[發明專利]一種三維均質實體無損測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201110246729.3
• 申請日: 2011-08-25
• 公開（公告）號: CN102393187A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發明（設計）人: 甘勇;韋荔甫;孫寧;甘杜芬
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01B21/20
• 分類號: G01B21/20;G01M1/12;G01G1/18
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 陳躍琳

1.一種三維均質實體無損測量裝置，其特征在于：主要由杠桿平衡系統、精密測力儀器L1、L2、L3和L4、裝夾系統、精密運動系統及計算機組成；其中，

杠桿平衡系統包括杠桿G1、杠桿G2、支撐平臺Z1和4個自動配重系統P1、P2、P3和P4；杠桿G1的支點O₁和杠桿G2的支點O₂對稱平衡地設置在相應的杠桿上；支撐平臺Z1與上述杠桿G1和杠桿G2之間通過4個固定力接觸點P、Q、H和E相連接；其中固定力接觸點P和固定力接觸點H位于杠桿G1上，且固定力接觸點P與杠桿G1的支點O₁重疊；固定力接觸點Q和固定力接觸點E位于杠桿G2上，且固定力接觸點Q與杠桿G2的支點O₂重疊；固定力接觸點P和固定力接觸點Q的連線與兩杠桿G1和CD均垂直；固定力接觸點H和固定力接觸點E的連線也與兩杠桿G1和CD均垂直；支撐平臺Z1在系統中本身重力及力矩已知不變，并可以通過杠桿系統平衡掉；杠桿G1和杠桿G2的4個端點A、B、C和D上分別固定懸掛有一自動配重系統P1、P2、P3和P4；

杠桿平衡系統的4個測重系統處各設有一精密測力儀器L1、L2、L3和L4，該精密測力儀器L1、L2、L3和L4的采集信號輸出端均連接至計算機中；

裝夾系統包括包容立方體和旋轉機構；包容立方體采用最小包容原則讓被測實體C1裝夾其中；旋轉機構的控制端與計算機相連，旋轉機構的動力端與包容立方體相連，旋轉機構接收計算機指令控制包容立方體在不同測量方向上的精確換向和定位；

精密運動系統的控制端與計算機相連，精密運動系統的動力輸出端則與裝夾系統相連，通過計算機指令控制包容有被測實體C1的裝夾系統實現精密位移。

2.根據權利要求1所述的一種三維均質實體無損測量裝置，其特征在于：所述杠桿G1和杠桿G2均為均質杠桿。

3.根據權利要求1和2所述的一種三維均質實體無損測量裝置，其特征在于：所述杠桿G1和杠桿G2的4個端點A、B、C和D處各設有一限位器X1、X2、X3和X4。

4.根據權利要求1和2所述的一種三維均質實體無損測量裝置，其特征在于：所述杠桿G1的支點O₁和杠桿G2的支點O₂均為空氣軸支點或無摩擦支點。

5.根據權利要求1所述的一種三維均質實體無損測量裝置，其特征在于：所述包容立方體為正方體。

6.一種三維均質實體無損測量方法，其特征是包括如下步驟：

(1)被測實體C1片層質量和相應重心坐標確定：以支點O₁和O₂的連線中點O為坐標原點，將平行杠桿的方向為X軸方向，支點O₁和O₂的連線為Y軸方向，垂直于X軸和Y軸平面方向為Z軸方向，建立坐標系；

(1-1)在X軸測量方向上：

(1-1a)已知質量為M的被測實體C1、其所受重力為G，將裝夾有被測實體C1的包容立方體放置于杠桿平衡系統的支撐平臺Z1上，并讓包容立方體所測片層方向的起始邊緣與支點O₁和O₂的連線垂直相對，此時設為被測實體C1的初始狀態；通過調節自動配重系統P1、P2、P3和P4的配重使杠桿平衡系統處于平衡穩定狀態，同時精密測力儀器L1、L2、L3和L4測量并記錄下該時刻杠桿平衡系統的4個測力點所受的力，即F_AO、F_BO、F_CO和F_DO，并將其返回至計算機中；

計算機依據靜力平衡方程組(I)聯立求解出被測實體C1初始狀態下的重心坐標值X_O、支點O₁和支點O₂所受的力F_O1O和F_O2O、固定力接觸點P、Q、H和E所受的力F_EO、F_HO、F_PO和F_QO；

FAO×LO1A=FBO×LO1B+FHO×LO1HFAO×LAB-FO1O×LO1B+FHO×LHB+FPO×LO1B=0FCO×LO2C=FDO×LO2D+FEO×LO2EFCO×LCD-FO2O×LO2D+FEO×LED+FQO×LO2D=0G×XO-F,HO×LO1H-F,EO×LO2E=0G×(LO1H-XO)-F,PO×LO1H-F,QO×LO2E=0G×XO+FBO×LO1B+FDO×LO2D=FAO×LO1AD+FCO×LO2C---(I)]]>

