objeto (4, 9) que comprende capturar una imagen mediante una cámara

(1), donde dicha cámara (1) tiene una frecuencia de adquisición de al menos el doble de la frecuencia de vibración a registrar; seleccionar una región de interés dentro de la imagen capturada definiendo una escena (2); cuantificar el número de píxeles que varían en la escena (2); y determinar la existencia de un patrón de vibración mediante una transformada de Fourier sobre la escena (2) calculando además la frecuencia de dicho patrón de vibración.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201300498.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE ALICANTE.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: ESPINOSA TOMÁS,Julián, FERRER CRESPO,Belén, MAS CANDELA,David, PÉREZ RODRÍGUEZ,Jorge, ROIG HERNÁNDEZ,Ana Belén.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE VIBRACIONES MECANICAS O DE ONDAS ULTRASONORAS,... > G01H9/00 (Medida de vibraciones mecánicas o de ondas ultrasonoras, sonoras o infrasonoras utilizando medios sensibles a las radiaciones, p. ej. medios ópticos)
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Método y sistema para medir vibraciones.

Fragmento de la descripción:

MÉTODO Y SISTEMA PARA MEDIR VIBRACIONES

El objeto de la presente invención es un método no invasivo para medir vibraciones, es decir, un método donde no se emplee ningún tipo de contacto para medir vibraciones imperceptibles para el ojo humano. Este método emplea una cámara de vídeo, de tal forma que mediante el procesado de la secuencia grabada sea posible detectar movimientos que, aparentemente, no provocan un cambio en la imagen, así como detectar su frecuencia de movimiento.

Estado de la técnica

La detección de movimientos y vibraciones es un tema de interés en diferentes campos científicos. Así, por ejemplo, en ingeniería y arquitectura, el estudio de las vibraciones se utiliza para diagnosticar el estado de salud de las estructuras y fuerzas a las que son sometidas.

La medida de las vibraciones es posible mediante métodos acústicos. Así, en ciertas situaciones las vibraciones producen efectos audibles y con un micrófono es posible su detección. No obstante, en la mayoría de los casos esto no es posible y es necesario acudir a técnicas más sofisticadas.

Otra técnica conocida en el estado de la técnica es el empleo de acelerómetros. Estos sistemas están conectados a la superficie o estructura objeto de estudio y registran la aceleración sufrida por la misma debido a fuerzas dinámicas o impactos. Pese a lo extendido de su uso, presenta varios inconvenientes, ya que es un sistema invasivo que requiere una instalación propia y un cableado, así como un coste económico a tener en cuenta [Nassif HN, Gindy M, Davis J. Comparison of ¡aser Doppler vibrometer with contad sensors for monitoring bridge deflection and vibration. NDT & E Int. 2005; 38(3): 213-128\.

Por otro lado, en muchos casos el uso de acelerómetros no está indicado ya que, por razones de seguridad, inaccesibilidad o integridad del objeto a medir, no es posible fijar el sistema y el cableado. En estas ocasiones se requiere el uso de métodos no invasivos de medición a distancia, como la interferometría Doppler.

Los métodos basados en la interferometría Doppler utilizan la interferencia entre un haz de

referencia y uno reflejado en la superficie a estudiar para medir la velocidad del desplazamiento. Aunque es un método muy preciso, requiere del uso de un haz láser y una distancia muy corta de trabajo. Adicionalmente, el coste de este método lo hacen prohibitivo para la mayoría de aplicaciones [Castellini P, Martarelli M, Tomasini EP. Lasser Doppler Vibrometry: Development of advanced Solutions answering to technologys needs. Mechanical Systems and signal Processing. 2006; 20: 1265-1285].

En los últimos años han aparecido técnicas de detección de movimiento y vibraciones basadas en la detección de patrones de Speckle [Valero, E., V. Mico, Z. Zalevsky, and J. García. "Depth sensing using coherence mapping." Opt. Commun. 283 no. 16 (2010): 3122- 3128].

Estos sistemas han dado lugar a sistemas de detección 3D, como Kinecl® [ http://es.wikipedia.org/wiki/Kinect ] y a métodos de captura de audio mediante técnicas ópticas (como en WO/2007/043036, US2009/096783 o US 2010/226543), así como aplicaciones en biomedicina [A. Shenhav, Z. Brodie, Y. Beiderman, J. García, V. Mico, and Z. Zalevsky "Optical Sensor for remóte estimation of alcohol concentration in blood stream" Opt. Commun. 289, 15, 149-157 (2013)].

Pese a las ventajas de estos sistemas, estos métodos cuentan con el inconveniente de requerir la proyección de un patrón de luz mediante láseres de baja potencia, lo que limita su alcance, precisión y uso.

Las técnicas de visión artificial permiten detectar y medir el movimiento a distancia sin necesidad de usar láseres o sondas de contacto. En general, estos métodos utilizan un reconocimiento de patrones por convolución, lo que hace que la técnica sea muy sensible al ruido y poco precisa. Además de estos inconvenientes, la detección de movimientos rápidos o frecuencias elevadas requiere de sistemas de vídeo de alta velocidad y gran resolución, lo que incrementa notablemente el coste final de la técnica.

