專利名稱：電子式射線片三維檢測儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電子式射線片三維檢測儀。
在現有技術中，用射線檢測物體內部缺陷所用的方法基本上是采用機械式方法對三維射線片進行三維測量。如CN6575號所公布的，根據體視再現效應的光學原形畢露理，利用被測物體的一對X-射線相片量測物體內部特征的位置。
本實用新型的目的在于提供一種以多個傳感器轉換機械移動信號，再以數據處理器接收由傳感器所測量的數據，精確計算物體內部特征或缺陷位置的電子式射線片三維檢測儀。
為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案為在具有左、右兩個射線底片盤(12)、(14)，用以顯示或懸掛被測物的一對相片；底片盤中設有光源；所述左右兩個射線底片盤由兩個支柱(20)、(22)支撐，并安裝在一個沿底座橫向滑動的滑床之上，此滑床稱為主要滑床(30)；兩個射線底片盤中，有一個射線底片盤是固定在一個可沿主要滑床橫向滑動的次要滑床(28)上；該支柱(20)可以是固定在次要滑床(28)或屬于次要滑床(28)的一部分；支柱(22)則是固定在主要滑床(30)或屬于主要滑床(30)的一部分；由導軌(24)、(26)形成一個溝槽，次要滑床(28)可在其中滑動，該滑動可由人力轉動或其它動力機械裝置驅動；主要滑床(30)也有類似的驅動機構(38)、(40)，可同時移動左右兩個射線底片盤；該套機構被固定在一個射線底片盤底座(42)上；在左右兩個射線底片盤附近，各設有一個縱跨底片盤的測標線，該測標線不隨底片盤移動；在底片盤附近，設有一個能雙眼分別觀察底片影像的光學裝置，該光學裝置安裝在一個縱向滑軌上，該滑軌固定在一個支架上；其特征在于所述主要滑床附帶有一個位移傳感器，用以測量主要滑床的滑動距離；所述次要滑床附帶有至少一個位移傳感器，同樣用以測量該次要滑床在主要滑床上做相對運動的滑動距離；所述的主要滑床和次要滑床上的位移傳感器的輸出端與一個數據處理器相連接。
所述位移傳感器可采用線性可變微分變壓器，其內部主要含有核心電樞(15b)，連接到推拉桿(15a)，推拉桿與滑床運動體相連接并隨之而動，外殼(11)可連接到相應固定不動的部件上，可以是滑床的底座。
所述位移傳感器可采用光編碼器，將發光二極管和光電晶體管分別固定在滑床的固定部件上，將主標尺及一個副標尺固定于滑床的運動部件上，使主標尺及副標尺位于發光二極管和光電晶體管之間；所述主標尺及副標尺上有標尺參考點標志。
所述位移傳感器可以由激光測距器或光纖測距器組成。
在兩個底片盤中，設有一個可進行縱橫兩個方向測量的滑尺或位移傳感器，并與數據處理器相連接。
在主要滑床和次要滑檔上另外設有一個游標測量器或螺旋測量器。
所述底片盤及光學裝置為直立式；該檢測儀整體結構可設在一個可以調整高度的直立支架上。
底片盤周圍可在適當位置安置磁性材料，用以吸附用于壓片的鐵片。
本實用新型與傳統的裝置相比，具有如下優點1.傳統裝置完全依賴觀察者對于千分尺(螺旋測量器)上刻度值主觀讀出的數據作為計算基礎，由于各人眼力不同，測量數值有較大的誤差。本實用新型由精密的位移傳感器客觀、精確并迅速量出位移數值。千分尺或游標測量器可用來相互驗證。
2.由位移傳感器傳送的數據可以經由數據處理器同時進行計算，在觀察測量結束后，缺陷(X、Y、Z)坐標值也瞬時算出并顯示，可免去在觀察后再計算的繁瑣手續。醫生可爭取時間作較為迅速的應變措施。
