專利名稱：三維曲線形狀檢測裝置和檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測技術(shù)，尤其涉及一種三維曲線形狀檢測裝置和檢測方法。
在三維曲線形狀檢測技術(shù)方面，目前以采用磁場定位原理的技術(shù)應(yīng)用最為普遍。這種技術(shù)以法拉第電磁感應(yīng)定理為基礎(chǔ)，在被測目標(biāo)上安裝電磁發(fā)射設(shè)備發(fā)射已知結(jié)構(gòu)的空間磁場，根據(jù)傳感器在空間某點(diǎn)感應(yīng)獲得的磁場強(qiáng)度信號與已知的發(fā)射磁場的空間分布規(guī)律，計算出該點(diǎn)的空間座標(biāo)位置和傳感器的姿態(tài)角。利用若干個同樣的設(shè)備，每隔一個采樣周期進(jìn)行一次采樣，采樣數(shù)據(jù)反映連續(xù)磁場的變化，經(jīng)計算得到每個傳感器的空間位置，然后用計算機(jī)將這些離散的點(diǎn)擬合成連續(xù)的曲線，就可以在計算機(jī)上進(jìn)行三維顯示，實現(xiàn)柔軟體的空間定位和跟蹤。但利用電磁場定位原理的技術(shù)安全性差，體積大，原理本身的缺點(diǎn)，因此其應(yīng)用場合受到限制。此外，國外也有利用應(yīng)變片進(jìn)行腔道形狀檢測的報導(dǎo)，其方法是通過檢測細(xì)長桿頭部點(diǎn)在空間腔道中的移動軌跡，實現(xiàn)腔道的形狀檢測。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種三維曲線形狀檢測裝置，其特點(diǎn)是，由柔性檢測桿、信號采集卡和計算機(jī)通過電訊號傳輸線路順序連接組成，在柔性檢測桿上沿軸向均勻設(shè)置多組應(yīng)變片，并由各組應(yīng)變片分別組成多個電橋電路。
上述三維曲線形狀檢測裝置，其中，所述的多組應(yīng)變片每組為兩片，每組的兩應(yīng)變片對稱粘貼在柔性檢測桿的兩側(cè)。
上述三維曲線形狀檢測裝置，其中，所述的計算機(jī)內(nèi)設(shè)有將信號轉(zhuǎn)換成曲線形狀的軟件。
一種三維曲線形狀檢測方法，通過三維曲線形狀檢測裝置實施，其特點(diǎn)是，該方法至少包括以下步驟第一步、確定應(yīng)變片的比例系數(shù)在檢測開始前，首先用圓弧樣條曲線標(biāo)定方法確定柔性檢測桿上各組應(yīng)變片的應(yīng)變信號與曲線曲率間的比例系數(shù)K；第二步、獲取應(yīng)變信號將柔性檢測桿置于被測部位，柔性檢測桿的彎曲信號由應(yīng)變片實時感知，由此獲得柔性檢測桿表面多個離散點(diǎn)的應(yīng)變信號；第三步、采集應(yīng)變信號多個離散點(diǎn)的應(yīng)變信號經(jīng)對應(yīng)的多個電橋電路轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，模擬電壓信號又經(jīng)放大電路、信號采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號；由計算機(jī)實時采集；第四步、計算曲率計算機(jī)根據(jù)實時采集的信號進(jìn)行圓弧樣條曲線標(biāo)定處理后得到電壓信號和柔性檢測桿曲率值之間的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)此關(guān)系計算出柔性檢測桿上多個離散點(diǎn)的曲率；第五步、繪制形狀曲線計算機(jī)根據(jù)柔性檢測桿上多個離散點(diǎn)的曲率用特定的遞推方法繪制出被測物體的形狀曲線。
上述三維曲線形狀檢測方法，其中，步驟一中所述的圓弧樣條曲線標(biāo)定方法為對于每組應(yīng)變片，先測出柔性檢測桿在幾個已知曲率半徑ρ下的電橋電路的輸出電壓u，根據(jù)公式K＝u×ρ求出每個曲率半徑ρ下的比例系數(shù)，然后取其平均值作為每一組應(yīng)變片的比例系數(shù)K。
