專利名稱：檢測(cè)和補(bǔ)償渦流的方法
本申請(qǐng)要求2003年4月17日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)No.60/463,576的權(quán)益。
背景技術(shù)：
磁跟蹤系統(tǒng)適用于各種應(yīng)用，例如圖像導(dǎo)引醫(yī)療應(yīng)用、放射治療(例如腫瘤跟蹤)、其他醫(yī)療診斷和治療設(shè)備、生物工程學(xué)和人體運(yùn)動(dòng)研究(ergonomics and human motion research)、動(dòng)畫制作(animation)(例如動(dòng)作捕捉)以及工業(yè)測(cè)量。磁跟蹤系統(tǒng)附近存在的導(dǎo)電物體會(huì)降低系統(tǒng)的性能。導(dǎo)電物體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的渦流會(huì)干擾傳感器的位置指示，并導(dǎo)致不準(zhǔn)確的位置和/或方向信息。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方案，提供了一種失真補(bǔ)償方法，其包括確定第一位置指示信號(hào)和第二位置指示信號(hào)中的至少一個(gè)的無擾相位。該方法包括確定第一頻率下的第一位置指示信號(hào)的幅度與第二頻率下的第二位置指示信號(hào)的幅度的無擾比值。該方法還包括確定位置指示信號(hào)的受擾幅度，以及根據(jù)受擾幅度和受擾相位、無擾幅度比值和無擾相位來調(diào)整位置指示。該方法還包括確定第一位置指示信號(hào)和第二位置指示信號(hào)的渦流相位問的關(guān)系。
在本發(fā)明的另一方案，提供了一種用于檢測(cè)導(dǎo)電物體的存在的方法，其包括確定磁跟蹤系統(tǒng)的特征頻率函數(shù)，并測(cè)量受擾頻率函數(shù)。該方法還包括根據(jù)特征無擾頻率函數(shù)和受擾頻率函數(shù)計(jì)算卡方值，以及監(jiān)測(cè)該卡方值以檢測(cè)能指示導(dǎo)電物體的存在的變化。
在本發(fā)明的又一方案，提供了一種方法，其包括測(cè)量導(dǎo)電物體的特征，并根據(jù)所定義的特征確定渦流相位。該方法還包括測(cè)量受擾幅度，以及根據(jù)渦流相位、無擾傳感器相位以及受擾幅度計(jì)算無擾(即校正后的)幅度。
上述各方面的實(shí)施例可總結(jié)為一個(gè)或多個(gè)下述特征。
可將第二無擾比值確定為第一或第二位置指示信號(hào)的幅度與第三頻率下的第三位置指示信號(hào)的幅度的比值。能夠確定第一或第二位置指示信號(hào)與第三位置指示信號(hào)的渦流相位之間的關(guān)系，從而調(diào)整位置指示。
第一頻率是第二位置指示信號(hào)的上次諧波(superior harmonic)，而第二頻率是第一位置指示信號(hào)的下次諧波(subordinate harmonic)。例如上次諧波可為基頻，而下次諧波可為三次諧波。在某些實(shí)施例中，第一頻率小于第二頻率。第一頻率和第二頻率是諧波相關(guān)的。通過例如線性調(diào)頻波形(chirpedwaveform)可產(chǎn)生多個(gè)頻率。本發(fā)明的其他方案可包括從傳感器接收第一和第二位置指示信號(hào)的實(shí)部和虛部。
對(duì)于多個(gè)位置指示信號(hào)可重復(fù)該失真補(bǔ)償方法。該方法可用于檢測(cè)導(dǎo)電物體中的渦流的存在。對(duì)渦流的存在的檢測(cè)包括監(jiān)測(cè)第一位置指示信號(hào)的幅度與第二位置指示信號(hào)的幅度的比值。在另一實(shí)施例中，對(duì)渦流的存在的檢測(cè)包括檢測(cè)無擾相位的變化。在另一實(shí)施例中，對(duì)渦流的存在的檢測(cè)包括檢測(cè)位置指示信號(hào)的無擾的實(shí)部和虛部的特征的變化。