No obstante, existen técnicas para, a partir de la detección y el reconocimiento de patrones determinados en un objeto, determinar con gran precisión su posición, incluso a resoluciones subpíxel.

Aunque la resolución de la imagen esté limitada por la calidad del sensor óptico, en ciertas

condiciones es posible obtener información por encima del límite de resolución espacial. Estas técnicas se conocen con el nombre de técnicas subpíxel y aprovechan información sobre el objeto que se conoce a priori con el fin de aumentar las capacidades del sistema en la detección de objetos.

La técnica más habitual de obtener resolución subpíxel consiste en introducir en la escena una diana de geometría conocida. Mediante el reconocimiento de formas y el ajuste de la geometría detectada a la real es posible localizar el objeto con precisión de hasta 0,02 píxeles [D. Mas, J. Espinosa, A. B. Roig, B. Ferrer, J. Pérez, C. Illueca "Measurement of wide frequency range structural microvibrations with a pocket digital camera and sub-pixel techniques" Applied Optics, 51, 14, 2664-2671 (2011)].

No obstante, para aplicar esta técnica es indispensable adherir al objeto vibrante una diana ajena a la escena, lo que en ocasiones puede ser complicado o incluso inviable.

El problema principal que presentan las cámaras de vídeo estándar es que la resolución temporal (fotogramas por segundo - fps) suele estar limitada a 30-50 fps, lo que, según el criterio de Nyquist, no permite su uso para medir frecuencias por encima de 15-25 Hz. Un sistema de registro de vibraciones debería tener una capacidad de adquisición por encima 500 fps con el fin de optar a un gran rango de aplicaciones (las estructuras civiles suelen vibrar por debajo de los 200 Hz y la frecuencia fundamental de la voz humana está en torno a los 250 Hz).

En este punto se han de tener en cuenta las limitaciones de la electrónica. El flujo de datos por segundo que puede procesar y almacenar una cámara de vídeo depende tanto del tamaño del fotograma (píxeles) como del número de fotogramas por segundo que es capaz de capturar la cámara. Para un flujo constante de datos, incrementar la velocidad de adquisición implica disminuir el tamaño del fotograma y viceversa.

Así pues, cuanto mayor sea la velocidad de adquisición de la cámara menor será su resolución espacial y por tanto proporcionará una menor calidad de imagen. Como consecuencia de esto, aumentar el flujo de datos implica aumentar el precio del dispositivo de manera importante, lo que puede hacer que la solución final no sea rentable para la mayoría de aplicaciones.

Descripción de la invención

La presente invención tiene por objeto un método de medida de vibraciones no invasivo, que no necesite elementos externos, como láseres o patrones de Speckle y con un coste reducido. Para ello, la presente invención se basa en un análisis de los cambios de iluminación producidos por un objeto móvil, a partir del cual se determina si éste vibra y, en consecuencia, su frecuencia de vibración.

Preferentemente, el método de la invención comprende:

capturar una sucesión de imágenes de dicho objeto con una cámara, donde dicha cámara tiene una frecuencia de adquisición de al menos el doble de la frecuencia de las vibraciones a medir;

seleccionar una región de interés dentro de la sucesión de imágenes capturadas definiendo una escena;

identificar una pluralidad de píxeles cuya luminancia varía en la escena; realizar una umbralización multinivel de la secuencia dentro de la región de interés, definiéndose dicha umbralización según un nivel de luminancia predeterminado, de...

 


Reivindicaciones:

1 - Método para medir vibraciones en un objeto (4,9) que comprende:

capturar una secuencia de imágenes de dicho objeto (4,9) con una cámara (1), donde dicha cámara (1) tiene una frecuencia de adquisición de al menos el doble de la frecuencia de las vibraciones a medir;

seleccionar una región de interés dentro de la secuencia de imágenes capturadas definiendo una escena (2);

caracterizado por que comprende, además, las etapas de:

identificar una pluralidad de píxeles cuya luminancia varía en la escena (2);

realizar una umbralización multinivel de la secuencia dentro de la región de interés, definiéndose dicha umbralización según un nivel de luminancia predeterminado, de modo que se obtenga una secuencia de imágenes binarias;

sumar los píxeles activos en cada imagen y representar la variación del número de píxeles en función del tiempo;

realizar una transformada de Fourier sobre la representación obtenida para cada nivel de luminancia binario;

componer las transformadas de Fourier obtenidas para cada nivel como una señal de caracterización de la escena (2);

obtener la frecuencia de vibración del objeto (4,9) como aquella que tiene mayor amplitud en la señal de caracterización de la escena (2).

2 - Método de acuerdo con la reivindicación 3, donde la composición de las transformadas de Fourier obtenidas para cada nivel se realiza mediante el cálculo de la media de las transformadas de Fourier aplicadas, y/o de la multiplicación de dichas transformadas entre sí.

3 - Sistema para medir vibraciones en un objeto (4,9) que comprende, al menos una cámara (1), al menos un procesador, al menos una memoria y al menos un programa almacenado en la memoria y configurado para ejecutarse mediante el procesador, donde el programa comprende instrucciones para ejecutar el método según cualquiera de las reivindicaciones 1-2.