CN118999339A - 一种基于数字孪生的结构曲率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的结构曲率测量系统，包含：放电尖端、边缘网关和物联网平台。放电尖端包含探针、辅助电路和电压采集系统；探针包含圆锥表面和球头表面两种几何外形；辅助电路能够将低压直流电源进行升压，包含反激式电源变压器、开关器件、整流电路和直流电源；开关器件可以控制反激式电源变压器的工作状态；电压采集系统包含采样电路和隔离器件，获取探针的实时电压值；边缘网关可以实现临界放电电压V_c的测量和修正系数k标定；物联网平台可以通过OTA实现模型系数β的更新。整体系统集成了传感器和物联网技术，实现了曲率的测量。

Description

一种基于数字孪生的结构曲率测量系统

技术领域

本发明涉及智能监测装置，具体为一种基于数字孪生的结构曲率测量系统。

背景技术

曲率测量在工业检测、材料科学和微观制造等领域至关重要，直接影响着产品的性能和质量。例如：光学透镜生产制造过程中，表面曲率的微小偏差直接影响了透镜的光学性能和成像质量。目前，激光干涉仪、接触式测头和光学轮廓仪是常用的曲率测量工具，然而这些传统设备在处理复杂表面或微小曲率时，测量精度往往不能满足严格的工业需求，存在明显的局限性，这些局限性不仅影响了测量结果的可靠性，也制约了产品的进一步优化和提升。

目前，市面上公开了一些与曲率测量相关的专利技术，例如：中国专利CN201910760427.4公开了一种光纤曲率测量传感器及其制作方法、测量系统，方案通过计算透射光谱中马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰的波长间隔，实现光纤曲率和温度的测量。然而光纤具有特定的物理尺寸，在微曲率测量领域具有明显的弊端。项目将尖端放电原理应用于曲率测量，通过非接触式的放电过程来精准探测材料表面的曲率变化，该技术克服了传统接触式测量手段的局限性，能够在复杂表面和微观结构上实现高精度测量。通过测量不同曲率下的放电电压，反推出物体表面曲率。

为了解决上述问题，我们研发了一种基于数字孪生的结构曲率测量系统，将传感器技术和物联网技术结合到一起，实现了对复杂表面曲率的高效测量。整体系统不仅显著提升了测量的精度，还极大地增强了工业检测中的灵活性和可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于数字孪生的结构曲率测量系统，其特征在于，主要包含：放电尖端、边缘网关和物联网平台：

所述放电尖端包含探针、辅助电路和电压采集系统；所述探针包含圆锥表面和球 头表面两种几何外形，圆锥外形具有更低的临界放电电压，适合测量大曲率半径的待测表 面，球头探针具备多种规格，曲率半径分别为、......、；所述探针采用不锈钢 材料，具备耐氧化、耐腐蚀特性和良好的导电能力；所述辅助电路能够将低压直流电源进行 升压，包含反激式电源变压器、开关器件、整流电路和直流电源；所述开关器件可以控制变 压器的工作状态，通过 STM32L 单片机驱动；所述电压采集系统包含采样电路和隔离器件， 能够将探针的电压转换为0-5V，后续采用A/D转换芯片进行电压值的测量，最终获取探针的 实时电压值；

所述辅助电路将电源升压后直接驱动探针，使电荷在尖端处聚集并显著增强局部 电场强度；所述电压达到临界放电电压时，周围介质发生电离，系统阻抗产生突变，变压器 输出电压具有明显波动；所述的临界放电电压与待测的表面曲率半径相关，具体的关 系为：

其中指尖端放电的临界电场强度，与介质的种类和压强相关；所述介质种类 表述为空气；是待测表面的曲率半径；是一个修正系数，具体为：

其中是探针的几何形状参数， 是探针与待测件表面的距 离，是探针与待测件的角度；

所述边缘网关具备485接口，能够运行有限元程序代码；所述边缘网关能够与 STM32L 单片机进行双向数据交互，实现临界放电电压的测量和修正系数标定；所述 修正系数标定通过试验和数值仿真相结合的手段，具体的流程为：