確定無擾相位包括測(cè)量漸近相位值并利用漸近相位值計(jì)算無擾相位。確定無擾相位可以替換為或者還包括迭代計(jì)算相位值并調(diào)整漸近相位值。計(jì)算渦流相位包括利用數(shù)值方法(numerical method)求解一組方程或者利用封閉解(closed form solution)求解一組方程。
在某些實(shí)例中，該方法包括監(jiān)測(cè)多個(gè)位置指示信號(hào)的卡方值。該方法還包括為卡方值設(shè)置閾值以指示不同程度的失真。對(duì)位置指示信號(hào)的卡方值的變化的檢測(cè)能夠指示導(dǎo)電物體的存在。在特定頻率范圍(例如中頻范圍、低頻范圍或高頻范圍)內(nèi)對(duì)卡方值的變化的檢測(cè)能夠指示特定類型的導(dǎo)電物體的存在。
其他優(yōu)點(diǎn)有，渦流補(bǔ)償可以實(shí)時(shí)確定渦流相位和幅度。該方法提供對(duì)位置指示的補(bǔ)償以抵消導(dǎo)電物體產(chǎn)生的渦流。
其他優(yōu)點(diǎn)有，在某些實(shí)施例中，使用多個(gè)場(chǎng)發(fā)生器線圈將有利于提供增強(qiáng)的靈敏度和冗余備份。由于與一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)發(fā)生器和/或傳感器線圈耦合，使得存在的導(dǎo)電物體可能引起信號(hào)干擾。


圖1是坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的框圖；圖2是包括無擾矢量、受擾矢量及渦流矢量的矢量圖；圖3是信號(hào)補(bǔ)償過程的流程圖；圖4示出了當(dāng)不銹鋼環(huán)移動(dòng)到圖1的系統(tǒng)附近時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于確定φE；圖5示出了當(dāng)用不銹鋼環(huán)干擾靜止的傳感器的信號(hào)時(shí)，三次和五次諧波的κ的實(shí)驗(yàn)值；圖6示出了κ(ω)的實(shí)驗(yàn)值，κ(ω)是受到不銹鋼環(huán)干擾的傳感器的頻率函數(shù)；圖7是確定漸近的無擾相位的過程的流程圖；圖8示出了渦流補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果；圖9示出了渦流補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果；圖10是根據(jù)卡方值確定干擾是否存在的過程的流程圖；圖11是信號(hào)補(bǔ)償過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)10包括具有一個(gè)或多個(gè)傳感器16的磁跟蹤系統(tǒng)14。由于在傳感器16和/或場(chǎng)發(fā)生器12中或附近存在的導(dǎo)電材料引起了渦流，使得磁跟蹤系統(tǒng)(也稱為坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng))容易失真(也稱為干擾)。導(dǎo)電材料的實(shí)例包括金屬(例如不銹鋼)、碳化纖維以及某些導(dǎo)電塑料。產(chǎn)生渦流的電磁耦合取決于傳播的AC磁場(chǎng)的頻率。此外，渦流相對(duì)于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁跟蹤器源驅(qū)動(dòng)電流(source drive current)存在相移。
為了準(zhǔn)確地提供位置指示，磁跟蹤系統(tǒng)包括場(chǎng)發(fā)生器12，其產(chǎn)生具有兩個(gè)或更多頻率成分的輸入信號(hào)。這些頻率成分中的最低頻率稱為基頻。例如，典型的基頻可以是1000Hz。其他的頻率成分可以是基頻的諧波或是其他非諧波頻率。通過輸入信號(hào)而輸入的波形的實(shí)例包括方波、三角波、鋸齒波(例如斜坡)、正弦波、線性調(diào)頻波(chirped wave)、各種多頻波形或者上述波形的任何組合。
