專利名稱：檢測(cè)三維外殼狀態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測(cè)技術(shù)，具體涉及檢測(cè)三維外殼(
)的狀態(tài)方法。
被檢測(cè)的三維外殼可以是例如，建筑物的屋頂;機(jī)器、飛機(jī)、船舶、氣球等的殼體;水電站水壩的表面;天線反射幕和射電望遠(yuǎn)鏡反射鏡;礦山勘探巷道表面;以及人造人體器官。
本發(fā)明可用于許多必須對(duì)三維外殼狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的科學(xué)技術(shù)部門和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。
下述情況最適合采用本發(fā)明在施工和使用中的樓房、建筑物及有專門用途的薄殼式建筑結(jié)構(gòu)的情況下;
在機(jī)械制造業(yè)、汽車制造業(yè)、造船業(yè)和飛機(jī)制造業(yè)中，在外殼的制造、試驗(yàn)以及使用時(shí)，用來(lái)檢測(cè)外殼的應(yīng)變狀態(tài);
在采礦業(yè)和地質(zhì)研究中，用來(lái)檢測(cè)采礦巷道和礦井表面的幾何形狀;
在醫(yī)學(xué)中，用來(lái)檢測(cè)薄殼式人造器官的狀態(tài);
在無(wú)線電定位和通訊中，用來(lái)檢測(cè)天線的幾何表面。
用以檢測(cè)三維的圓筒形薄殼狀態(tài)的已知方法，例如檢測(cè)海上鉆探使用的分水塔的方法，已在(AEG-Telefunken，BRD，“PositionmeasuringsystemferoffshoreInstallations”，“Systemdesignandmathematicaldeseriptien”，1980，10P.)文中公開(kāi)。
已知的方法包括選擇用以感受被測(cè)參量變化的敏感元件，這些參量包括表征三維外殼狀態(tài)的幾何表面;選擇載有被檢測(cè)參量變化信息的波能傳輸延伸線;把被選擇的敏感元件和波能傳輸延伸線結(jié)合在一起;把結(jié)合在一起的敏感元件和波能傳輸延伸線路沿給定坐標(biāo)設(shè)置在檢測(cè)區(qū)內(nèi)，被檢測(cè)的表征三維外殼狀態(tài)的參量在上述給定坐標(biāo)上變化;形成按時(shí)間調(diào)制的基準(zhǔn)信號(hào)，并使其到達(dá)波能傳輸延伸線的輸入端，上述基準(zhǔn)信號(hào)是在沿該線路傳輸過(guò)程中根據(jù)被檢測(cè)的表征三維外殼狀態(tài)的參量的變化而轉(zhuǎn)換成的;在波能傳輸延伸線的輸出端，測(cè)量轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)信號(hào)的參量，并根據(jù)轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)信號(hào)的被測(cè)參量，確定三維外殼在給定坐標(biāo)上的力學(xué)狀態(tài)特性和被檢測(cè)參量在上述給定坐標(biāo)上的變化。已知的最具體的工序在Telefunken通用電氣公司按下列方式進(jìn)行深入研究。
在已知的方法中，作為表征三維外殼-分水塔的狀態(tài)的被檢測(cè)參量是利用這個(gè)塔的軸線相對(duì)于垂直線的傾角和分水塔的上部和下部沿水平面的扭轉(zhuǎn)角。因此通過(guò)構(gòu)成專用傳感器的方法，來(lái)選擇感受這些角度的變化的敏感元件，這些傳感器也就是慣性傾斜儀和磁羅盤(pán)。然后選擇波能傳輸延伸線，它就是帶聚乙烯護(hù)套的屏蔽電纜。實(shí)現(xiàn)被選擇的傳感器和電纜的結(jié)合方法，是建立它們之間的感應(yīng)耦合。人們把結(jié)合起來(lái)的傳感器和電纜分別設(shè)置在沿分水塔軸線的表面上。為了在三維空間獲得足夠數(shù)量的有關(guān)縱向軸線的幾何學(xué)的信息量，將測(cè)量該軸線相對(duì)于垂直線傾斜的傳感器，分別設(shè)在沿外殼表面上的兩條正交形成線上，并將其固定住。然后使隨時(shí)間變化的、頻率為400赫芝的基準(zhǔn)電信號(hào)到達(dá)電纜的輸入端。該信號(hào)在沿電纜傳輸?shù)倪^(guò)程中，通過(guò)感應(yīng)耦合實(shí)現(xiàn)傳感器的得電，并從傳感器獲得有關(guān)角度的信息，而該信息的頻率相對(duì)于載波頻率400赫芝來(lái)說(shuō)要更高一些。在電纜的輸出端測(cè)量轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)電信號(hào)的參量，將該信息從代碼翻譯出來(lái)，并根據(jù)給定的有關(guān)塔的縱軸相對(duì)于垂直線扭轉(zhuǎn)和傾斜的角度，來(lái)確定塔所處狀態(tài)的力學(xué)特性。所獲得的特性單值地決定分水塔的應(yīng)變狀態(tài)和供動(dòng)力定位用的邊緣各點(diǎn)在空間的相互位置。
