WaveKali – Kalibrierung bildbasierter Schwingungsmesssysteme

Kamerabasierte Schwingungsmessung zuverlässig und reproduzierbar bewerten

Bildbasierte Verfahren können Schwingungen kontaktlos und flächenhaft erfassen. Was bislang fehlt, ist eine verlässliche Kalibrierung, mit der sich die Messgenauigkeit solcher Systeme nachvollziehbar und reproduzierbar bewerten lässt.

Im Forschungsprojekt WaveKali wurde ein Kalibriersystem für bildbasierte Schwingungsmessverfahren entwickelt. Es verbindet einen definierten Schwingungsprüfstand mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, einem Referenz-Beschleunigungssensor und einer Software zur Auswertung der Messdaten.

Ziel war es, kamerabasierte Schwingungsmesssysteme nicht nur zur Visualisierung, sondern als quantitativ bewertbare Messsysteme nutzbar zu machen. Dazu wurden Hardware, Software und ein praxisnahes Vorgehen für die Kalibrierung gemeinsam entwickelt und validiert.

Im Ergebnis entstand ein ganzheitlicher Prototyp, der den Kalibrierprozess abbildet und die Grundlage für zukünftige Richtlinien und Normierungsprozesse schafft.

Warum braucht kamerabasierte Schwingungsmessung eine Kalibrierung?

Klassische Beschleunigungssensoren und Laser-Vibrometer werden regelmäßig kalibriert. Dadurch lassen sich Messergebnisse zuverlässig vergleichen und ihre Genauigkeit bewerten.

Bei bildbasierten Schwingungsmesssystemen fehlte bislang ein entsprechendes Verfahren. Ohne Kalibrierung bleibt unklar, wie genau und reproduzierbar aus Videoaufnahmen gewonnene Schwingungsdaten tatsächlich sind.

WaveKali schließt diese Lücke mit einem speziell für bildbasierte Schwingungsmessungen entwickelten Kalibrierverfahren.

So funktioniert die Kalibrierung bildbasierter Schwingungsmesssysteme

Referenzmessung und Kameradaten vergleichbar machen

Für die Kalibrierung wird eine definierte Schwingung erzeugt und gleichzeitig mit zwei Systemen erfasst: mit einem kalibrierten Referenz-Beschleunigungssensor und mit der Hochgeschwindigkeitskamera. Damit beide Messungen miteinander verglichen werden können, müssen Aufnahme, Messrichtung und physikalische Größen aufeinander abgestimmt werden.

Vom Video zum belastbaren Messwert

Die Software verarbeitet die Kamerabilder, bestimmt geeignete Bildpunkte und vergleicht die daraus gewonnenen Schwingungsdaten mit dem Referenzsignal. Aus den Abweichungen wird ein Kalibrierfaktor ermittelt, der anschließend für die quantitative Bewertung des kamerabasierten Messsystems genutzt werden kann.

Kamerakalibrierung und Korrektur optischer Verzerrungen
zeitsynchrone Aufnahme von Kamera und Referenzsensor
Auswahl geeigneter Bildpunkte für die Messung
Umrechnung und Vergleich der Messsignale
Berechnung eines reproduzierbaren Kalibrierfaktors

Kalibrierprüfstand und Softwaredemonstrator

Für WaveKali wurde ein Kalibrierprototyp mit Schwingerreger, Referenzsensor, Hochgeschwindigkeitskamera und definiertem Prüfkörper aufgebaut. Ergänzend entstand ein Softwaredemonstrator, der den Kalibrierprozess Schritt für Schritt abbildet und zentrale Verarbeitungsschritte automatisiert.

Warum WaveKali?

WaveKali schafft die Grundlage, kamerabasierte Schwingungsmesssysteme zuverlässig, quantitativ und reproduzierbar zu bewerten.

erstmals ein ganzheitliches Kalibriersystem für bildbasierte Schwingungsmessverfahren
Verbindung von Hardware, Software und praxisnahem Kalibrierablauf
reproduzierbare Bewertung der Messgenauigkeit
Grundlage für industrielle Anwendungen sowie zukünftige Richtlinien und Normierungsprozesse

Vorteile kamerabasierter Schwingungsmessung

Bildbasierte Schwingungsmessung kann Strukturen kontaktlos und flächenhaft erfassen. Im Vergleich zu punktuell arbeitenden Sensoren stehen damit viele Messpunkte gleichzeitig zur Verfügung. WaveKali ergänzt diesen Ansatz um die bislang fehlende Möglichkeit, die Messgenauigkeit systematisch zu bewerten.

Besonders relevant sind dabei:

schnelle und kontaktlose Erfassung von Schwingungen
flächenhafte Messung mit hoher räumlicher Auflösung
keine zusätzliche Sensorbefestigung am Prüfobjekt
Vergleich verschiedener Kamera- und Objektivkonfigurationen
Untersuchung von Einflüssen wie Beleuchtung, Messwinkel und Messabstand

Damit wird der kamerabasierte Ansatz für Anwendungen interessanter, bei denen Messaufwand, Zugänglichkeit oder eine hohe Zahl an Messpunkten eine wichtige Rolle spielen.

Für wen ist WaveKali relevant?

WaveKali richtet sich an Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Messdienstleister, die Schwingungen kamerabasiert erfassen oder solche Messsysteme entwickeln und bewerten.

■Maschinen- und Anlagenbau
■Fahrzeug- und Schiffbau
■Luft- und Raumfahrttechnik
■Mess- und Prüfdienstleister
■Forschung und Entwicklung
■Bauwesen und Strukturanalyse

Praxisbezug und Validierung

Das entwickelte Kalibrierverfahren wurde mit einem vollständigen Messaufbau erprobt. Dabei wurden Hochgeschwindigkeitskamera und Referenzsensor zeitsynchron eingesetzt und die komplette Verarbeitungskette bis zur Ermittlung des Kalibrierfaktors durchlaufen.

Untersucht wurden unter anderem:

verschiedene Schwingfrequenzen von 50 bis 1000 Hz
unterschiedliche Messabstände und Objektive
Einflüsse von Beleuchtung und Belichtungszeit
verschiedene Messwinkel
geeignete Bildmerkmale für eine zuverlässige Auswertung

Die Validierung bestätigte die Funktionsfähigkeit und Reproduzierbarkeit des entwickelten Verfahrens. Die Ergebnisse wurden in einer Richtlinie zusammengeführt.

„WaveKali macht aus der kamerabasierten Schwingungsanalyse einen verlässlich bewertbaren Messansatz – und schafft damit die Grundlage für neue industrielle Anwendungen.“

Peter Bogatikov
Wissenschaftlicher Mitarbeiter Signalverarbeitung und Akustische Kamera

GFaI e.V.

Projektteam