3.直立式裝置較合乎人體工學原理，并合乎觀察者習慣。
圖面說明
圖1本實用新型的主要結構圖。
圖2光學系統內部的光路徑圖。
圖3拍攝時，鉛標記點G和特征點A及其像點的關系示意圖，拍攝第一張底片后，X射線源由S1移到S2再拍一張。
圖4X射線源保持不動，第二張底片的位置像由第一張底片位置向右移動一定距離后確定。
圖5拍攝時，鉛標記點G，K和特征點A及其像點的關系示意圖。此圖用以推導深度距離Z的公式。
圖6拍攝時，鉛標記點G和特征點A及其像點的關系示意圖。此圖用以推導橫向距離X的公式。
圖7拍攝時，鉛標記點G和特征點A及其像點的關系示意圖。此圖用以推導縱向距離Y的公式。
圖8測量深度距離Z公式的流程圖。
圖9線性可變微分變壓器(LVDT)作為位移傳感器的原理示意圖。
圖10光電編碼器作為位移傳感器的原理示意圖。
本實用新型的解決方案如下參見圖1具有左右兩個射線底片盤12，14，用以顯示或懸掛被測物的一對相片。底片盤中設有光源。
在兩個射線底片盤附近，各設有一個縱跨底片盤的測標線16，18，該測標線固定在底座42，不隨底片盤移動，作為測量底片盤位移距離的參考線。該兩測標線16，18亦可分別垂直掛在物鏡保護外殼44，46上。
左右兩個射線底片盤由兩個支柱20，22支撐住，并安裝在一個沿底座橫向滑動的滑床之上，此滑床稱為主要滑床30。
兩個射線底片盤中，有一個射線底片盤是固定在一個可沿主要滑床橫向滑動的次要滑床28上。(圖1顯示的是左射線底片盤，但它也可以是右射線底片盤。)該支柱20可以是固定在次要滑床28或屬于次要滑床28的一部份。支柱22則是固定在主要滑床30或屬于主要滑床30的一部份。
導軌24，26形成一個溝槽，次要滑床28可在其中滑動，該滑動可由某種驅動機構驅動。圖1顯示的驅動機構是螺紋軸32，軸承33，螺旋測量計(又稱千分尺)34，和旋轉把手36。轉動旋轉把手可推動次要滑床28前進或后退(即左右橫向移動)。旋轉把手由人力轉動或由其它動力機械驅動，例如電動機械，油壓活塞，氣壓，電螺線管，步進電機等。次要滑床上附有位移傳感器(例如光電編碼器)的一部份47，傳感器的另一相對部分48固定在導軌26上。
主要滑床30也有類似的驅動機構38，40，可同時移動左右兩個射線底片盤，并附帶有相似的位移傳感器37，39；此外尚可另外配備一個游標測量器或千分尺，用以測量主要滑床的滑動距離。次要滑床只移動一個射線底片盤。左右兩個驅動機構不一定要一樣。這整套機構坐落在一個射線底片盤底座42上。圖1只顯示一種可行的滑床，但任何可作線性移動的機構都可使用。
位移傳感器被用以測量主要滑床和次要滑床的滑動距離，有很多種不同的儀表器件可用以測量移動距離，例如光電編碼器，激光測距器(Laser Dispacement Meter)，光纖測距器，線性可變微分變壓器(Linear variable Differential Transformer，LVDT)等。使用其它的滑床驅動機構或距離測量機構可視為本實用新型的簡易變化。
位移傳感器可將機械式的位移信號轉換為類比或數值(數位式)電子信號。這種位移傳感器常見于物理測量上。例如線性可變微分變壓器(LVDT)。類比電子信號還可更進一步轉換為數位式電子信號，該數位式電子信號可直接由數位顯示器顯示。例如液晶顯示器。該數位式電子信號也可由電子計算機49直接或間接接收，由電子計算機計算出底片盤位移距離和代測物體內部特征的坐標位置。