檢測(cè)三維圓筒形薄殼狀態(tài)的已知方法具有以下最典型并且有限制的特點(diǎn)。
上述的方法不可能以高分辨率檢測(cè)三維外殼，也不能離檢測(cè)對(duì)象太遠(yuǎn)，這是因?yàn)椴軅鬏斞由炀€的信息量的限制，當(dāng)增加線路長(zhǎng)度時(shí)，也相應(yīng)地增大了線路中的電壓損失和干擾，從而降低了信息傳輸?shù)目煽啃浴＠秒x散安置的角或位移傳感器作為敏感元件，原則上不可能實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)參量分布的連續(xù)測(cè)量。根據(jù)離散獲得的沿給定坐標(biāo)的讀數(shù)，只能是參量的近似分布，在所述情況下，即分水塔表面相對(duì)于垂直線的傾角的近似分布。因此原則上不可能在空間和時(shí)間上進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)外殼的力學(xué)特性，這樣就產(chǎn)生了逼近誤差。此外，由于傳感器本身有相當(dāng)大的吸收，也使檢測(cè)精度下降。用機(jī)電方法，通過(guò)感應(yīng)耦合，將敏感元件和波能傳輸延伸線結(jié)合起來(lái)，以及對(duì)敏感元件同這種線路進(jìn)行的特殊的固定方法，不得不安裝作用原理不同的傳感器，也不得不保證其相當(dāng)復(fù)雜的尋測(cè)過(guò)程，這就迫使制作和使用價(jià)格昂貴的水下電氣設(shè)備，而這種設(shè)備的可靠性又低。
此外，所使用的分水塔表面形成線相對(duì)于垂直線的傾斜角傳感器，對(duì)測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍有極大的限制，這樣，當(dāng)變形大時(shí)，就不可能對(duì)分水塔表面進(jìn)行檢測(cè)。利用同樣的已知方法，不可能檢測(cè)三維外殼的另外一些形狀，以及不增加傳感器的數(shù)量和不減小它們之間的安裝距離，也不可能提高測(cè)量和檢查的分辨率。
就技術(shù)實(shí)質(zhì)來(lái)說(shuō)，與上述的技術(shù)方案最接近的是長(zhǎng)度方向量度測(cè)量對(duì)象的狀態(tài)的檢測(cè)方法，在個(gè)別情況下，這種測(cè)量對(duì)象就是三維外殼(PCT/SV88/00032)。這種方法包括選擇波能傳輸延伸線，該線路保證具有已知物理場(chǎng)的時(shí)-空結(jié)構(gòu)流行波型的信號(hào)在其中傳輸;把選定的波能傳輸延伸線沿給定的坐標(biāo)S分別設(shè)置在三維外殼的表面上;在波能傳輸延伸線中，至少要分出一條基準(zhǔn)波道和至少一條測(cè)量波道，在上述的每一條波道中，都有已知的流行波型相速延遲;保證沿波能傳輸延伸線，至少一條基準(zhǔn)波道的波型場(chǎng)和至少一條測(cè)量波道的流行波型場(chǎng)，隨著三維外殼表面的幾何形狀的變化，而發(fā)生定向相互作用，以便在測(cè)量波道中獲得這樣一種信號(hào)，即信號(hào)在基準(zhǔn)波道傳輸過(guò)程中按照三維外殼表面的幾何形狀的變化而變化的信號(hào)，該信號(hào)表征這個(gè)外殼的狀態(tài);以物理場(chǎng)振蕩形式形成按時(shí)間調(diào)制的基準(zhǔn)信號(hào)，并將這些振蕩變換成具有給定時(shí)-空結(jié)構(gòu)流行波型場(chǎng)的信號(hào);在波能傳輸延伸線路中的至少一條基準(zhǔn)波道的輸出端和至少一條測(cè)量波道的輸出端，將波型場(chǎng)變換成電信號(hào)，這些電信號(hào)僅僅與時(shí)間有關(guān);在基準(zhǔn)波道的輸出端，分出電信號(hào)的振幅;在測(cè)量波道的輸出端，按照與基準(zhǔn)波道輸出端的電信號(hào)的峰值成反比關(guān)系放大電信號(hào);利用線性比例變換，它把波能傳輸延伸線中的基準(zhǔn)波道和測(cè)量波道中的流行波型相速延遲的差值、檢測(cè)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間和沿波能傳輸延伸線的給定坐標(biāo)值的讀數(shù)等聯(lián)系起來(lái)，然后確定三維薄殼表面的幾何形狀。