S1：试验系统搭建：分别采用圆锥尖端和球头尖端靠近标准曲率半径的金属球，获 取临界放电电压，其中，标准曲率半径的金属球分别为、……、，分别的临 界电压为、……、；

S2：数字孪生模型搭建：通过有限元仿真获取圆锥尖端和球头尖端在不同输入电压时的放电规律，并通过S1获取的实验结果修正有限元的模型参数；

S3：参数获取：通过修改有限元的模型参数，计算模型在不同介质、不同放电尖端、 不同距离和不同曲率半径下的响应规律，共计组；

S4：系统标定：将不同介质、不同放电尖端和不同距离作为自变量，分别为、和，将修正系数作为因变量，使用多项式模型构建自变量和因变量之间的关系， 具体为：

为模型系数；后续对S3获取的组数据进行拟合，建立修正系数预测值跟 实际值之间的误差方程，通过最小二乘法获取最优模型系数，具体为：：

所述物联网平台支持边缘网关的接入，能够实现数据的双向交互；物联网平台能 够将临界放电电压、介质类型、放电尖端几何参数和距离进行 永久化存储，后续能够依据实验数据对模型系数进行修正，并通过 OTA 方式下发给边 缘网关，实现修正系数的迭代；物联网平台具有可视化大屏，能够对边缘网关采集的数据 进行直观展示。

本发明的优点在于：

1、适应性强：本方案能够适应各种复杂的几何形状，尤其在表面不规则、难以通过光学手段获取准确曲率的情况，实现了非常尖锐的边缘或细小的结构的曲率测量；

2、数据高效利用：测量待测表面的曲率，后续采用物联网平台实现数据的分发，通过可视化大屏将物体的微观形貌进行展示，可以跟生产设备、控制系统集成；

3、成本低：相较于光学测量系统，具有较低的成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1：一种基于数字孪生的曲率测量系统实施步骤。

图2：结构曲率测量系统的示意图：圆锥探针和圆球探针。

图3：放电尖端辅助电路和电压采集系统的框架。

图4：反激式电源变压器的工作原理。

图5：物联网平台功能模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

附图1-2展示了一种基于数字孪生的结构曲率测量系统，其特征在于，主要包含：放电尖端、边缘网关和物联网平台：

所述放电尖端包含探针、辅助电路和电压采集系统；所述探针包含圆锥表面和球 头表面两种几何外形，圆锥外形具有更低的临界放电电压，适合测量大曲率半径的待测表 面，球头探针具备多种规格，曲率半径分别为、......、；所述探针采用不锈钢 材料，具备耐氧化、耐腐蚀特性和良好的导电能力；所述辅助电路能够将低压直流电源进行 升压，包含变压器、开关器件、整流电路和直流电源；所述开关器件可以控制变压器的工作 状态，通过 STM32L 单片机驱动；所述电压采集系统包含采样电路和隔离器件，能够将探针 的电压转换为0-5V，后续采用A/D转换芯片进行电压值的测量，最终获取探针的实时电压 值；

所述辅助电路将电源升压后直接驱动探针，使电荷在尖端处聚集并显著增强局部 电场强度；所述电压达到临界放电电压时，周围介质发生电离，系统阻抗产生突变，变压器 输出电压具有明显波动；所述的临界放电电压与待测的表面曲率半径相关，具体的关 系为：

其中指尖端放电的临界电场强度，与介质的种类和压强相关；所述介质种类 表述为空气；是待测表面的曲率半径；是一个修正系数，具体为：

其中是探针的几何形状参数， 是探针与待测件表面的距 离，是探针与待测件的角度。

实施示例二

曲率测量在工业检测、材料科学和微观制造等领域至关重要，直接影响着产品的性能和质量。例如：光学透镜生产制造过程中，表面曲率的微小偏差直接影响了透镜的光学性能和成像质量，下述实例展示曲率的测量过程：

