CN114593699A - 一种基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，包括以下步骤：利用CT扫描设备对微螺旋电感进行断层扫描得到三维数据体；利用三维重构技术处理三维数据体，得到网格模型，通过模型分割方法将网格模型分割成独立的结构；基于CT扫描数据采用细化算法提取重构几何模型的中轴线(即螺旋线)，对中轴线进行投影及最小二乘圆拟合，实现线圈直径的测量；对提取的中轴线进行拟合得到扫描螺旋线，实现螺距的测量，基于扫描螺旋线确定分割点及分割平面，通过对截面轮廓数据点进行圆拟合实现导线直径及圆度误差的测量；通过求得拟合直线间的距离实现沿轴线方向线圈长度的测量。本发明能够在不破坏微螺旋电感结构的情况下，进行结构参数的无损测量。

Description

一种基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法

技术领域

本发明属于结构尺寸测量技术领域，具体涉及一种基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

微无源元件的结构参数直接影响其电学性能，因此对增材制造微无源元件结构参数的测量可作为加工工艺可行性研究以及质量检测的重要内容。同传统机械零件一样，微螺旋电感的结构尺寸在加工过程中存在尺寸误差，其对微螺旋电感性能的影响不容忽视，在加工过程中，结构尺寸的加工误差难以保证，需要后期对结构尺寸进行测量。

微螺旋电感属于新兴领域，其结构尺寸的无损测量方法的发展刚刚处于起步状态。

发明人了解到：现有微无源元件的结构尺寸的测量方法包括扫描电子显微镜、机械探针式轮廓仪、光学轮廓仪和原子力显微镜。扫描电子显微镜用于微无源元件内部截面参数的测量，则需要通过物理手段对微无源元件进行破坏性切割，在切割过程中不可避免的会造成结构变形；机械探针式轮廓仪在对被测器件的结构参数进行测量时，探针需要与被测器件的表面进行接触，因此会划伤被测器件表面，另外，其扫描速度慢、测量区域有限；光学轮廓仪对被测器件的表面光学属性要求较为严格，对于透明材料的被测器件需要对器件表面进行镀膜等反射处理；原子力显微镜测量范围狭窄。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，能够在不破坏微螺旋电感结构的情况下，进行微螺旋电感的结构尺寸测量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，包括以下步骤：

步骤1，利用CT扫描设备对微螺旋电感进行断层扫描以得到微螺旋电感的三维数据体；

步骤2，利用三维重构技术处理三维数据体，得到重构的网格模型，通过模型分割方法将网格模型分割成独立的结构；

步骤3，利用3-Subiteration细化算法，提取微螺旋电感重构几何模型的中轴线处各点坐标参数，利用最小二乘法拟合成中轴线，得到中轴线方程，对中轴线进行拟合得到扫描螺旋线，实现了线圈直径及螺距的测量；

步骤4，在拟合得到的扫描螺旋线上等间距地取一些点，过这些点做垂直于扫描螺旋线的分割平面，分割平面与重构的几何模型截交形成的封闭多边形即为截面轮廓，然后通过对截面轮廓数据点进行拟合就能够实现导线直径及圆度误差的测量；

步骤5，利用AVIZO软件对重构的微螺旋电感几何模型进行截取，即：将微螺旋电感重构几何模型的直通道分割成单独的部分，并提取直通道的中轴线，如果其直通道平行于YOZ平面，可借助于将直通道的中轴点向YOZ平面做投影，然后通过对投影点进行直线拟合，并求得中轴线拟合直线之间的距离，实现对微螺旋电感沿轴线方向的线圈长度参数的测量；

本公开的有益效果如下：

采用CT扫描设备对微螺旋电感进行扫描，能够得到微螺旋电感的三维数据体，在不破坏微螺旋电感结构的情况下，能够得到微螺旋电感的三维信息，为后续的结构尺寸测量提供了基础。

采用三维重构技术处理三维数据体，能够将微螺旋电感划分成单个的网格模型，方便将三维数据体分隔成单个的结构，进而计算不同微螺旋电感结构之间的结构尺寸。

首先以分割点为中心建立一个立方体包围盒，经过反复实验调试，该包围盒的边长可取导线直径设计尺寸的2倍；然后搜索重构的几何模型中完全落入包围盒的三角网格，分割平面与其中的一些三角网格的交线就可围成微螺旋电感的截面轮廓。可以进一步提高求取微螺旋电感截面轮廓的效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明实施例中处理流程示意图；