對(duì)于上述已知的三維外殼的狀態(tài)檢測(cè)方法，其下述的有限制的特點(diǎn)最接近于所推薦的本發(fā)明。
在已知的方法中，當(dāng)把波能傳輸延伸線分別設(shè)置在三維外殼表面上時(shí)，在個(gè)別場(chǎng)合，三維外殼是曲線形的管道，不能保證提高三維外殼表面的幾何形狀的檢測(cè)精度，這是因?yàn)椴荒馨锤鱾€(gè)局部顯示具有這些特征結(jié)構(gòu)的三維外殼表面的積分特性，以便隨后的用來(lái)單值地確定三維外殼表面的幾何形狀、從而單值地確定它的應(yīng)變狀態(tài)。
本發(fā)明的任務(wù)是提出這樣一種檢測(cè)三維外殼狀態(tài)的方法，即當(dāng)外部負(fù)載作用在三維外殼上時(shí)，這種方法能按各個(gè)局部顯示具有以下結(jié)構(gòu)特征的外殼表面的積分特性，以便單值地評(píng)價(jià)三維外殼表面狀態(tài)，這就保證了提高三維外殼表面幾何形狀的檢測(cè)精度，從而提高該外殼在空間的應(yīng)變狀態(tài)的檢測(cè)精度。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是檢測(cè)三維外殼狀態(tài)的方法，按順序，包括下述的操作選擇波能傳輸延伸線，該線路保證具有已知的物理場(chǎng)的時(shí)-空結(jié)構(gòu)的流行波型作為信號(hào)在其中傳輸;把所選擇的波能傳輸延伸線沿給定的坐標(biāo)S，分別設(shè)置在三維外殼表面上;在波能傳輸延伸線中分出至少一條基準(zhǔn)波道和至少一條測(cè)量波道，在上述的每一個(gè)波道中，都有已知的波型相速延遲;沿波能傳輸延伸線保證該線路中的至少一條基準(zhǔn)波道的流行波型場(chǎng)和至少一條測(cè)量波道的流行波型場(chǎng)產(chǎn)生定向的相互作用，生成只與時(shí)間有關(guān)的電信號(hào);在基準(zhǔn)波道的輸出端，分出電信號(hào)的振幅;在測(cè)量波道的輸出端，按照與基準(zhǔn)波道的輸出端上的電信號(hào)的峰值成反比關(guān)系放大電信號(hào);利用線性比例變換，該變換把波能傳輸延伸線中的基準(zhǔn)波道和測(cè)量波道的流行波型相速延遲的差值、檢測(cè)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間和沿波能傳輸延伸線的給定坐標(biāo)值的讀數(shù)聯(lián)系起來(lái)，然后確定三維外殼表面的幾何形狀。根據(jù)本發(fā)明，給定所要求的沿三維外殼表面積檢測(cè)的分辨率;把三維外殼的表面劃分成任意形狀的若干部分，其中每一部分的面積小于或等于給定的檢測(cè)三維外殼狀態(tài)的分辨率的面積;把分別設(shè)置在三維外殼表面上的波能傳輸延伸線，沿著全部劃分好的各部分的周長(zhǎng)鋪設(shè)好，并沿這些劃分好的各部分周長(zhǎng)，將上述線路固定在三維外殼的表面上;沿波能傳輸延伸線，保證至少一條基準(zhǔn)波道和至少一條測(cè)量波道的流行波型場(chǎng)，根據(jù)波能傳輸延伸線縱軸的曲率大小而產(chǎn)生定向相互作用;沿給定坐標(biāo)S，確定三維外殼表面在與波能傳輸延伸線的縱軸相交的該表面的法線方向上的曲率值，并且根據(jù)所獲得的三維外殼表面的曲率值，找出并記下每一個(gè)被劃分好的部分的兩個(gè)主曲率的初始值，這些初始值對(duì)應(yīng)于三維外殼的起始狀態(tài)，然后著手確定每一部分的兩個(gè)主曲率的變化值，并將這些主曲率的變化值與記下來(lái)的主曲率的初始值進(jìn)行比較，找到確定三維外殼表面幾何形狀時(shí)所需要的每一部分的積分特性。