必須特別申明的是，位移傳感器系本實用新型必要的一部分，至少要有兩套，一套用在主要滑床，另一套用在次要滑床。額外的第三套可用在光學觀察系統，以便測量物鏡(在保護套44及46內)上下滑動時的距離(上下滑動為坐標上的Y方向)。第一套及第二套所得出的位移數據是數據處理器43所必須獲得的數據，該數據可用來自動計算結構或人體特征(或缺陷)的深度(Z坐標值)，同樣的數據也可用來計算出橫向(左右)位置(X坐標值)，但X坐標值及Y坐標值皆可由底片盤上的縱橫刻度尺上讀出。在本實用新型所提出的裝置，千分尺或游標測微器并非必要零組件，但分別在主要滑床及次要滑床上各設有千分尺或測微器比較有利，它們可用來核對由位移傳感器所重得的數據，當位移傳感器偶爾出故障時可以取代該傳感器以提供必要的位移數據。
本實用新型具有一個光學觀察系統，可以觀察左右兩個射線底片盤12，14中的射線片。參考圖1該光學觀察系統位于保護盒44，46，48中。盒中的鏡片和透鏡可將兩個射線底片盤射出的光線導人一個可調望遠鏡50的兩個目鏡52，54，目鏡52，54分別由觀測者的左眼及右眼觀察。該光學觀察系統提供兩個分別的光學路徑，以達到體視再現的效果用右眼觀察由右眼角度拍攝的射線底片，用左眼觀察由左眼角度拍攝的射線底片。
參考圖2兩個射線底片的影像3a，3b，借助鏡片4a，4b和菱鏡5a，5b的反射，再透過目鏡52，54(圖1)內的透鏡6a，6b(圖2)，到達觀察者的雙眼。
該光學觀察系統的底座56有調整高度的機構(螺桿57a，57b及轉輪5a)，任何可滑動的固定裝置，滾珠軸承螺絲，鏈條輪，都可用來使光學觀察系統升高或降低。該光學觀察系統底座56和射線底片盤底座42由一個底座62聯接在一起。(圖1中，底座42和62被畫成分開，事實上兩者十分接近，或是聯結起來的)。
參考圖3-8說明本實用新型的三維檢測原理在拍攝相片或產生射線影像之前，要設置相片定向標記和測量參考點。參考點是根據測量要求而定。如要測出物件表面到內部特征點的垂直深度，則應在物件表面設置一個鉛標記點，拍攝的基本方法參見圖3。底片P1放在物件之后，射線源置于S1處，以焦距F拍攝第一次。在底片P1上得到鉛標記點G的像點g1和特征點A的像點a1，射線源移動一個距離B后，置于S2處，以焦距F拍攝第二次。在底片P2上得到鉛標記點G的像點g2和特征點A的像點a2。如果射線源不動，物件移動一個距離B，其它參數不變，可以得到同樣結果的相片，參見圖4。
參見圖3可推導出鉛標記點G到特征點A的深度公式設ZGA是G點到A點的垂直距離。h是物件的厚度。H＝F-h因ΔS1AS2～Δa1Aa2故a1a2/B＝(h-ZGA)/(H+ZGA)則ZGA＝(B×h-a1a2×h)/(B+a1a2)(a)因ΔS1GS2～Δg1Gg2故g1g2/B＝h/H則h＝g1g2×H/B(b)ZGA＝H(g1g2-a1a2)/(B+a1a2)＝(H×(g1g2-a1a2)/B〕×(1+a1a2/B)-1(c)在射線拍攝中，ZGA＜＜H，a1a2＜＜B，所以(C)式可簡化為ZGA＝H(g1g2-a1a2)/B(d)上式中，H和B是在拍攝時可確定的參數，(g1g2-a1a2)是能在儀器上透過觀測底片P1，P2測量出的參數。因此，只要在儀器上測出(g1g2-a1a2)，便可計算出ZGA的具體值。