磁跟蹤系統(tǒng)14附近存在的導(dǎo)電物體產(chǎn)生的渦流的特性取決于傳播的AC磁場(chǎng)的激發(fā)頻率與耦合。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18或其他計(jì)算單元分析在多個(gè)頻率下產(chǎn)生的位置指示信號(hào)。基于這些位置指示信號(hào)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18計(jì)算渦流相位和幅度，并補(bǔ)償位置指示以消除渦流導(dǎo)致的測(cè)量誤差。
參考圖2，示出了無擾矢量31、受擾矢量或總矢量32以及渦流矢量33的圖形表示30。各矢量用幅度(A)和相位(φ)表示。例如，無擾矢量3l表示為無擾幅度(AU)34和無擾相位(φU)35，受擾或總矢量32表示為受擾或總幅度(AT)36和受擾或總相位(φT)37，以及渦流矢量33表示為渦流幅度(AE)38和渦流相位(φE)39。受擾或總矢量32是無擾矢量31和渦流矢量33的矢量和。系統(tǒng)利用AU的值計(jì)算位置指示。這是因?yàn)橛糜谖恢昧繙y(cè)(fit)的基本場(chǎng)模型基于無擾場(chǎng)。
參考圖3，示出了對(duì)受擾信號(hào)提供補(bǔ)償?shù)倪^程40?？捎?jì)算渦流幅度和相位并將其從受擾矢量32中去除，僅剩下無擾矢量31。過程包括兩個(gè)階段。在第一階段(步驟41、42和43)中，通過將給定導(dǎo)電物體置入場(chǎng)中(步驟41)并收集受擾信號(hào)測(cè)量值(步驟42)來定義導(dǎo)電物體的特征。在定義導(dǎo)電物體的特征時(shí)，AU和φU為已知值，并可與受擾數(shù)據(jù)一起用于確定渦流相位(步驟43)。下面給出步驟43的具體描述。過程40的第二階段(步驟44、45、46和47)是在實(shí)時(shí)收集位置指示信號(hào)期間進(jìn)行渦流補(bǔ)償(步驟44)。如果已知該定義了特征的導(dǎo)電物體處于場(chǎng)中，則將步驟43的渦流相位(φE)和步驟44的位置指示信號(hào)用作向補(bǔ)償程序的輸入量(步驟45)。否則，不需要補(bǔ)償，并且過程直接進(jìn)行到步驟47。下面給出補(bǔ)償程序的具體描述。
參考圖4，曲線圖56顯示了當(dāng)不銹鋼環(huán)在傳感器附近隨機(jī)移動(dòng)時(shí)靜止的傳感器的結(jié)果。曲線圖56示出了總傳感器信號(hào)(實(shí)心圓58)和無擾矢量57的實(shí)部和虛部。這些結(jié)果示出了對(duì)于選擇的不銹鋼環(huán)而言φE是常量。通常，對(duì)于具有簡(jiǎn)單幾何形狀的導(dǎo)電物體而言，φE是取決于場(chǎng)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)頻率的常量。
可將受擾/總信號(hào)的實(shí)部和虛部表示為如下形式x＝ReT＝AUcos(φU)+AEcos(φU+φE) (1)y＝ImT＝AUsin(φU)+AEsin(φU+φE) (2)利用受擾/總信號(hào)的實(shí)部和虛部可計(jì)算卡方(x2)值。為了計(jì)算卡方值，由方程(1)解出AE并將其代入方程(2)。對(duì)卡方值進(jìn)行如下定義
χ2=Σj=1N(yj-y(xj;φE)σ)2-----(3)]]>χ2=Σj=1N(yj-[AUsinφU+(xj-AucosφU)tan(φU+φE)]σ)2------(4)]]>在方程(3)和方程(4)中，為了簡(jiǎn)化起見，將測(cè)量偏差σj設(shè)為σ，N為所收集的點(diǎn)的總數(shù)。為確定渦流，如方程(5-9)所示，計(jì)算卡方值的導(dǎo)數(shù)并將其用于確定最小化條件(minimizing condition)。