在對(duì)飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼、船殼及建筑物的保護(hù)層進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞度試驗(yàn)時(shí)，本發(fā)明可以使實(shí)施檢測(cè)的費(fèi)用降低十倍，這是由于消除了安裝價(jià)格昂貴的復(fù)雜設(shè)備的必要性，以及減少了全體工作人員的人數(shù)。采用本發(fā)明所能達(dá)到的效果是消除了由建筑結(jié)構(gòu)方面的事故造成的損失，其中包括金屬屋頂，因?yàn)槲唇?jīng)檢測(cè)的負(fù)載加到工業(yè)企業(yè)的屋頂上時(shí)，經(jīng)常導(dǎo)致倒塌。本發(fā)明還能減少各種外殼結(jié)構(gòu)在建筑上的費(fèi)用，這是由于在保證以很高的分辨率、對(duì)每一塊面積的外殼表面狀態(tài)進(jìn)行可靠的檢測(cè)的條件下，可以減少所安裝的輔助支架的數(shù)量。在準(zhǔn)確地確定了定位天線表面的幾何形狀的條件下，有可能極大地提高探測(cè)、通訊和射電望遠(yuǎn)鏡等天線的使用效率。
下面將通過(guò)具體實(shí)施例、并結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。該實(shí)施例證實(shí)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的可能性。


圖1是本發(fā)明被檢測(cè)的三維外殼，在其表面上固定著波能傳輸延伸線;
圖2是本發(fā)明的比例放大的被檢測(cè)三維外殼上呈矩形的一部分表面，在該表面上沿著周長(zhǎng)固定著波能傳輸延伸線的一部分;
圖3是根據(jù)本發(fā)明，三維外殼表面沿所劃分部分的周長(zhǎng)處沿給定坐標(biāo)S的曲率關(guān)系曲線;
圖4是本發(fā)明的三維外殼狀態(tài)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖1中畫(huà)出了三維外殼1，在其表面上用虛線表示劃分出的多個(gè)部分2，其中每一部分都有四個(gè)接頭區(qū)3。固定在三維外殼1的表面上的波能傳輸延伸線4沿給定坐標(biāo)S經(jīng)過(guò)各接頭區(qū)3。每一個(gè)選定部分2的面積小于或等于在給定的分辨率的情況下檢測(cè)三維外殼1的狀態(tài)所涉及的面積，用△Pij表示。在部分2的表面上(圖2)示出了波能傳輸延伸線4其縱軸S，兩個(gè)主要曲率K1ij、K2ij，外殼表面法線 ，同時(shí)還示出了波能傳輸延伸線4在每一個(gè)接頭區(qū)3處相遇的鄰接部分之間是直角，沿波能傳輸延伸線4的縱軸5給定弧線坐標(biāo)S的讀數(shù)方向。
圖1和圖2中圓周所示的接頭區(qū)3的中心的坐標(biāo)相應(yīng)地表示為lij，li+l，j，li+l，j+l，li，j+l。沿波能傳輸延伸線4的一對(duì)毗鄰的接頭區(qū)3之間的距離表示為△l1和l2。部分2的面積可由下式確定△Pij＝△l1·△l2圖3示出了由波能傳輸延伸線4測(cè)得的沿三維外殼1的表面上劃分的部分2的周長(zhǎng)的曲率K(S)的關(guān)系曲線6。對(duì)于三維外殼1上所劃分的部分2來(lái)說(shuō)，曲率K(S)的測(cè)量是根據(jù)指向三維外殼1的表面的與該線路4的縱軸5相交的法線進(jìn)行的。
實(shí)施檢測(cè)三維外殼1的狀態(tài)的方法所使用的裝置(圖4)包括已調(diào)制波能源7;波能傳輸延伸線4，它沿給定坐標(biāo)S分別設(shè)置在三維外殼1的檢測(cè)區(qū)內(nèi)，用來(lái)收集和傳輸三維外殼1的表面幾何形狀變化的信息，該信息與其縱軸S的幾何形狀相對(duì)應(yīng)，波能傳輸延伸線4是由多波型的(MHOTOMO
OBы
)波導(dǎo)管制成的，含有至少一條基準(zhǔn)波道和至少一條測(cè)量波道，這些波道根據(jù)三維外殼幾何形狀的變化而相互作用。
三維外殼狀態(tài)檢測(cè)裝置還包括信息模擬處理部分3，用來(lái)從波能傳輸延伸線4中分出由該線4轉(zhuǎn)換成的基準(zhǔn)信號(hào)，用以確定三維外殼1的應(yīng)變狀態(tài)特性;還包括空間濾波器9，用來(lái)形成給定流行波型時(shí)-空結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)信號(hào)，該濾波器連接在已調(diào)制波能源7的輸出端和波能傳輸延伸線4之間?？臻g濾波器9有輸入端10、11，而空間濾波器9和波能傳輸延伸線4的連接部分用12表示。