透镜的曲率半径 ；

尖端与试件之间的距离 ；

尖端采用圆球探针，其半径 ；

空气中的击穿电场强度 ；

依据标定的模型系数β求几何因子 ；

通过放电尖端辅助电路和电压采集系统，获取临界放电电压，透 镜的曲率半径为：

实施实例三

附图3展示了放电尖端辅助电路和电压采集系统的框架，主要包含反激式电源变压器、开关器件、整流电路、MCU、采样电路和隔离器件，系统实现了直流电源的升压。

附图4展示了反激式电源变压器的工作原理，通过变压器的匝数比和开关器件，实现将直流电源升压，器件在初级侧储能，然后通过次级绕组释放能量，具体工作过程为：

S1：储能：当开关器件导通时，直流输入电压通过初级线圈在变压器的初级绕组上产生磁通量，能量被储存在变压器的磁芯中；

S2：能量转移：当开关器件关闭时，初级电流迅速下降，导致初级绕组的磁通量迅速减小，磁场能量通过次级绕组转移到负载；

S3：能量释放及升压：次级绕组产生感应电压，通过整流电路传递给系统图负载，可以通过初次级绕组的匝数比来控制输出电压的幅值；

S4：周期性工作：该过程不断循环，开关以高频率开关导通和关断，持续将能量从直流输入电源传递并升压到输出端。

调理电路有效的提高了反激式电源变压器的性能，确保系统稳定、高效、可靠的工作，其中前端整流电路的功能有：1、输入滤波：电源中的高频噪声和干扰；2、EMI滤波：反激式电源在高频开关动作时会产生电磁干扰；3、浪涌电流抑制：电源接通时，可能会产生较大的瞬态浪涌电流，前端调理电路通过限流器件抑制浪涌电流，保护电源和变压器。

后端整流电路的功能有：1、输出滤波：电流经过整流和滤波电路将交流信号转化为直流信号；整流电路可以平滑输出电压，减少纹波和噪声；2、稳压：通过反馈控制系统，调节开关频率或占空比，使输出电压保持恒定；3、过流过压保护。

实施实例四

所述边缘网关具备485接口，能够运行有限元程序代码；所述边缘网关能够与 STM32L 单片机进行双向数据交互，实现临界放电电压的测量和修正系数标定；所述 修正系数标定通过试验和数值仿真相结合的手段，具体的流程为：

S1：试验系统搭建：分别采用圆锥尖端和球头尖端靠近标准曲率半径的金属球，获 取临界放电电压，其中，标准曲率半径的金属球分别为、……、，分别的临 界电压为、……、；

S2：数字孪生模型搭建：通过有限元仿真获取圆锥尖端和球头尖端在不同输入电压时的放电规律，并通过S1获取的实验结果修正有限元的模型参数；

S3：参数获取：通过修改有限元的模型参数，计算模型在不同介质、不同放电尖端、 不同距离和不同曲率半径下的响应规律，共计组；

S4：系统标定：将不同介质、不同放电尖端和不同距离作为自变量，分别为、和，将修正系数作为因变量，使用多项式模型构建自变量和因变量之间的关系， 具体为：

为模型系数；后续对S3获取的组数据进行拟合，建立修正系数预测值跟 实际值之间的误差方程，通过最小二乘法获取最优模型系数，具体为：：

具体的求解过程为：

S1：初始化：选择初始点：选择的初始值，记为；设定学习率，取 0.001；

S2：计算梯度：：在每次迭代中，计算目标函数 在当前点 处的梯度。梯度向量包含了对每个参数的偏导数；

S3：更新参数：使用梯度信息更新参数向量 ，使其向极小值点移动，具体为：

其中是学习率。更新后的 是下一步迭代的新起点；

S4：检查收敛条件：重复进行S2和S3，直到两次迭代之间模型系数的变化量小于 预设阈值 ，即：

<

S5：结果输出：当收敛条件满足时，停止迭代，并将当前点作为近似的极小值 点，对应的修正系数

实施实例五

附图5展示了物联网平台的功能模块。所述物联网平台支持边缘网关的接入，能够 实现数据的双向交互；物联网平台能够将临界放电电压Vc、介质类型、放电尖端几何参数 shape、距离distance和曲率半径R进行永久化存储，后续能够依据实验数据对模型系数 进行修正，并通过 OTA 方式下发给边缘网关，实现修正系数的迭代；物联网平台具有可 视化大屏，能够对边缘网关采集的数据进行直观展示。