測量(g1g2-a1a2)的方法如下參見圖8，步驟1根據相片的定向標記正確放置底片P1，P2。
步驟2移動主要滑床30，右眼單眼觀察，使右測標線18對準右標記像點g2。
步驟3移動次要滑床28，左眼單眼觀察，使左測標線16對準左標記像點g1。然后雙眼觀察，微微移動次要滑床28，使測標線的深度和鉛標記點G平齊。記下次要滑床28的移動距離(g1、g2)。
步驟4移動主要滑床30，右眼單眼觀察，使右測標線18對準右像點a2。
步驟5移動次要滑床28，左眼單眼觀察，使左測標線16對準左像點a1。然后雙眼觀察，微微移動次要滑床28，使測標線的深度和特征點A平齊。記下次要滑床28的移動距離(a1a2)。
步驟6計算出(g1g2-a1a2)在射線拍攝中，焦距F是一個不可能精確測量的攝影參數，從而使H＝F-h也不可能很能很精確，因此ZGA就存在著較大的誤差。為了避免此可能的誤差，可在物件下表面再設一個鉛標記點K。參見圖4，可推導出ZGA的另一公式由(b)式導出H＝B×h/(g1g2-a1a2)將結果代入(c)式導出故ZGA＝h×(g1g2-a1a2)/(g1g2)又設a1a2＝(Ka1-Ka2)；g1g2＝(Kg1-Kg2)故ZGA＝h×(1-(Ka1-Ka2)/(Kg1-Kg2)〕式中h是一個可以準確測量的參數，(Ka1-Ka2)和(Kg1-Kg2)是可以在本儀器準確測量的參數，其測量方法如(g1g2-a1a2)，這樣可以大幅提高ZGA的測量精度。
根據圖6可推導出鉛標記點G到特征點A的橫向距離參見圖6，先作射線源S1S2到焦片P的垂直線，然后設XGA為G點到A點的橫向距離，Xg為g1點到垂直線的距離；XA為A點到垂直線的距離；Xa為a1點到垂直線的距離；Xg為g1點到垂直線的距離；因tgΘ＝XG/H＝Xg/F故XG＝(Xg×H)/F；及Xg＝(XG×F)/H又因tgΦ＝XA/(H+ZGA)＝Xa/F故XA＝〔Xa×(H+ZGA)〕/F；及Xa＝(F×XA)/(H+ZGA)；
又設像點g1到像點g2的橫向距離為ΔXag則ΔXag＝Xg-Xa將前述Xa式和Xg式代入上式，則ΔXag＝(F×XG/H〕/F-((F×XA)/(H+ZGA)〕；XA＝(H+ZGA)×〔F×XG-H×ΔXga〕/〔F×H〕又因XGA＝XG-XA，且拍攝時保證XG＝B/2，則上式等號兩邊都減去XG＝B/2，得出XGA＝(B/2)-〔(H+ZGA)×〔(F×B/2)-(H×ΔXga)〕/〔F×H〕〕式中，ΔXga是未知量，可利用本儀器直接測量后，代入XGA式算出具體值。
利用相同原理，根據圖6可推導出鉛標記點G到特征點A的縱向距離YGA，即采用相同的方法，先導出YA＝〔F×YG×(H+ZGA)-(H×(H+ZGA)×ΔYga)〕/〔F×H〕)然后在等式兩邊同時減去YG，則可得YGA＝〔ΔYga×(H+ZGA)/F〕-(YG×ZGA/H〕在實際測量中，ZGA＜＜H，故可省略第二項而得到YGA＝〔ΔYga×〔H+ZGA)/F〕本儀器可測量ΔYga，并將該值代入YGA式則可算出YGA的具體數值。
在XGA和YGA式中仍存在著無法精確測量的F和H，為了避免這些測量誤差，由(b)式h＝g1g2×H/B；又g1g2＝(Kg1-Kg2)故H＝h×B/(Kg1-Kg2)；F＝H+h＝h〔1+B/(Kg1-Kg2)〕本儀器可精確測量(Kg1-Kg2)，其測量方法與測量(g1g2-a1a2)方法相似，參見前述步驟1至步驟6，使用本法可避免使用無法精確測量的F和H。