上述三維曲線形狀檢測方法，其中，步驟五中所述的特定的遞推方法為，根據(jù)以下曲線擬合方程求出曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后擬合成連續(xù)的曲線x＝o(i-1)x+(ρi-1-ρi)cosθi-1+ρicosθy＝o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ式中，θi-1≤θ≤θiθi＝θi-I+Δθ＝θi-1+s/ρI。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)，使其與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)1、由于整個檢測系統(tǒng)主要由應(yīng)變片、采集電路和計算機(jī)組成，不需要額外的輔助檢測設(shè)備，所以整個系統(tǒng)的組成簡單，也不需要眾多的大型離散點(diǎn)位置檢測設(shè)備，大大降低了檢測費(fèi)用，簡化了檢測過程。
2、由于本發(fā)明三維曲線形狀檢測技術(shù)是在整個被測曲線上放置多個曲率檢測應(yīng)變片，對多點(diǎn)的曲率檢測是以并行方式同時進(jìn)行的，因此整個形狀檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時檢測，這種檢測技術(shù)既能適用腔道內(nèi)的曲線檢測，也能適用任意空間曲線的檢測，并且能夠達(dá)到很高的實時響應(yīng)性。
圖2是本發(fā)明三維曲線形狀檢測方法的檢測過程示意圖。
圖3a是本發(fā)明的一實施例中均布有8組應(yīng)變片的柔性檢測桿的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3b是圖3a中A-A處的剖面圖。
圖4是本發(fā)明的一實施例中一組應(yīng)變片檢測柔性檢測桿8種彎曲狀態(tài)下的曲率與輸出電壓的關(guān)系曲線圖。
圖5是本發(fā)明的一實施例的柔性檢測桿的實際形狀曲線圖。
圖6是本發(fā)明的一實施例的柔性檢測桿的實際形狀曲線的再顯圖。
本發(fā)明三維曲線形狀檢測方法的檢測過程如圖2所示。該方法通過三維曲線形狀檢測裝置實施，其步驟如下在檢測開始前，首先用圓弧樣條曲線標(biāo)定方法確定柔性檢測桿1上各組應(yīng)變片11的比例系數(shù)K；圓弧樣條曲線標(biāo)定方法為對于每組應(yīng)變片11，先測出柔性檢測桿1在幾個已知曲率半徑ρ下的電橋電路輸出電壓u，根據(jù)公式K＝u×ρ求出每個曲率半徑ρ下的比例系數(shù)，然后取其平均值作為每一組應(yīng)變片11的比例系數(shù)K。
檢測時，將柔性檢測桿1置于被測部位，柔性檢測桿1的彎曲信號由應(yīng)變片11實時感知，由此獲得柔性檢測桿1表面多個離散點(diǎn)的應(yīng)變信號；多個離散點(diǎn)的應(yīng)變信號經(jīng)對應(yīng)的多個電橋電路轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，模擬電壓信號又經(jīng)放大電路、信號采集卡2轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號；由計算機(jī)3實時采集；計算機(jī)3根據(jù)實時采集的信號進(jìn)行圓弧樣條曲線標(biāo)定處理后得到電壓信號和柔性檢測桿1曲率值之間的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)此關(guān)系計算出柔性檢測桿1上多個離散點(diǎn)的曲率；最后，計算機(jī)根據(jù)柔性檢測桿1上多個離散點(diǎn)的曲率用特定的遞推方法繪制出被測物體的形狀曲線。
特定的遞推方法為，根據(jù)以下曲線擬合方程求出曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后擬合成連續(xù)的曲線x＝o(i-1)x+(ρi-1-ρi)cosθi-1+ρicosθy＝o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ式中，θi-1≤θ≤θiθi＝θi-1+Δθ＝θi-1+s/ρI。
