[發明專利]一種應用于全域形變檢測的三相機數字散斑傳感器及方法

在審

• 申請號: 201710032327.0
• 申請日: 2017-01-16
• 公開（公告）號: CN106840015A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 鐘平;施再峰;姜萌;楊馥;潘少慧;鄭浩;高文燁
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所31233
• 代理人: 宋纓,錢文斌

技術領域

本發明涉及精密儀器與測量技術領域，特別是涉及一種應用于全域形變檢測的三相機數字散斑傳感器及方法。

背景技術

隨著現代工程技術與醫學康復技術的不斷改進和創新，多功能假肢的設計、材料的選擇等研究取得了豐碩的成果，并在現代運動康復醫學中得到廣泛的應用。但研究如何提升截肢患者或其它整體關節置換患者假肢安裝的舒適性、假肢使用壽命等問題，卻面臨許多重大的問題需要解決。一個重要方面就是如何全面了解堅硬的金屬植入物和較柔軟骨骼之間生物力學界面的應變分布。掌握界面區域的3D應力分布，以正確估計潛在應力誤匹配對于防止疏松，不重合，界面間隙感染和骨壞死感應等具有重要的意義。目前雖然可以通過計算機輔助工程軟件(CAD)和有限元建模來評估形變和模擬應力應變分布，但是模型的有效性需要正確的邊界條件和材料特性，更需要進行現場直接測量和驗證。由于人體骨骼是不均勻的各向異性材料，加載所引起微小應力形變的三維測量對了解骨骼植入物界面的生物力學特性非常必要。由于測試過程中非結構化測試環境因素的影響，包括生物材料和它們的表層界面的濕潤、潮濕導致的水分子的隨機運動、測試過程的動態特征以及測試對象界面輪廓結構復雜性特點，迄今為止，還沒有理想的應變測量系統或儀器能滿足這種檢測要求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種應用于全域形變檢測的三相機數字散斑傳感器及方法，能夠對被檢測對象的表面形變實現方便、準確、快速、全方位檢測。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種應用于全域形變檢測的三相機數字散斑傳感器，包括光源和三個相同規格的數字散斑干涉儀，所述三個相同規格的數字散斑干涉儀位于檢測對象的不同視覺方向上，所述光源用于向檢測對象發出激光，檢測對象的反射光分別入射到三個相同規格的數字散斑干涉儀；所述三個相同規格的數字散斑干涉儀還通過光纖與所述光源進行耦合，將所述光源發出的激光作為參考光束，實現與不同視覺方向帶有表面形狀調制信息的反射光進行干涉。

所述光源位于三個相同規格的數字散斑干涉儀的中間，使得不同的視覺方向上的三個相同規格的數字散斑干涉儀能夠同時接收到檢測對象的反射光。

所述三個相同規格的數字散斑干涉儀系統采用同步觸發裝置觸發相機。

所述三個相同規格的數字散斑干涉儀中的兩個分別位于檢測對象左右兩側的上方，另一個位于檢測對象前側或后側的上方，且三個相同規格的數字散斑干涉儀距離檢測對象的高度相等。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：還提供一種使用上述應用于全域形變檢測的三相機數字散斑傳感器的方法，包括以下步驟：

(1)將傳感器放置于檢測對象的適當位置，使其三個數字散斑干涉儀的相機以不同的視覺方向對準檢測對象；

(2)三個數字散斑干涉儀的相機分別捕獲被測對象的輪廓形狀圖像；

(3)開啟光源，并使其達到穩定的激光輸出；

(4)兩次觸發同步信號，使三個數字散斑干涉儀的相機同時采集檢測對象發生形變前與參考光的散斑干涉圖像和檢測對象發生形變后與參考光的散斑干涉圖像；

(5)分別對三個數字散斑干涉儀的相機獲取的干涉圖像進行處理，解調出形變信息；

(6)利用被檢測對象的輪廓形狀圖像與所檢測界面應變數據的關聯，對獲取的形變信息進行修正；然后將三個數字散斑干涉儀獲取的三維應變數據進行融合，生成檢測對象全域形變3D圖像繪制數據；

(7)繪制被檢測對象表面形變分布圖。

有益效果

由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果：

本發明由三個規格完全相同的數字散斑干涉儀(簡稱“DSPI”)按一定的空間結構進行組合，且三個DSPI的參考光束來自同一的激光器，并通過玻璃光纖分別耦合到三個DSPI，實現與不同視覺方向帶有表面形狀調制信息的反射光進行干涉。因此，系統能獲取檢測對象的多角度、全域三維形變數據，實現對檢測對象的應力分析。

同時，所設計具有同步控制功能的空間相位移技術三個干涉儀，由于其形變信息可以分別采用單一的相位圖進行解析，根據目前計算機和數字圖像處理技術，成像傳感器可以在0.1ms內或更短的時間記錄一幀圖像，因此，可以顯著消除在數據采集期間任何意隨機因素的影響，從而滿足對測量精度要求。

本發明通過組合三個散斑干涉系統，并引入空間相位移技術形成一種新型的全方位三維形變精密測量系統，提升精密測量形變的科技含量。該發明特別適合小型的材料形變的全方位形變檢測，對生產、科研、教學，醫療等領域具有重要的實際應用價值。