下面根據實施例詳細說明本儀器的結構。參見圖1該儀器具有一個底座42，在底座上設有主要滑床30及主要滑床的驅動機構38，40，該主要滑床設有位移傳感器37，39并附帶有螺旋測量計38。在主要滑床上設有次要滑床28和該次要滑床的驅動機構24，36。該次要滑床設有位移傳感器45，47并附帶有螺旋測微計34。在主要滑床上和次要滑床上分別固寬了左右兩個射結底片盤12，14，底片盤中設有光源。在左右兩個射線底片盤附近，各設有一個測標線，在底片盤附近，設有光學系統，該光學系統安裝在一個縱向滑軌上，該滑軌固定在一個支架上。在傳感器附近設有數據處理器。兩個射結底片的影像，借助鏡片4a，4b和菱鏡5a，5b的反射，再透過目鏡52，54內的透鏡6a，6b，到達觀事者的雙眼，光學觀察系統的底座56有滾珠軸承螺絲用以調整高度。由于主要滑床可在橫向左右移動，光學觀察系統可上下調整高度，所以相片盒上的每一個位置都可以被觀察到。
線性可變微分變壓器(LVDT)系極為通用的位移傳感器，其結構(見圖9)內部主要含有核心電樞(Armature)15b，連接到推拉桿15a(Push Rod)，推拉桿與運動物體(例如主要滑床30，參見圖1)相連接并隨之而動，LVDT的外殼11則可連接到相應的固定不動的零組件上(例如主滑床的底座42)，外殼11之內包有三個感應線圈主線圈、次線圈一及次線圈二。由外界所提供的工作電壓(一般在0.5V到5V之閣，頻率1千至3萬Hz之間)傳送到主線圈上，由核心電樞感應到次線圈一及次線圈二上，當核心電樞15b在中央位置，次線圈一及次線圈二將有等量的感應電壓，但該對次線圈系反向相接，因此其輸出電壓總和為零(相互抵消)，當電樞15b移動進入次線圈一(離開次線圈二)，則次線圈一將有較強的感應信號，其輸出的信號包含波形及相差，與位移的大小及方向有直接關系，可據以求出位移數據，該數據并可傳送到數據她理器43，并可直接或間接傳送到電腦49(圖1)。
另一種方便有效的位移傳感器為光電編碼器(Optical Encoder)，其原理參見圖10。該圖僅用以顯示各種可行的光電編碼器的其中一種，圖10所示的位移傳感器在數控銑床上非常通用。該編碼器含有一個發光二極管55(LED)及相應配套的光電晶體管61(Phototransistor或光電檢波器)，在發光二極管及光電晶體管之間有個主標尺51及一個副標尺53或稱指數標尺(lndex Scale)，主標尺及副標尺上刻劃有標尺參考點標志63。當主標尺51相對于副標尺53移動時，穿透副標尺光柵(Gratings)的光強度的變化周期與光柵間距相同，光強度變化可由光電晶體管轉化成電子信號，并以兩相輸出(A相及B相)，兩相輸出波形間相差為90度，這些輸出信號侍送到數據處理器43(圖1)中以便計算并顯示位移方向及大小。
由于外科醫生習慣于站著觀察懸掛在墻上的X射卸底片，我們認為將底片盤及整個裝置豎立起來較合乎醫生習慣，整個儀器可以安裝在一個直立式并可調節上下高度的架子上比較有利。
底片盤周圍可在適當位置安置磁性材料(例如永久磁鐵)，用以吸附鏡片，鏡片可幫忙把底片壓在底片盤上；其他安裝或吸附底片的方法也可以使用，但使用鏡片及永久磁鐵相當方便。
底片盤周圍也可附有橫向及縱向標尺，便利測量材料特征的X及Y坐標值，該值可與經由位移傳感器所測得的數據互相比較并驗證。