檢測(cè)長(zhǎng)度方向量度結(jié)構(gòu)的狀態(tài)的裝置包括空間濾波器13，用來(lái)把從波能傳輸延伸線4的輸出端獲得的流行波型時(shí)-空結(jié)構(gòu)信號(hào)變換成與時(shí)間有關(guān)的信號(hào)。濾波器13通過(guò)連接部分14與延伸線4連接，且被設(shè)置在延伸線路4和信息模擬處理部分8的輸入端之間?？臻g濾波器13有輸出端15和16。
空間濾波器9和13制作得完全相同，可根據(jù)波能傳輸延伸線4的類型，用已知的方法來(lái)實(shí)施。例如對(duì)于采用矩形波導(dǎo)管作為線4并以H10和H20充當(dāng)基準(zhǔn)波道和測(cè)量波道波的情況，濾波器9和13是串聯(lián)到三分貝橋接分路的波導(dǎo)上(圖中未示出)，該橋接分路的橋臂經(jīng)過(guò)兩個(gè)靜態(tài)移相器連接到波導(dǎo)管上，這兩個(gè)移相器之間的差動(dòng)相位移為π/2。在光波波段的實(shí)施例和制造波型空間濾波器的原理發(fā)表在N.S.Kapany等人于1980年美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)期刊N°60，N°9的著作中。“Fiber eptica Ⅻ A technique for.launehina an arlitrary mede On oftieal die-leetrie waveguide”，P.1182。
此外，三維外殼狀態(tài)檢測(cè)裝置還包括視屏終端裝置17，用以顯示三維外殼表面幾何形狀和所獲得的該外殼的應(yīng)變狀態(tài)特性，它的輸入端與信息模擬處理部分8的輸出端電耦合。
調(diào)制波能源7包括振蕩器18，其輸出端與空間濾波器9的輸入端連接;和調(diào)制器19，它的輸出端與振蕩器18的輸入端相連接。
作為調(diào)制波能源7，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的物理場(chǎng)振蕩器-萊塞(激光發(fā)生器);CB
振蕩器(超高頻);彈性振動(dòng)發(fā)生器。
信息模擬處理部分8包括同步檢波器20、21，它們的第一輸入端分別與空間濾波器13的輸出端15、16連接;積分器22;運(yùn)算放大器23，它的第一輸入端與積分器22的輸出端相連，而運(yùn)算放大器23的輸出端則與視屏終端裝置17的輸入端電耦合，積分器22的輸入端與同步檢波器21的輸出端相連，運(yùn)算放大器23的第二輸入端與同步檢波器20的輸出端連接;和差頻振蕩器24，它的輸出端與同步檢波器20、21的第二輸入端連接。
檢測(cè)長(zhǎng)度方向量度的結(jié)構(gòu)的狀態(tài)的裝置包括定向耦合器25，用來(lái)使差頻振蕩器24同步。定向耦合器25的輸出端與差頻振蕩器24的輸入端連接?？臻g濾波器13與同步檢波器20、21的每一條連接線都包有接地的屏蔽套26。
檢測(cè)長(zhǎng)度方向量度的結(jié)構(gòu)的狀態(tài)的裝置還包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27，它的輸入端與信息模擬處理部分8的輸出端連接;微處理機(jī)28，它的輸入端與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27的輸出端連接，而28的輸出端連接在視屏終端裝置17的輸入端。
檢測(cè)三維外殼狀態(tài)的裝置按下列方式運(yùn)行。在所述的實(shí)施例中，作為表征三維外殼1(圖4)的狀態(tài)的被檢測(cè)參量，是選用沿給定弧線坐標(biāo)S變號(hào)的外殼1的表面曲率分布。波能傳輸延伸線路4與三維外殼1緊緊地固定在一起，當(dāng)三維外殼1的表面變形時(shí)，在上述線中便產(chǎn)生有規(guī)律的波動(dòng)過(guò)程的擾動(dòng)。
