Vibration is usually measured by contact or non-contact sensors as like accelerometer, laser velocimetry, gap sensor, etc. The precision of these sensors is enough for the practical measurement for the usual machines, but they are confined to the measurement of a point or a direction. Although the precision and frequency span of the low-end camera are worse than these sensors, it has the merits in the cost and in the capability of large area measurement. Furthermore, a camera can measure several degrees of freedom of a vibrating object simultaneously. In this study, the calibration and dynamic characteristics of the low-end camera as a sensor are studied with a test example of two-dimensional and small-amplitude vibration of a cantilever beam. Here, the two-dimensional image of the camera would reveal two rectilinear and one rotational motion in a plane. Since the measurement of large amplitude vibration is practically possible, the study focuses on the measurement of vibration displacement amplitude less than 100 micrometers. Three camera parameters, frame rate, shutter speed, and actual length per pixel, are considered in the initial setting of the experiment. As the markers for the image, multiple light emitting diodes are attached at the side of the beam, and the marker motions are tracked by using the Gaussian curve fitting of the brightness distribution of pixel image. For the rectilinear vibration, by fixing the frame rate (150 fps) and the shutter speed (0.01 ms), experiment is conducted by varying the three length-per-pixel conditions. Measurement results are compared with those by Laser Doppler Vibrometer (LDV), from which a calibration chart can be obtained indicating the minimum vibration amplitude with measurement error of 5, 10, 15 and 20 % error bounds. For the measurement of rotational vibration, two angles measured directly and indirectly by finite difference concept are compared. Finally, a simultaneous measurement of multiple points is attempted by using multiple markers. For a cantilever beam excited by a random signal for the effective frequency range in frame rate and excitation, the frequency response functions are measured, and the resonance frequency and damping can be clearly identified from the phase plot. At the 2nd mode resonance frequency, the mode shape can be seen by the imposed time image superposition of measured displacement at each marker point. It is thought that the measurement method developed in this study can be used for the simultaneous measurement of power flow through a structural element after a further study on the measurement processing technique.
진동은 주로 가속도계, 레이저 속도계, 변위 센서 등의 접촉식 혹은 비접촉식 센서를 이용하여 측정한다. 이러한 센서는 정확도 면에서는 일반적인 기계의 진동을 측정하기에 충분하지만, 한 번에 한 지점 혹은 한 방향에 국한하여 측정할 수밖에 없다는 한계점을 지니고 있다. 저가의 카메라는 위의 센서보다 정밀하게 진동을 측정할 수 없으며 측정 가능한 주파수 범위에 한계가 있다는 단점을 갖고 있지만, 가격이 저렴하고 구조물의 넓은 부분을 한 번에 측정할 수 있다는 큰 장점을 갖고 있다. 게다가 카메라를 이용하면 동시에 여러 방향의 진동을 측정할 수 있다는 장점도 있다. 본 연구에서는 저가의 카메라를 진동 측정 센서로 이용하기 위한 카메라의 캘리브레이션과 동적 특성에 대하여 알아보고, 실제 카메라를 이용하여 외팔보의 2차원 미소 진동을 측정하였다. 여기서 2차원의 측정이란 평면에서의 두 방향의 직선 운동과 한 방향의 회전 운동을 의미한다. 진폭이 큰 진동 측정은 이미 가능하다는 선행 연구 결과가 많기 때문에 본 연구에서는 100 마이크로 미터 이하의 미소 진동에 대하여 다루었다. 세 가지 카메라 변수인 프레임 레이트, 셔터 속도, 픽셀 당 실제 길이가 실험 초기 조건으로 고려되었으며, 진동을 이미지로 해석하기 위해서는 특정 기준 지점이 되는 마커가 필요한데 마커의 경우에는 LED 불빛을 사용하였다. LED 여러 개를 보의 측면에 부착하고 빛의 밝기에 가우스 곡선 피팅을 적용하여 마커의 궤적을 추적하였다. 먼저 직선 진동 측정에는 프레임 레이트 150 fps, 셔터 속도 0.01 ms로 고정을 하고 픽셀 당 실제 길이는 3가지 종류로 변화를 시켜 실험을 진행하였다. 측정 값은 레이저 도플러 진동 측정 장비(LDV)의 측정 값과 비교하였으며, 두 값의 오차를 통하여 측정 결과가 특정 오차 범위 내에 있을 수 있는 진동의 최소 진폭에 대한 캘리브레이션 차트를 작성하였다. 회전 진동 측정에는 측정 점에서 직접 측정한 각도와 수치 미분을 이용하여 측정한 각도를 비교하였다. 마지막으로 여러 개의 마커를 사용하여 다중점의 진동을 동시에 측정하였다. 외팔보를 랜덤 신호를 이용하여 가진을 하여 얻은 주파수 응답 함수에서 고유 주파수와 댐핑에 대한 정보를 얻을 수 있었다. 이렇게 얻은 고유 주파수에 대한 정보를 이용하여 외팔보를 고유 주파수로 가진을 하고 이를 카메라로 측정하여 시간에 따른 보의 형상을 관찰할 수 있었다. 본 연구에서 제시한 측정 기법을 이용하여 구조물의 에너지 흐름 등을 측정할 수 있을 것이라 생각되며 이는 추후 더 연구가 필요한 부분이다.