權利要求1.一種電子式射線片三維檢測儀，它具有左右兩個射線底片盤(12)、(14)，用以顯示或懸掛被測物的一對相片；底片盤中設有光源；所述左右兩個射線底片盤由兩個支柱(20)、(22)支撐，并安裝在一個沿底座橫向滑動的滑床之上，此滑床稱為主要滑床(30)；兩個射線底片盤中，有一個射線底片盤是固定在一個可沿主要滑床橫向滑動的次要滑床(28)上；該支柱(20)可以是固定在次要滑床(28)或屬于次要滑床(28)的一部分；支柱(22)則是固定在主要滑床(30)或屬于主要滑床(30)的一部分；由導軌(24)、(26)形成一個溝槽，次要滑床(28)可在其中滑動，該滑動可由人力轉動或其它動力機械裝置驅動；主要滑床(30)也有類似的驅動機構(38)、(40)，可同時移動左右兩個射線底片盤；該套機構被固定在一個射線底片盤底座(42)上；在左右兩個射線底片盤附近，各設有一個縱跨底片盤的測標線，該測標線不隨底片盤移動；在底片盤附近，設有一個能雙眼分別觀察底片影像的光學裝置，該光學裝置安裝在一個縱向滑軌上，該滑軌固定在一個支架上；其特征在于在所述主要滑床附帶有一個測量主要滑床的滑動距離位移傳感器，所述次要滑床的固定部件和運動部件上安裝至少一個用以測量該次要滑床在主要滑床上做相對運動的滑動距離的位移傳感器，所述的主要滑床和次要滑床上的位移傳感器的輸出端與一個數據處理器相連接。
2.如權利要求1所述的一種電子式射線片三維檢測儀，其特征在于所述位移傳感器可采用線性可變微分變壓器，其內部主要含有核心電樞(15b)，連接到推拉桿(15a)，推拉桿與滑床運動體相連接并隨之而動，外殼(11)可連接到相應的固定不動的部件上，可以是滑床的底座。
3.如權利要求1所述的一種電子式射線片三維檢測儀，其特征在于所述位移傳感器可采用光編碼器，將光二極管和光電晶體管管分別固定在滑床的固定部件上，將主標尺及一個副標尺固定于滑床的運動部件上，使主標尺及副標尺位于發光二極管和光電晶體管之間；所述主標尺及副標尺上有標尺參考點標志。
4.如權利要求2所述的一種電子式射線片三維檢測儀，其特征在于所述位移傳感器可以由激光距器或光纖測距器組成。
5.如權利要求1所述的一種電子式射線片三維檢測儀，其特征在于在兩個底片盤中，設有一個可進行縱橫兩個方向測量的滑尺或位移傳感器，并與數據處理器相連接。
6.如權利要求1所述的一種電子式射線片三維檢測儀，其特征在于在主要滑床和次要滑檔上另外設有一個游標測量器或螺旋測量器。
7.如權利要求1所述的一種電子式射線片三維檢測儀，其特征在于所述底片盤及光學裝置為直立式；該檢測儀整體結構可設在一個可以調整高度的直立支架上。
8.如權利要求1所述的一種電子式射線片三維檢測儀，其特征在于底片盤周圍可在適當位置安置用以吸附用于壓片的鐵片磁性材料。
專利摘要本實用新型公布了一種電子式射線片三維檢測儀。該檢測儀由射線底片盤、主、次要滑床、底座和一個能雙眼分別觀察底片影像的光學裝置組成。其特征在于:主要滑床和次要滑床上各附帶有至少一個位移傳感器。該檢測儀根據體視再現效應光學原理,利用被測物的一對相片在左右作相對移動時產生的視差,以多個傳感器測量相片相對位移并使用數據處理器接受由傳感器所測量的位移數據,并計算物體或人體內部特征或缺陷位置。
文檔編號G01N23/18GK2493932SQ0121934
公開日2002年5月29日 申請日期2001年4月12日 優先權日2001年4月12日
發明者黃文強, 張博增 申請人:張湘橋, 黃文強, 張博增