∂χ2∂φE=0-----(5)]]>將x2方程代入，求導(dǎo)數(shù)，解出tan(φU+φE)，從而得到如下方程tanγ=Σj=1N(yj-α)(xj-β)Σj=1N(xj-β)2----(6)]]>其中γ＝φU+φE(7)α＝AusinφU(8)β＝AUcosφU(9)由于磁跟蹤系統(tǒng)通常包括多個(gè)(例如4、8、10個(gè))場(chǎng)發(fā)生器線圈，利用從多個(gè)線圈同時(shí)收集的數(shù)據(jù)將有利于計(jì)算φE。然而，當(dāng)從多個(gè)線圈收集數(shù)據(jù)時(shí)，可能不存在如上所示的封閉解。如果封閉解不存在(或不容易得到)，則可利用數(shù)值方法求解方程。例如，可利用Levenberg-Marquardt方法求解方程。
在上述實(shí)例的情況下，對(duì)于簡(jiǎn)單物體而言，渦流相位(φE)為常量。然而，對(duì)于更復(fù)雜的物體，渦流相位(φE)可能不是常量。復(fù)雜物體的渦流相位(φE)通常隨引起失真的物體(distorter)的位置及方向而變化。在渦流相位變化的情況下，系統(tǒng)采用在不同頻率下的渦流相位的比值，如下面的方程(10-14)所描述。
可根據(jù)引起失真的物體的電感和阻抗寫出關(guān)于傳感器相位的渦流相位(φE)。物體的電感和阻抗是物質(zhì)常量，通常不會(huì)取決于頻率。渦流相位可表示為如下形式φE(ω)=π2-arctan(ωLR)----(10)]]>其中ω是角頻率(即ω＝2πf)。給定諧波頻率的渦流相位根據(jù)諧波指數(shù)而關(guān)聯(lián)于基頻的渦流相位，其中諧波指數(shù)(i)等于1、2、3、…、N。作為諧波函數(shù)的渦流相位可表示為如下形式φEi=π2-arctan(ωiLR)------(11)]]>其中諧波的角頻率定義為基波(fundamental harmonic)值乘以諧波指數(shù)，或者ωi＝iω1(12)更高次諧波的渦流相位可利用如下比值而關(guān)聯(lián)于一次諧波的渦流相位κi=tan(π2-φEi)tan(π2-φE1)=i-----(13)]]>如圖5所示，該表達(dá)式被實(shí)驗(yàn)性地驗(yàn)證。在圖5中，繪制出對(duì)于i＝3(實(shí)心圓65)和i＝5(實(shí)心三角63)的實(shí)驗(yàn)值κ，作為Δ＝|AT1-AU1|的函數(shù)。每個(gè)點(diǎn)表示不銹鋼環(huán)的新位置。在數(shù)據(jù)收集的全部時(shí)間里傳感器都是靜止的。
兩個(gè)信號(hào)的渦流相位的比值還可推導(dǎo)到任意一對(duì)諧波或非諧波頻率。κ的這種連續(xù)形式可歸一化到特定頻率ωn，并寫為如下形式κ(ω)=tan(π2-φE)tan(π2-φEn)=ωωn----(14)]]>如圖6所示，該算法(generalization)可被實(shí)驗(yàn)性地驗(yàn)證。在圖6中，將κ(ω)的理論值(以實(shí)線59表示)和κ的實(shí)驗(yàn)值(以實(shí)心圓60表示)作為靜止的傳感器的ω的函數(shù)而示出，其中靜止的傳感器的信號(hào)被不銹鋼環(huán)所干擾。一旦不銹鋼環(huán)處于適當(dāng)?shù)奈恢茫驮跀?shù)據(jù)收集的過程中(即，在頻率掃描的過程中)使不銹鋼環(huán)保持不動(dòng)。κ的實(shí)驗(yàn)值疊加在理論結(jié)果上，以驗(yàn)證方程(14)中所示的算法。下面描述基于不同(例如非諧波)頻率的使用的進(jìn)一步的概括。
當(dāng)求解用于兩個(gè)受擾矢量的一組方程時(shí)使用κ(ω)的值。在下面的實(shí)例中，補(bǔ)償程序使用一次及三次諧波的矢量。然而，該理論可應(yīng)用于任意一對(duì)或一組頻率?；l(一次諧波)的實(shí)部和虛部表示為如下形式ReT1＝AT1cos(φT1)＝AU1cos(φU1)+AE1cos(φU1+φE1) (15)ImT1＝AT1sin(φT1)＝AU1sin(φU1)+AE1sin(φU1+φE1) (16)三次諧波的實(shí)部和虛部表示為如下形式ReT3＝AT3cos(φT3)＝AU3cos(φU3)+AE3cos(φU3+φE3) (17)ImT3＝AT3sin(φT3)＝AU3sin(φU3)+AE3sin(φU3+φE3) (18)各表達(dá)式(方程(15-18))的左手側(cè)是在給定位置和方向處的總傳感器信號(hào)。