本發(fā)明三維曲線形狀檢測裝置的檢測原理為對稱粘貼在柔性檢測桿1上的兩應(yīng)變片11與另外兩個等值電阻組成一個雙臂電橋電路，該電橋電路的輸出電壓u與應(yīng)變片所在點(diǎn)的曲率半徑ρ成反比，與曲率n成正比u＝K/ρ＝K×n其中K為比例系數(shù)。比例系數(shù)K用圓弧樣條曲線標(biāo)定的方法求得。具體標(biāo)定方法是，對于每一組應(yīng)變片11，先測出柔性檢測桿1在幾個已知曲率半徑ρ下的電橋電路的輸出電壓u，根據(jù)公式u＝K/ρ＝K×n求出每個已知曲率半徑ρ下的比例系數(shù)，以其平均值作為每一組應(yīng)變片11的比例系數(shù)K。這樣，就可以通過信號采集卡所測得的每個電橋電路的輸出電壓值u和標(biāo)定所得的系數(shù)K來計算柔性檢測桿1上的應(yīng)變片11所在點(diǎn)的曲率。在獲得了柔性檢測桿1上若干離散點(diǎn)的曲率之后，便可以根據(jù)下列基于遞推方法的曲線擬合方程x＝o(i-1)x+(ρi-1-ρi)cosθi-1+ρicosθy＝o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ
式中，θi-1≤θ≤θiθi＝θi-1+Δθ＝θi-1+s/ρi求出曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后擬合成連續(xù)的曲線，實現(xiàn)被測曲線的再顯，將柔性檢測桿1的形狀曲線繪出。
以下通過一個具體實施例對本發(fā)明三維曲線形狀檢測裝置和檢測方法的檢測原理和檢測過程作進(jìn)一步的描述在一根長120厘米、外徑10毫米、內(nèi)徑8毫米的聚乙烯材料制成的柔性檢測桿1上均勻布置了8組型號為TA120-6AA(120歐，靈敏度系數(shù)為2.08，柵長6毫米、柵寬3.2毫米)的應(yīng)變片11，各組應(yīng)變片11之間的間距為13厘米，如圖3所示。這樣8個通道的電橋電路的輸出信號線通過一個37針D型插頭與型號為PCI2003的信號采集卡2連接，來實時采集每個電橋電路的輸出電壓。對于每組應(yīng)變片11的比例系數(shù)K，通過標(biāo)定柔性檢測桿1在ρ＝無窮大(直線)、90厘米、70厘米、50厘米、40厘米、30厘米、25厘米、20厘米彎曲狀態(tài)時的每個電橋電路的輸出電壓u，按照公式K＝uρ，計算出各彎曲狀態(tài)時的比例系數(shù)，然后求平均值得到。圖4所示為其中某一組應(yīng)變片11檢測柔性檢測桿1的8種彎曲狀態(tài)下的曲率與輸出電壓u之間的關(guān)系曲線圖，從而通過標(biāo)定方法獲得比例系數(shù)K，其中的直線是按照求平均之后的K畫出的u與1/ρ(曲率n)之間的關(guān)系圖。
接著根據(jù)柔性檢測桿1上8個點(diǎn)的曲率來重建形狀曲線。由于柔性檢測桿1的形狀曲線是連續(xù)的，因此在弧長段s足夠小的情況下，曲線可以看作是許多段半徑不等的圓弧段或直線段組成的，如圖5所示。其中以起始點(diǎn)的切線方向作為x軸。為了獲知足夠小s的曲率，可采用在已知曲率點(diǎn)(通過應(yīng)變片11檢測獲得)之間線性插入。本實例中在間隔為13厘米的兩點(diǎn)中插了9個點(diǎn)，組成10個圓弧段，即ρn＝ρk-1+n(ρn-ρk-1)/10這樣就可以方便地計算出每一段圓弧的曲率半徑ρn。在已知s和各個圓弧段的曲率半徑后，就可以用圖5所示的基于離散點(diǎn)曲率的曲線重建遞推方法將圓弧段的圓心坐標(biāo)求出，從而將整個被測曲線再顯出來。圖6所示即為本實施例的柔性檢測桿1的實際形狀曲線的重建圖。
權(quán)利要求
1.一種三維曲線形狀檢測裝置，其特征在于由柔性檢測桿(1)、信號采集卡(2)和計算機(jī)(3)通過電訊號傳輸線路(4)順序連接組成，在柔性檢測桿(1)上沿軸向均勻設(shè)置多組應(yīng)變片(11)，并由各組應(yīng)變片分別組成多個電橋電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維曲線形狀檢測裝置，其特征在于所述的多組應(yīng)變片(11)每組為兩片，每組的兩應(yīng)變片(11)對稱粘貼在柔性檢測桿(1)的兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維曲線形狀檢測裝置，其特征在于所述的計算機(jī)(3)內(nèi)設(shè)有將信號轉(zhuǎn)換成曲線形狀的軟件。