图2是本发明实施例中微螺旋电感的结构参数示意图；

图3是本发明实施例中中轴线提取结果示意图；

图4是本发明实施例中中轴点投影及圆参数拟合示意图；

图5是本发明实施例中分割平面示意图；

图6是本发明实施例中截面轮廓提取示意图；

图7是本发明实施例中微螺旋电感截面轮廓的圆度误差示意图；

图中，1、螺距l；2、线圈直径D；3、导线直径d；4、线圈长度L；5、通道；6、中轴线；7、螺旋线切矢(分割平面法向量T_i’)。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种典型实施方式中，如图1-7所示，一种基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，包括以下步骤：

步骤1，利用CT扫描设备对微螺旋电感进行断层扫描以得到微螺旋电感的三维数据体。

步骤2，利用三维重构技术处理三维数据体，得到重构的网格模型，通过模型分割方法将网格模型分割成独立的结构。

具体的，采用MC算法建立微螺旋电感的网格模型；利用AVIZO软件将网格模型分割成独立的结构。

步骤3，利用3-Subiteration细化算法，提取微螺旋电感重构几何模型的中轴线处各点坐标参数，利用最小二乘法拟合成中轴线，得到中轴线方程，对中轴线进行拟合得到扫描螺旋线，实现了螺距1及线圈直径2的测量。

具体的，首先输入四元组(Z3，m,n,B)；然后进行边界点分类；再确定可删除模板，可删除模板共分为3种类型，分别为UD、NS、EW，确定可删除模板后，便可删除重构的微螺旋电感几何模型的边界点，将模型中所有符合条件的边界点全部删除后，即可实现重构的微螺旋电感几何模型的中轴线6提取，如图3所示。

具体的，如图4所示，基于最小二乘法的圆拟合求取线圈直径的实施方式为：设被拟合圆的圆心坐标为(x₀，y₀)、拟合半径为R₀，投影点为P_i(x_i，y_i)i＝1,2,3,...,n，投影点p_i到圆心距离为d_i，则：

d_i ²＝(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²

若：

α_i＝d_i ²-R₀ ²

令目标函数Q(x₀,y₀,R₀)为α_i的平方和，即：

Q(x₀,y₀,R₀)＝∑α_i ²

利用最小二乘拟合法可求得到圆心(x₀，y₀)及拟合半径R₀，其中R₀即为线圈半径。

步骤4，对提取的中轴线进行拟合得到扫描螺旋线及其螺距k。

具体的，设扫描螺旋线数学模型为：

利用提取的重构几何模型的中轴线对扫描螺旋线数学模型进行最小二乘拟合，即：

其中，k为螺距；中轴点T_i(x_i,y_i,z_i)i＝1,2,3,...,n；将扫描螺旋线向XOY平面做投影，得到投影圆，(x₀,y₀)为该圆的圆心坐标。

步骤5，在拟合得到的扫描螺旋线上等间距地取一些点，过这些点做垂直于扫描螺旋线的分割平面，分割平面与重构的几何模型截交形成的封闭多边形即为截面轮廓，然后通过对截面轮廓数据点进行拟合就能够实现导线直径3及圆度误差的测量。

具体的，提取截面轮廓的具体实施方式为：

(1)分割平面的确定，如图5所示：

Step1：给定扫描螺旋线上的分割

Step2：确定分割点T_i处的分割平面的法矢7为：

Step3：设分割点T_i处的分割平面的方程为：Ax+By+Cz+D＝0，其中，A、B、C、D可以将分割点T_i的坐标数据及法矢带入上式中求出。

(2)空间几何变换：

Step1：设分割点

将分割点T_i平移到原点O处，平移矩阵为:

Step2：分割平面的法矢

将分割平面的法矢T_i’绕X轴旋转到XOZ平面，绕X轴旋转的角度α为：

因此，分割平面法矢T_i'绕X轴旋转至XOZ平面的旋转矩阵R_X(α)为：

Step3：将变换到XOZ平面的分割平面法矢T_i’绕Y轴进行旋转，使法矢T_i’与Z轴正向重合，绕Y轴旋转的角度β为：

分割平面法矢T_i’绕Y轴旋转的旋转矩阵R_Y(β)为：

其中，

Step4：将包围盒中的三角网格做与上述相同的空间几何变换，以保证分割平面与重构的几何模型的相对位置关系不发生改变。

最终，空间几何变换的总矩阵T总为：

T_总＝T_平移·R_X(α)·R_Y(β)