式中，G為被測實體C1所受重力，L_O1A、L_O1B、L_O1H、L_AB、L_O1B、L_HB、L_O2C、L_O2D、L_O2E、L_CD、L_O1B、L_ED分別表示其下標兩點間的距離，F’_EO、F’_HO、F’_PO、F’_QO分別為F_EO、F_HO、F_PO、F_QO的反作用力，上述各值已知并可測出；

(1-1b)假設被測實體C1片層微小單元體為正方體且邊長為ΔS，保持被裝夾系統的測量方向不變，讓精密運動系統在計算機指令控制下帶動裝夾系統的包容立方體沿其X軸負方向每次平移ΔS后，通過調節自動配重系統P1、P2、P3和P4的配重使杠桿平衡系統處于平衡穩定狀態，此時精密測力儀器L1、L2、L3和L4測量出被測實體C1在第i(i＝1，2，3……n)層片層位置時杠桿平衡系統的4個測力點所受的力，即F_Ai、F_Bi、F_Ci和F_Di，并將其返回至計算機中；

計算機依據靜力平衡方程組(II)及重心坐標方程(III)聯立求解出被測實體C1平移狀態下的第i層片層重力W_i，除去第i層片層及已測部分，即未測部分的重心坐標為X_i，支點O₁和支點O₂所受的力F_O1i和F_O2i，固定力接觸點P、Q、H和E所受的力F_Ei、F_Hi、F_Pi和F_Qi；

FAi×LO1A=FBi×LO1B+FHi×LO1HFAi×LAB-FO1i×LO1B+FHi×LHB+FPi×LO1B=0]]>

FCi×LO2C=FDi×LO2D+FEi×LO2EFCi×LCD-FO2i×LO2D+FEi×LED+FQi×LO2D=0(G-Wi)×Xi-F,Hi×LO1H-F,Ei×LO2E=Wi×ΔS/2G×(LO1H-XO)-F,Pi×LO1H-F,Qi×LO2E=0(FBi-FBO)×LO1B+(FDi-FDO)×LO2D=(FAO-FAi)×LO1AD+(FCO-FCi)×LO2C+Wi×ΔS---(II)]]>

式中，G為被測實體C1所受重力，L_O1A、L_O1B、L_O1H、L_AB、L_O1B、L_HB、L_O2C、L_O2D、L_O2E、L_CD、L_O1B、L_ED分別表示其下標兩點間的距離，F’_Ei、F’_Hi、F’_Pi、F’_Qi分別為F_Ei、F_Hi、F_Pi、F_Qi的反作用力，上述各值已知并可測出；

(G-Wi)Xi=Σi=1n-1Wi+1(i-0.5)ΔS---(III)]]>

式中，G為被測實體C1所受重力，ΔS為平移量即微小單元體的邊長；

(1-1c)根據步驟(1-1b)所得出的第i層片層重力W_i，并結合重力公式W_i＝m_i總g，即可獲得被測實體C1在X軸測量方向上每片層的質量m_i總；

(1-2)計算機發出指令控制旋轉機構帶動包容立方體轉動為X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、3個對角方向，并在每個測量方向上重復步驟(1-1)；由此測量被測實體C1沿X軸、Y軸、Z軸3個方向測量，每次移動ΔS時，所獲得的被測實體C1在X軸、Y軸、Z軸3個測量方向上的每片層的質量和相應的重心坐標值；以及測量被測實體C1沿3個對角平面方向測量，每次移動時，所獲得的被測實體C1在3個對角平面測量方向上的每片層的質量m_i總和相應的重心坐標值；上述一共獲得6個方向上的每片層的質量和相應的重心坐標值；

(2)求解被測實體C1片層微小單元體質量：將包容立方體即被測實體C1分為n³個正方體的微小單元體，每個微小單元體的邊長為ΔS，每個微小單元體的質量為m；將步驟(1)中所得X軸、Y軸、Z軸、以及3個對角平面共6個測量方向測量所得的被測實體C1片層質量和相應重心坐標值，聯合以下3個數學模型，即

(i)第i層的總質量m_i總：

式中，m_ij為第i層第j個微小單元體，i＝1，2，3……n，j＝1，2，3……n；

(ii)當被測實體C1移過第i層時，有重心坐標方程為：

(G-Σi=1nWi)Xi=Σi=i+1n-iWi+1(i-0.5)ΔS---(V)]]>

式中，G為被測實體C1所受重力，W_i為第i層片層重力，X_i為未測部分的重心坐標，ΔS為個微小單元體的邊長，i＝1，2，3……n；

(iii)由微小單元體定義，已知微小單元體的質量為m，則所有微小單元體在實體空間只有兩種情況存在，要么為實單元體，即質量為m；要么為空單元體，即不存在，質量為0；則有：

m_ij×(m_ij-m)＝0????????????????(VI)

式中，m_ij為第i層第j個微小單元體，i＝1，2，3……n，j＝1，2，3……n；

通過智能運算即可求解出每個微小單元體的質量；

(3)被測實體C1的重構：當微小單元體的質量大于或等于時，計算機認定該微小單元體為實單元并將其記錄；而當微小單元體的質量小于時，計算機便將其記錄下來，并認定該微小單元體為空單元；由此重構出該被測實體C1。