4.一種三維曲線形狀檢測方法，通過三維曲線形狀檢測裝置實施，其特征在于該方法至少包括以下步驟第一步、確定應(yīng)變片的比例系數(shù)在檢測開始前，首先用圓弧樣條曲線標(biāo)定方法確定柔性檢測桿(1)上各組應(yīng)變片(11)的應(yīng)變信號與曲線曲率間的比例系數(shù)K；第二步、獲取應(yīng)變信號將柔性檢測桿(1)置于被測部位，柔性檢測桿(1)的彎曲信號由應(yīng)變片(11)實時感知，由此獲得柔性檢測桿(1)表面多個離散點(diǎn)的應(yīng)變信號；第三步、采集應(yīng)變信號多個離散點(diǎn)的應(yīng)變信號經(jīng)對應(yīng)的多個電橋電路(5)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，模擬電壓信號又經(jīng)信號采集卡(2)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號；由計算機(jī)(3)實時采集；第四步、計算曲率計算機(jī)(3)根據(jù)實時采集的信號進(jìn)行圓弧樣條曲線標(biāo)定處理后得到電壓信號和柔性檢測桿(1)曲率值之間的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)此關(guān)系計算出柔性檢測桿(1)上多個離散點(diǎn)的曲率；第五步、繪制形狀曲線計算機(jī)(3)根據(jù)柔性檢測桿(1)上多個離散點(diǎn)的曲率用特定的遞推方法繪制出被測物體的形狀曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維曲線形狀檢測方法，其特征在于步驟一中所述的圓弧樣條曲線標(biāo)定方法為對于每組應(yīng)變片(11)，先測出柔性檢測桿(1)在幾個已知曲率半徑ρ下的電橋電路的輸出電壓u，根據(jù)公式K＝u×ρ求出每個曲率半徑ρ下的比例系數(shù)，然后取其平均值作為每一組應(yīng)變片(11)的比例系數(shù)K。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維曲線形狀檢測方法，其特征在于步驟五中所述的特定的遞推方法為，根據(jù)以下曲線擬合方程求出曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后擬合成連續(xù)的曲線x＝o(i-1)x+(ρi-1-ρi)cosθi-1+ρicosθy＝o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ式中，θi-1≤θ≤θiθi＝θi-1+Δθ＝θi-1+s/ρI。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三維曲線形狀檢測裝置和檢測方法，檢測裝置由柔性檢測桿、信號采集卡和計算機(jī)通過電訊號傳輸線路順序連接組成，在柔性檢測桿上沿軸向均勻設(shè)置多組應(yīng)變片，并由各組應(yīng)變片分別組成多個電橋電路。檢測方法包括確定應(yīng)變片的比例系數(shù)、獲取應(yīng)變信號、采集應(yīng)變信號、計算曲率和繪制形狀曲線等步驟。本發(fā)明的三維曲線形狀檢測裝置組成簡單、檢測方法簡便，可以實現(xiàn)實時檢測，并且能夠達(dá)到很高的實時響應(yīng)性。
文檔編號G01B21/20GK1447092SQ0311620
公開日2003年10月8日 申請日期2003年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月1日
發(fā)明者沈林勇, 錢晉武, 吳家麒, 章亞男, 陳建軍 申請人:上海大學(xué)