(3)截面轮廓的提取，如图6所示：

Step1：从三角网格T_ro’开始，根据翼边数据结构，查找与三角网格T_ro’三条边共边的一环翼边三角网格，保留与分割平面S_Plane'相交的三角网(T_r1'、T_r2')，并对其标记。

Step2：对标记的一环翼边三角网格T_r1'、T_r2'进行共边三角网格查找，即得到二环翼边三角网格，同样保留与分割平面S_Plane'相交的三角网格(T_r3'、T_r4')，并对其标记；重复此过程，直至n环翼边三角形网格中包含初始三角网格Tr0'形成闭环，并形成标记的三角网格集合{T_r0'、Tr1'、T_r2'…}结束。

Step3：分别计算分割平面S_Plane'与标记的三角网格集合中每个三角网格的交点，设三角网格的三个顶点坐标为P_r1(x_r1,y_r1,z_r1)、P_r2(x_r2,y_r2,z_r2)、P_r3(x_r3,y_r3,z_r3)，判断z_r1×z_r2、z_r1×z_r3、z_r2×z_r3的值，若z_r1×z_r2＜0，则说明顶点P_r1、P_r2分别位于XOY平面(即分割平面S_Plane')的两侧，过顶点P_r1、P_r2的棱边与分割平面S_Plane'相交并求交点，同理求出其余棱边与分割平面S_Plane'的交点。

所求得的交点集合即为几何变换后的轮廓点集{P₁',P₂',P₃'…}，按顺序连接这些轮廓点即为微螺旋电感的截面轮廓。

具体的，求取导线直径的具体实施方式为：设轮廓点P_i'到原点的距离d_i为：

假设提取m个截面轮廓，则微螺旋电感的导线平均半径可表示为：

具体的，求取圆度误差的具体实施方式为：设微螺旋电感的截面轮廓数据点P_i'(x_i,y_i)i＝1,2,3,...,n距离圆心(坐标原点)的最大距离为R_max，最小距离为R_min，则R_max和R_min之间的代数差即为微螺旋电感截面轮廓的圆度误差，如图7所示，圆度误差计算公式如下：

f＝R_max-R_min。

步骤6，利用AVIZO软件对重构的微螺旋电感几何模型进行截取，即：将微螺旋电感重构几何模型的直通道分割成单独的部分，并提取直通道的中轴线，如果其直通道平行于YOZ平面，可借助于将直通道的中轴点向YOZ平面做投影，然后通过对投影点进行直线拟合，并求得中轴线拟合直线之间的距离，实现对微螺旋电感沿轴线方向的线圈长度4的测量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用CT扫描设备对微螺旋电感进行断层扫描以得到微螺旋电感的三维数据体；

步骤2，利用三维重构技术处理三维数据体，得到重构的网格模型，通过模型分割方法将网格模型分割成独立的结构；

步骤3，利用3-Subiteration细化算法，提取微螺旋电感重构几何模型的中轴线处各点坐标参数，利用最小二乘法拟合成中轴线，得到中轴线方程，对中轴线进行拟合得到扫描螺旋线，实现了线圈直径及螺距的测量；

步骤4，在拟合得到的扫描螺旋线上等间距地取一些点，过这些点做垂直于扫描螺旋线的分割平面，分割平面与重构的几何模型截交形成的封闭多边形即为截面轮廓，然后通过对截面轮廓数据点进行拟合就能够实现导线直径及圆度误差的测量；

步骤5，利用AVIZO软件对重构的微螺旋电感几何模型进行截取，即：将微螺旋电感重构几何模型的直通道分割成单独的部分，并提取直通道的中轴线，如果其直通道平行于YOZ平面，可借助于将直通道的中轴点向YOZ平面做投影，然后通过对投影点进行直线拟合，并求得中轴线拟合直线之间的距离，实现对微螺旋电感沿轴线方向的线圈长度参数的测量。

2.根据权利要求1所述的基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤2中采用MC算法建立微螺旋电感的网格模型；利用AVIZO软件将网格模型分割成独立的结构。

3.根据权利要求1所述的基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤3中，所采用的3-Subiteration细化算法的具体流程为：首先输入四元组(Z3，m,n,B)；然后进行边界点分类；再确定可删除模板，可删除模板共分为3种类型，分别为UD、NS、EW，确定可删除模板后，便可删除重构的微螺旋电感几何模型的边界点，将模型中所有符合条件的边界点全部删除后，即可实现重构的微螺旋电感几何模型的中轴线提取。

