[发明专利]一种应用于全域形变检测的三相机数字散斑传感器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密仪器与测量技术领域，特别是涉及一种应用于全域形变检测的三相机数字散斑传感器及方法。

背景技术

随着现代工程技术与医学康复技术的不断改进和创新，多功能假肢的设计、材料的选择等研究取得了丰硕的成果，并在现代运动康复医学中得到广泛的应用。但研究如何提升截肢患者或其它整体关节置换患者假肢安装的舒适性、假肢使用寿命等问题，却面临许多重大的问题需要解决。一个重要方面就是如何全面了解坚硬的金属植入物和较柔软骨骼之间生物力学界面的应变分布。掌握界面区域的3D应力分布，以正确估计潜在应力误匹配对于防止疏松，不重合，界面间隙感染和骨坏死感应等具有重要的意义。目前虽然可以通过计算机辅助工程软件(CAD)和有限元建模来评估形变和模拟应力应变分布，但是模型的有效性需要正确的边界条件和材料特性，更需要进行现场直接测量和验证。由于人体骨骼是不均匀的各向异性材料，加载所引起微小应力形变的三维测量对了解骨骼植入物界面的生物力学特性非常必要。由于测试过程中非结构化测试环境因素的影响，包括生物材料和它们的表层界面的湿润、潮湿导致的水分子的随机运动、测试过程的动态特征以及测试对象界面轮廓结构复杂性特点，迄今为止，还没有理想的应变测量系统或仪器能满足这种检测要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于全域形变检测的三相机数字散斑传感器及方法，能够对被检测对象的表面形变实现方便、准确、快速、全方位检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种应用于全域形变检测的三相机数字散斑传感器，包括光源和三个相同规格的数字散斑干涉仪，所述三个相同规格的数字散斑干涉仪位于检测对象的不同视觉方向上，所述光源用于向检测对象发出激光，检测对象的反射光分别入射到三个相同规格的数字散斑干涉仪；所述三个相同规格的数字散斑干涉仪还通过光纤与所述光源进行耦合，将所述光源发出的激光作为参考光束，实现与不同视觉方向带有表面形状调制信息的反射光进行干涉。

所述光源位于三个相同规格的数字散斑干涉仪的中间，使得不同的视觉方向上的三个相同规格的数字散斑干涉仪能够同时接收到检测对象的反射光。

所述三个相同规格的数字散斑干涉仪系统采用同步触发装置触发相机。

所述三个相同规格的数字散斑干涉仪中的两个分别位于检测对象左右两侧的上方，另一个位于检测对象前侧或后侧的上方，且三个相同规格的数字散斑干涉仪距离检测对象的高度相等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种使用上述应用于全域形变检测的三相机数字散斑传感器的方法，包括以下步骤：

(1)将传感器放置于检测对象的适当位置，使其三个数字散斑干涉仪的相机以不同的视觉方向对准检测对象；

(2)三个数字散斑干涉仪的相机分别捕获被测对象的轮廓形状图像；

(3)开启光源，并使其达到稳定的激光输出；

(4)两次触发同步信号，使三个数字散斑干涉仪的相机同时采集检测对象发生形变前与参考光的散斑干涉图像和检测对象发生形变后与参考光的散斑干涉图像；

(5)分别对三个数字散斑干涉仪的相机获取的干涉图像进行处理，解调出形变信息；

(6)利用被检测对象的轮廓形状图像与所检测界面应变数据的关联，对获取的形变信息进行修正；然后将三个数字散斑干涉仪获取的三维应变数据进行融合，生成检测对象全域形变3D图像绘制数据；

(7)绘制被检测对象表面形变分布图。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明由三个规格完全相同的数字散斑干涉仪(简称“DSPI”)按一定的空间结构进行组合，且三个DSPI的参考光束来自同一的激光器，并通过玻璃光纤分别耦合到三个DSPI，实现与不同视觉方向带有表面形状调制信息的反射光进行干涉。因此，系统能获取检测对象的多角度、全域三维形变数据，实现对检测对象的应力分析。

同时，所设计具有同步控制功能的空间相位移技术三个干涉仪，由于其形变信息可以分别采用单一的相位图进行解析，根据目前计算机和数字图像处理技术，成像传感器可以在0.1ms内或更短的时间记录一帧图像，因此，可以显著消除在数据采集期间任何意随机因素的影响，从而满足对测量精度要求。

本发明通过组合三个散斑干涉系统，并引入空间相位移技术形成一种新型的全方位三维形变精密测量系统，提升精密测量形变的科技含量。该发明特别适合小型的材料形变的全方位形变检测，对生产、科研、教学，医疗等领域具有重要的实际应用价值。