開(kāi)始檢測(cè)時(shí)，調(diào)制器19產(chǎn)生連續(xù)脈沖，對(duì)振蕩器18的振蕩進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制脈沖寬度和周期，由所要求的檢測(cè)參量-檢測(cè)的靜態(tài)范圍及其分辨率、以及波能傳輸延伸線4的參量來(lái)決定。在振蕩器18的輸出端形成相干振蕩脈沖序列，例如超高頻電磁場(chǎng)的脈沖序列。該相干振蕩序列到達(dá)空間濾波器9的輸入端。在該濾波器9中，對(duì)超高頻場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)這樣進(jìn)行變換，以便在連接部分12處該結(jié)構(gòu)能適合于延伸線4中分出來(lái)的基準(zhǔn)波道中的流行波型場(chǎng)所要求的結(jié)構(gòu)。因此，形成了基準(zhǔn)信號(hào)，并進(jìn)入線4內(nèi)。該信號(hào)沿基準(zhǔn)波道傳輸，在波能傳輸延伸線4彎曲的地方，便在測(cè)量波道中引起脈沖，該脈沖構(gòu)成測(cè)量信號(hào)，并與基準(zhǔn)信號(hào)相干。這些脈沖以不同于基準(zhǔn)信號(hào)傳輸速度的速度沿測(cè)量波道傳輸。
基準(zhǔn)信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的超高頻流行波型場(chǎng)經(jīng)過(guò)連接部分14后，借助于濾波器13，在空間分離開(kāi)，并到達(dá)該濾波器的波能場(chǎng)輸出端15、16。這兩個(gè)輸出端15、16與信息模擬處理部分8的輸入端連接。因此，測(cè)量信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)入部分8。然后測(cè)量信號(hào)到達(dá)同步檢波器20的第一輸入端，而基準(zhǔn)信號(hào)則到達(dá)定向耦合器25的輸入端，該定向耦合器將基準(zhǔn)信號(hào)的一小部分能量分出來(lái)，用于差頻振蕩器24的同步。能量的剩余部分傳輸?shù)酵綑z波器21的第一輸入端。與此同時(shí)，差頻振蕩器24的信號(hào)以與超高頻場(chǎng)的基準(zhǔn)信號(hào)相干的形式到達(dá)同步檢波器20、21的各第二輸入端，從而實(shí)現(xiàn)超高頻場(chǎng)的同步檢波(保持測(cè)量信號(hào)的超高頻脈沖包絡(luò)的符號(hào)不變)。因此在同步檢波器20、21各自的輸出端出現(xiàn)電信號(hào)。而且同步檢波器21的輸出端上的信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的包絡(luò)成比例，而同步檢波器20的輸出端上的信號(hào)則與測(cè)量信號(hào)包絡(luò)成比例，考慮到信號(hào)包絡(luò)的符號(hào)，該測(cè)量信號(hào)本身就是三維外殼1的表面沿給定坐標(biāo)S的曲率增量分布的反映。
基準(zhǔn)電信號(hào)脈沖從同步檢波器21的輸出端到達(dá)積分器22的輸入端，在該積分器的輸出端形成電信號(hào)，該電信號(hào)與輸入的脈沖信號(hào)的振幅一致。積分振幅信號(hào)從積分器22到達(dá)運(yùn)算放大器23的第一輸入端。來(lái)自同步檢波器20的輸出端的信號(hào)到達(dá)運(yùn)算放大器23的第二輸入端。電信號(hào)從運(yùn)算放大器23的輸出端消失，所消失的電信號(hào)的量值僅僅取決于三維外殼1的表面曲率增量的積分值，與空間濾波器9的輸入端10上的基準(zhǔn)信號(hào)值和空間濾波器13的輸出端16上的基準(zhǔn)信號(hào)值無(wú)關(guān)。對(duì)應(yīng)于三維外殼1的表面沿波能傳輸延伸線4的曲率分布的電信號(hào)、也是信息模擬處理部分8的輸出信號(hào)，從運(yùn)算放大器23的輸出端出來(lái)，借助于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27，轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼，并到達(dá)微處理機(jī)28的輸入端。對(duì)于三維外殼1的每一塊被劃分出來(lái)的部分2來(lái)說(shuō)，其面積△Pij(圖2)選取得小于或等于給定的檢測(cè)三維外殼狀態(tài)的分辨率的面積，根據(jù)沿周長(zhǎng)測(cè)得的曲率分布K(S)，確定兩個(gè)主曲率作為初始值，例如三維外殼1的不發(fā)生應(yīng)變的狀態(tài)。對(duì)于由三維外殼上每一塊被劃分出來(lái)的部分2的兩個(gè)對(duì)應(yīng)于三維外殼1的初始狀態(tài)的主曲率值取值的結(jié)構(gòu)被記錄在微處理機(jī)28的存儲(chǔ)器中。接著確定已經(jīng)加了負(fù)載的三維外殼1的每一塊被劃分出來(lái)的部分2的兩個(gè)主曲率的變化值。然后在微處理機(jī)28中，所獲得的該外殼1的加了負(fù)載以后的狀態(tài)的結(jié)構(gòu)同三維外殼1的初始狀態(tài)的主曲率的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。根據(jù)結(jié)構(gòu)比較的結(jié)果，找出在確定三維外殼1的表面幾何形狀時(shí)所需要的每一部分的積分特性，從而確定其應(yīng)變狀態(tài)。這些特性來(lái)自微處理機(jī)28的輸出端的以數(shù)字的形式或曲線圖的形式所表示的特性顯示在視屏終端裝置17上。
