Modal analysis is the study of the dynamic properties of structures under vibrational excitation. To do modal analysis, we need sensors to measure the responses from the system. There are two kinds of sensors, one is contact type like accelerometer and the other one is non-contact type like laser velocimetry, gap sensor, digital camera etc. Especially vibration measurement with camera, a kind of non-contact sensor, becomes popular with the development of image sensor and processing. However, vibration measuring through general camera has critical drawbacks which are low resolution to measure small vibration and low sampling frequency. In this study, sampling moire technique is proposed to overcome the low resolution problem. Measuring displacement of dynamic system with this sampling moire method not only raises the resolution but also can cover whole displacement information of the surface that it can capture. Usually the previous studies about measuring vibration using camera can only measure some specific points on the system. In this paper, vibration measurement with sampling moire technique is performed through simulation and real experiment. In the simulation results, the displacement measurement error of proposed method in ideal cases is 1/3 of the existing tracking method. However, in the real experiment, error can be raised by error components like projection angle, length per pixel, frame rate, noise level and exposure time. Therefore, error analysis simulations are done with variation of these components. In the real experiment results, error range of vibration displacement measurement with proposed method is 8~20% and it is higher than existing LED marker tracking method with camera (3~15%), simulation results with proposed method (2~3%), and accelerometer (1~2%). To reduce the error for proposed method in real experiment, reducing the variation of error components should be considered later on. Finally, a modal analysis with proposed method is attempted to cantilever beam system. For a cantilever beam excited by swept sine input, the frequency response functions are measured and the resonance frequency can be clearly identified. Furthermore, proposed method has the advantage that it can cover the whole surface displacement not the specific points, so the shape of cantilever beam when it vibrates with the natural frequencies are easily identified.
모드해석은 주기적인 가진 하에서 물체의 응답을 분석하여 물체의 동역학적 특성을 알아보는 것으로 물체의 동역학적 특성을 파악해야 하는 분야의 연구 전반에 사용된다. 모드해석을 하기위해서는 시스템의 응답을 측정하기 위해 센서가 필요하다. 센서의 종류에는 크게 가속도계 등의 접촉식과 레이저 기기, 갭센서, 디지털 카메라 등의 비접촉식 센서가 있다. 특히 최근 이미지 센서와 프로세싱 기술의 발달로 카메라로 진동을 측정하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 일반적인 카메라를 이용하여 진동을 측정하는 것은 충분한 분해능을 얻을 수 없고 비교적 낮은 샘플링 주파수를 가진다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 샘플링 모아레 방법을 이용하여 낮은 분해능 문제를 해결하고자 한다. 또한 동적인 물체의 진동 변위 측정에 샘플링 모아레 방법을 사용하는 것은 분해능을 향상 시킬 뿐만 아니라 특정점이 아닌 표면 전체를 측정할 수 있는 장점이 있다. 이전의 연구들은 주로 카메라를 이용해 특정점의 변위를 측정하는 방식을 사용하였다. 본 연구에서는 모의 실험과 실제 실험을 통해 샘플링 모아레 방법으로 진동을 측정하였다. 모의실험결과 기존의 마커를 추적하는 연구의 오차보다 1/3정도 낮은 오차를 가질 것으로 나타났다. 하지만 실제 실험에서는 영사 각도, 픽셀 당 거리, 프레임레이트, 이미지 노이즈, 그리고 노출 시간에 따라 오차가 더 상승할 수 있다. 따라서 이러한 오차 요소들의 변화에 대한 오차 상승 정도를 모의실험을 통해 확인하였다. 실제 실험에서 제안된 측정 방법의 에러는 8~20% 정도로 기존의 LED 마커를 추적하는 방식, 제안된 방법의 모의 실험 결과, 그리고 가속도계의 측정 오차보다 다소 높은 것으로 확인되었다. 이러한 오차를 줄이기 위해서는 모의 실험을 통해 알아본 오차 요소들에 대한 실제 실험에서의 개선이 필요하다. 마지막으로 제안된 방법을 이용하여 칸틸레버보를 대상으로 모드해석을 수행했다. 칸틸레버보에 스윕사인 입력을 주어서 주파수 응답함수를 구하고 고유진동수를 알아냈다. 여기에 더해 제안된 방법이 표면 전체의 변위를 한꺼번에 측정할 수 있다는 장점을 이용하여 고유진동수에서의 진동 형상을 쉽게 확인하였다.