4.根据权利要求1所述的基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤3中，基于最小二乘法的圆拟合求取线圈直径的步骤为：设被拟合圆的圆心坐标为(x₀，y₀)、拟合半径为R₀，投影点为P_i(x_i，y_i)i＝1,2,3,...,n，投影点p_i到圆心距离为d_i，则：

d_i ²＝(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²

若：

α_i＝d_i ²-R₀ ²

令目标函数Q(x₀,y₀,R₀)为α_i的平方和，即：

Q(x₀,y₀,R₀)＝∑α_i ²

利用最小二乘拟合法可求得到圆心(x₀，y₀)及拟合半径R₀，其中R₀即为线圈半径。

5.根据权利要求1所述的基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤4中，提取截面轮廓的具体步骤为：

步骤1，进行扫描螺旋线参数拟合：

设扫描螺旋线数学模型为：

利用提取的重构几何模型的中轴线对扫描螺旋线数学模型进行最小二乘拟合，即：

其中，k为螺距；中轴点T_i(x_i,y_i,z_i)i＝1,2,3,...,n；将扫描螺旋线向XOY平面做投影，得到投影圆，(x₀，y₀)为该圆的圆心坐标；

步骤2，分割平面的确定：

Step1：给定扫描螺旋线上的分割

Step2：确定分割点T_i处的分割平面的法矢为：

Step3：设分割点T_i处的分割平面的方程为：Ax+By+Cz+D＝0，其中，A、B、C、D可以将分割点T_i的坐标数据及法矢带入上式中求出；

步骤3，空间几何变换：

Step1：设分割点

将分割点T_i平移到原点O处，平移矩阵为:

Step2：分割平面的法矢

将分割平面的法矢T_i’绕X轴旋转到XOZ平面，绕X轴旋转的角度α为：

因此，分割平面法矢T_i'绕X轴旋转至XOZ平面的旋转矩阵R_X(α)为：

Step3：将变换到XOZ平面的分割平面法矢T_i’绕Y轴进行旋转，使法矢T_i’与Z轴正向重合，绕Y轴旋转的角度β为：

分割平面法矢T_i’绕Y轴旋转的旋转矩阵R_Y(β)为：

其中，

Step4：将包围盒中的三角网格做与上述相同的空间几何变换，以保证分割平面与重构的几何模型的相对位置关系不发生改变。

最终，空间几何变换的总矩阵T总为：

T_总＝T_平移·R_X(α)·R_Y(β)

步骤4，截面轮廓的提取：

Step1：从三角网格T_ro’开始，根据翼边数据结构，查找与三角网格T_ro’三条边共边的一环翼边三角网格，保留与分割平面S_Plane'相交的三角网(T_r1'、T_r2')，并对其标记；

Step2：对标记的一环翼边三角网格T_r1'、T_r2'进行共边三角网格查找，即得到二环翼边三角网格，同样保留与分割平面S_Plane'相交的三角网格(T_r3'、T_r4')，并对其标记；重复此过程，直至n环翼边三角形网格中包含初始三角网格T_r0'形成闭环，并形成标记的三角网格集合{T_r0'、T_r1'、T_r2'…}结束；

Step3：分别计算分割平面S_Plane'与标记的三角网格集合中每个三角网格的交点，设三角网格的三个顶点坐标为P_r1(x_r1,y_r1,z_r1)、P_r2(x_r2,y_r2,z_r2)、P_r3(x_r3,y_r3,z_r3)，判断z_r1×z_r2、z_r1×z_r3、z_r2×z_r3的值，若z_r1×z_r2＜0，则说明顶点P_r1、P_r2分别位于XOY平面(即分割平面S_Plane')的两侧，过顶点P_r1、P_r2的棱边与分割平面S_Plane'相交并求交点，同理求出其余棱边与分割平面S_Plane'的交点；

所求得的交点集合即为几何变换后的轮廓点集合{P₁',P₂',P₃'…}，按顺序连接这些轮廓点即为微螺旋电感的截面轮廓。

6.根据权利要求1所述的基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤4中，求取导线直径的具体步骤为：设轮廓点P_i'到原点的距离d_i为：

假设提取m个截面轮廓，则微螺旋电感的导线平均半径可表示为：

7.根据权利要求1所述的基于重构模型螺旋线的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤4中，求取圆度误差的具体步骤为：设微螺旋电感的截面轮廓数据点P_i'(x_i,y_i)i＝1,2,3,...,n距离圆心(坐标原点)的最大距离为R_max，最小距离为R_min，则R_max和R_min之间的代数差即为微螺旋电感截面轮廓的圆度误差f，圆度误差计算公式如下：

f＝R_max-R_min。

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