基于上述表達(dá)式，為了實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，必須輸入各傳感器信號(hào)的無擾相位。在此說明書中通常假定在整個(gè)測(cè)量量中φUi是常量。然而，無擾相位可為傳感器位置和方向(位姿)的函數(shù)。例如，與“期望的”較大的幅度值相比，傳感器位姿(對(duì)于這些傳感器位姿，信號(hào)幅度較小)具有不同的相位值(也稱為漸近相位值)。因而，如果傳感器位姿已知并且相位模型存在，則可知無擾相位具有較高的精確性。
如果傳感器位姿未知，則迭代過程可使補(bǔ)償過程從漸進(jìn)相位值開始確定較大傳感器信號(hào)的實(shí)際的無擾相位。每次迭代的解φUi可用作渦流補(bǔ)償算法的相位輸入量。在定義系統(tǒng)特征時(shí)可確定無擾相位的漸近值。在一階補(bǔ)償方案中只使用漸近φUi值。
參考圖7，描述了用于測(cè)量受擾傳感器的幅度和相位的過程61。利用受擾幅度和相位(步驟62)，計(jì)算受擾傳感器的幅度的補(bǔ)償值(步驟64)。對(duì)此計(jì)算的輸入量包括受擾幅度、受擾相位以及無擾漸近相位。過程40描述了可在步驟64中使用的補(bǔ)償方法，下面描述另一補(bǔ)償方法。使用校正幅度和相位值確定傳感器的位置(步驟66)。如果在無擾場(chǎng)中存在傳感器相位的模型，則使用步驟66中計(jì)算所得的位置確定無擾相位的新的值(步驟68)。該相位成為新的未失真的漸近相位。過程61確定是否符合位置量測(cè)收斂性判斷標(biāo)準(zhǔn)(步驟70)。如果符合該標(biāo)準(zhǔn)，則接受計(jì)算所得的位置，從而該過程輸出位置指示信號(hào)(步驟72)。如果不符合該標(biāo)準(zhǔn)，過程61返回，以用新的漸近相位計(jì)算補(bǔ)償值。重復(fù)該過程，直到符合補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為止(步驟70)。
假設(shè)AT和φT為傳感器信號(hào)的總幅度和相位，并且假設(shè)φU為可在定義系統(tǒng)特征時(shí)確定的量，就可確定無擾幅度(即校正的)AU。在系統(tǒng)的使用期限中無擾相位可能偏移，但可利用迭代過程實(shí)時(shí)地重新確定或改進(jìn)。
為進(jìn)行信號(hào)的補(bǔ)償需要當(dāng)前討論的無擾比值Fi＝AUi/AU1，其中i＝1、3、5…。對(duì)于如矩形波或三角波的某些波形，可利用傅立葉分析確定Fi的值。然而，通常，傳感器波形復(fù)雜，必須在定義系統(tǒng)特征時(shí)確定Fi的值。假設(shè)Fi的值不取決于傳感器位置和/或方向(這可在定義系統(tǒng)特征時(shí)驗(yàn)證)。除測(cè)量的Fi值外，利用方程(13)計(jì)算的Ki的值(或利用方程(14)計(jì)算的κ(ω))表示出了基于一次諧波的渦流相位的高次諧波的渦流相位。
通過上述的算法，可根據(jù)四個(gè)未知量，即AU1、AE1、AE3和φE1寫出含有四個(gè)方程的方程組(如方程(15-18))?？墒褂脭?shù)值方法求解該系統(tǒng)方程。在一個(gè)實(shí)例中，作為模型的輸入量的數(shù)據(jù)包括總傳感器信號(hào)的一次和三次諧波的實(shí)部和虛部。
圖8和圖9示出了從渦流補(bǔ)償程序得到的圖形表示實(shí)例。這些圖中示出的結(jié)果是場(chǎng)發(fā)生器線圈，該場(chǎng)發(fā)生器線圈由具有約3kHz的基頻和約9kHz的三次諧波的波形驅(qū)動(dòng)。出現(xiàn)了高次諧波，但未在此補(bǔ)償方案中使用。