物联网平台继承了设备管理，用户管理以及数据管理，是构建智能工厂和部署人工智能算法的底座，项目结合过去多年的工程实施经验，能够满足测量测试、航空航天以及电力能源等领域的需求。

物联网平台左侧为导航栏，具体包括以下几个功能模块：

1. 首页：数据大屏；

2. 设备管理：产品、设备、分组；

3. 运维监控：远程配置、在线调试、日志服务、OTA升级；

4. 系统管理：用户管理、角色管理、菜单列表、接口管理、日志管理。

OTA升级模块能够将模型系数β下发给边缘网关，实现修正系数k的迭代优化。

以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于数字孪生的结构曲率测量系统，其特征在于，包含：放电尖端、边缘网关和物联网平台：

所述放电尖端包含探针、辅助电路和电压采集系统；所述探针包含圆锥表面和球头表 面两种几何外形，圆锥外形具有更低的临界放电电压，适合测量大曲率半径的待测表面，球 头探针具备多种规格，曲率半径分别为、......、；所述探针采用不锈钢材料， 具备耐氧化、耐腐蚀特性和良好的导电能力；所述辅助电路能够将低压直流电源进行升压， 包含反激式电源变压器、开关器件、整流电路和直流电源；所述开关器件通过 STM32L 单片 机驱动，可以控制反激式电源变压器的工作状态；所述电压采集系统包含采样电路和隔离 器件，能够将探针的电压转换为0-5V，后续采用A/D转换芯片进行电压值的测量，最终获取 探针的实时电压值；

所述辅助电路将电源升压后直接驱动探针，使电荷在尖端处聚集并显著增强局部电场 强度；所述电压达到临界放电电压时，周围介质发生电离，系统阻抗产生突变，反激式电源 变压器输出电压具有明显波动；所述的临界放电电压与待测的表面曲率半径相关，具 体的关系为：

其中指尖端放电的临界电场强度，与介质的种类和压强相关；所述介质种类表述 为空气；是待测表面的曲率半径；是一个修正系数，具体为：

其中是探针的几何形状参数， 是探针与待测件表面的距离，是探针与待测件的角度；

所述边缘网关具备485接口，能够运行有限元程序代码；所述边缘网关能够与 STM32L 单片机进行双向数据交互，实现临界放电电压的测量和修正系数标定；所述修正系 数标定通过试验和数值仿真相结合的手段，具体的流程为：

S1：试验系统搭建：分别采用圆锥尖端和球头尖端靠近标准曲率半径的金属球，获取临 界放电电压，其中，标准曲率半径的金属球分别为、……、，分别的临界电 压为、……、；

S2：数字孪生模型搭建：通过有限元仿真获取圆锥尖端和球头尖端在不同输入电压时的放电规律，并通过S1获取的实验结果修正有限元的模型参数；

S3：参数获取：通过有限元仿真获取模型在不同介质、不同放电尖端、不同距离和不同 曲率半径下的响应规律，共计组；

S4：系统标定：将不同介质、不同放电尖端和不同距离作为自变量，分别为、 和，将修正系数作为因变量，使用响应面方法表述自变量和因变量之间的关系，具体 为：

为模型系数；后续对S3获取的组数据进行拟合，建立修正系数预测值跟实际值 之间的误差方程，通过最小二乘法获取最优模型系数，具体为：

所述物联网平台支持边缘网关的接入，能够实现数据的双向交互；物联网平台能够将 临界放电电压、介质类型、放电尖端几何参数和距离进行永久 化存储，后续能够依据实验数据对模型系数进行修正，并通过 OTA 方式下发给边缘网 关，实现修正系数的迭代；物联网平台具有可视化大屏，能够对边缘网关采集的数据进行 直观展示。