劃分三維外殼1上的部分2(圖1、2)的程序，可用在該外殼1的表面上選擇帶有四個(gè)接頭區(qū)3的矩形部分2來(lái)說(shuō)明。矩形部分2的面積△Pij(圖2)由下面的表達(dá)式確定△Pij＝△l1·△l2式中△l1＝li+1，j-li，j＝li，j+1-li+1，j+1;
△l2＝li+1，j+1-li+1，j＝li，j-li，j+1這里的li，j、li+1，j、li，j+1、li+1，j+1是接頭區(qū)3的中心的帶腳注的坐標(biāo)。
對(duì)于部分2根據(jù)波能傳輸延伸線4沿給定坐標(biāo)S的曲率值K(S)，由下列公式確定該部分2的基本的積分特性-部分2表面的兩個(gè)主曲率值
和
式中S-給定坐標(biāo)值，沿波能傳輸延伸線4的縱軸取得的讀數(shù)K2(S)、
(S)、K2(S)、
(S)-根據(jù)與該線4的縱軸S相交的部分2表面上的法線測(cè)得的曲率分布;以上是對(duì)部分2的周長(zhǎng)處而言的。
所劃分的部分2的面積△Pij應(yīng)等于或小于檢測(cè)三維外殼1的狀態(tài)所給定的分辨率的面積。這樣的檢測(cè)方法由對(duì)實(shí)際對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)際要求來(lái)決定，并且對(duì)于以其表面的面積大小為特征的三維外殼來(lái)說(shuō)，這種檢測(cè)方法適合于給定的最小檢測(cè)面積的要求。
在確定了三維外殼1的初始(未變形)狀態(tài)下的部分2的表面的兩個(gè)主曲率的初始值
1ij和
2ij，以及接著確定了同一個(gè)部分2的兩個(gè)主曲率的變化值
1ij和
2ij之后，根據(jù)薄殼力學(xué)中通用的關(guān)系式，很容易確定其它的重要積分特性-在法線n(圖2)的方向上，部分2的表面的相對(duì)形變?chǔ)?δZ＝(
1ij-
1ij)△+l2+(
2ij-
2ij)△l2根據(jù)部分2的表面的兩個(gè)主曲率，再按照微分幾何中的已知公式，確定法線
相對(duì)于三維外殼1的初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的初始方向的傾斜角，該傾斜角表示三維外殼1的部分2的表面扭轉(zhuǎn)特性，同時(shí)表示由于受拉伸或壓縮作用，該部分2的面積△Pij的變化情況。
因此，當(dāng)實(shí)施上述的操作順序，即劃分部分2，獲取它的基本的積分特性時(shí)，信號(hào)隨數(shù)字碼從模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27(圖4)的輸出端出來(lái)，借助于微處理機(jī)28，在找到和記下初始值之后，確定三維外殼1上每一塊被劃分出來(lái)的部分2的兩個(gè)主曲率的變化值，從而確定三維外殼1上每一部分2的表面幾何形狀。在微處理機(jī)28中，根據(jù)所獲得的結(jié)構(gòu)，把有關(guān)每一個(gè)部分2的信息結(jié)合起來(lái)之后，利用薄殼力學(xué)中慣用的關(guān)系式，分析三維外殼1的應(yīng)變狀態(tài)。借助于視屏終端裝置17顯示出來(lái)的分析結(jié)果，可以用來(lái)預(yù)防事故的發(fā)生和預(yù)測(cè)三維外殼1的狀態(tài)。
因此，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維外殼進(jìn)行高精度的檢測(cè)，并極充分地給出每一個(gè)劃分出來(lái)的部分的基本積分特性，以及它們的隨后可用來(lái)分析和顯示三維外殼的全部表面的狀態(tài)特性的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種檢測(cè)三維外殼的狀態(tài)的方法在于選擇波能傳輸延伸線(4)，該線能保證在其中傳輸具有已知的物理場(chǎng)的時(shí)-空結(jié)構(gòu)的流行波型信號(hào)，把所選擇的波能傳輸延伸線(4)沿結(jié)定的坐標(biāo)S設(shè)置在三維外殼(1)的表面上，在波能傳輸延伸線(4)中，分出至少一條基準(zhǔn)波道和至少一條測(cè)量波道，在其中的每一條波道中，都有已知的流行波型相速延遲，保證沿波能傳輸延伸線(4)，至少一條基準(zhǔn)波道的流行波型場(chǎng)和至少一條測(cè)量波道的流行波型場(chǎng)，根據(jù)三維外殼(1)的表面幾何形狀的變化，而產(chǎn)生定向的相互作用，以便在測(cè)量波道中獲得這樣一種信號(hào)，它在基準(zhǔn)波道傳輸過(guò)程中隨著三維外殼(1)的表面幾何形狀的變化而變化，該信號(hào)表征這個(gè)外殼(1)的狀態(tài)，形成物理場(chǎng)的振蕩作為按時(shí)間調(diào)制的基準(zhǔn)信號(hào)，并將這些振蕩變換成具有給定的流行波型場(chǎng)的時(shí)一空結(jié)構(gòu)的信號(hào)，在波能傳輸延伸線(4)中的至少一條基準(zhǔn)波道的輸出端和至少一條測(cè)量波道的輸出端，將流行波型場(chǎng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，這些電信號(hào)僅僅與時(shí)間有關(guān)，在基準(zhǔn)波道的輸出端，分出電信號(hào)的振幅，在測(cè)量波道的輸出端，按照與基準(zhǔn)波道的輸出端的電信號(hào)的峰值成反比關(guān)系放大電信號(hào)，利用線性比例變換，它把波能傳輸延伸線(4)中的基準(zhǔn)波道和測(cè)量波道這兩個(gè)波道中的流行波型相速延遲的差值、檢測(cè)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間和沿波能傳輸延伸線(4)的給定坐標(biāo)值的讀數(shù)聯(lián)系起來(lái)，然后確定三維外殼(1)的表面幾何形狀，該檢測(cè)方法的特征為給定按照三維外殼(1)的表面面積進(jìn)行檢測(cè)所要求的分辨率，將三維外殼(1)的表面劃分成任意形狀的多個(gè)部分(2)，其中每一部分的面積小于或等于檢測(cè)三維外殼(1)淖刺ǖ姆直媛實(shí)拿婊?，斑d直鶘柚迷諶飪 1)的表面上的波能傳輸延伸線(4)沿著全部劃分好的各部分(2)的周長(zhǎng)鋪設(shè)好，并沿這些劃分好的各部分(2)的周長(zhǎng)，將所述線(4)固定在三維外殼(1)的表面上，保證沿波能傳輸延伸線(4)，至少一條基準(zhǔn)波道和至少一條測(cè)量波道的流行波型場(chǎng)根據(jù)波能傳輸延伸線(4)的縱軸(5)的曲率值的大小而產(chǎn)生定向相互作用，沿給定坐標(biāo)(S)，確定三維外殼(1)的表面在與波能傳輸延伸線(4)的縱軸(5)相交的該表面的法線方向上的曲率值，并且根據(jù)所獲得的三維外殼(1)的表面的這些曲率值，找出并記下每一個(gè)被劃分好的部分(2)的兩個(gè)主曲率的初始值
，這些初始值對(duì)應(yīng)于三維外殼(1)的起始狀態(tài)，然后著于確定每一部分(2)的兩個(gè)主曲率的變化值K1ij、
，并并將這些主曲率的變化值
同記下來(lái)的主曲率的切始值
進(jìn)行比較，在確定三維外殼(1)的表面幾何形狀時(shí)，找到每一部分(2)的積分特性。
全文摘要
三維外殼的狀態(tài)的檢測(cè)方法歸結(jié)為用波能傳輸延伸線4作為配置的敏感元件和傳輸有關(guān)三維外殼1的表面幾何形狀變化信息的波道。把外殼1的表面劃分成任意形狀的部分2，使其面積小于或等于給定的檢測(cè)分辨率的面積，沿所劃分的部分2的周長(zhǎng)設(shè)置并固定波能傳輸延伸線4，利用表面曲率分布沿該線路4的軸5的變化，獲得每一劃分部分2的表面的兩個(gè)主曲率值。分析主曲率的變化，確定外殼1的應(yīng)變狀態(tài)特性。
文檔編號(hào)G01B11/16GK1033101SQ8810744
公開(kāi)日1989年5月24日 申請(qǐng)日期1988年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月30日
發(fā)明者謝爾蓋·米哈洛維奇·米耶夫, 瓦列里·尼古拉維奇·澤米洛夫, 皮特·瓦西里維奇·埃謝斯蓋 申請(qǐng)人:中央地質(zhì)研究院有色金屬及貴重金屬研究所