在圖8中，當(dāng)大的不銹鋼環(huán)移進(jìn)場(chǎng)發(fā)生線圈和傳感器的鄰近區(qū)域時(shí)，靜止的傳感器84的信號(hào)強(qiáng)度受到干擾。實(shí)心圓84表示補(bǔ)償前的信號(hào)，空心三角86表示補(bǔ)償后的信號(hào)。
在圖9中，當(dāng)不銹鋼板移進(jìn)和移出場(chǎng)發(fā)生線圈和傳感器的鄰近區(qū)域時(shí)，靜止的傳感器的信號(hào)強(qiáng)度受到干擾。實(shí)心環(huán)94表示補(bǔ)償前的信號(hào)，空心三角96表示補(bǔ)償后的信號(hào)。
求解方程(15)到方程(18)表示的系統(tǒng)方程的另一方法是直接使用傳感器信號(hào)的實(shí)部和虛部，如下所示ReT1＝ReU1+ReE1(19)
ImT1＝ImU1+ImE1(20)ReT3＝ReU3+ReE3(21)ImT3＝ImU3+ImE3(22)φU1=arctan(ImU1ReU1)----(23)]]>φU3=arctan(ImU3ReU3)---(24)]]>F≡F3=ReU32+ImU32ReU12+ImU12-------(25)]]>κ≡κ3=tan[π2-arctan(ImE3ReE3)+arctan(ImU3ReU3)]tan[π2-arctan(ImE1ReE1)+arctan(ImU1ReU1)=3-----(26)]]>可使用數(shù)值方法求解上面示出的方程組，但是存在封閉解并可使用。例如，在封閉解中，基波AU1的幅度可表示為AU1=|ReU1′|=|-κReT1′ImT3′-ReT3′ImT1′FImT1′-ImT3′|-----(27)]]>其中ReTi′ImTi′cosφUisinφUi-sinφUicosφUiReTiImTi;i=1,3-----(28)]]>盡管在上面的實(shí)例中將諧波頻率用于進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償，但是也可將該過程推導(dǎo)到使用任意一對(duì)頻率(諧波或非諧波頻率)。
除了在上述的磁跟蹤系統(tǒng)附近出現(xiàn)了導(dǎo)電物體而對(duì)位置指示信號(hào)提供補(bǔ)償外，也可通過監(jiān)測(cè)比值A(chǔ)T3/AT1和記錄對(duì)F3的偏差來檢測(cè)導(dǎo)電物體的存在。
可選地，為了檢測(cè)導(dǎo)電物體的存在，可以監(jiān)測(cè)對(duì)大幅度信號(hào)的φUi的偏差，并認(rèn)為相位變化與導(dǎo)電物體的存在相關(guān)。在另一方法中，監(jiān)測(cè)在各頻率下的實(shí)部和虛部。然后可以使用任意數(shù)目個(gè)數(shù)值技術(shù)來區(qū)分在無擾和受擾環(huán)境下的實(shí)部和虛部。
如上所述，如方程(14)所示可推導(dǎo)出κ，重復(fù)如下κ(ω)=tan(π2-φE)tan(π2-φEn)=ωωn----(14)]]>也可重寫為κij=κ(ωi)=ωiωj------(29)]]>其中下標(biāo)i＝1，…，N且j＝l，…，N，表示那些傳感器幅度已測(cè)量的頻率，N是已進(jìn)行測(cè)量的頻率總數(shù)。這些下標(biāo)可以是任何頻率，且并非必須是諧波標(biāo)注。頻率譜的確切屬性取決于系統(tǒng)的硬件和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)發(fā)生器線圈的波形。頻率jth用作“歸一化”頻率(例如在方程(13)中標(biāo)注為1)。
方程(2)也可推導(dǎo)到任意一對(duì)頻率，表示為如下形式AUij=|-κijReTj′ImTi′-ReTi′ImTj′FijImTj′-κijImTi′|------(30)]]>其中，對(duì)于所有的i均有如下公式ReTi′ImTi′cosφUisinφUi-sinφUicosφUiReTiImTi-----(31)]]>盡管僅對(duì)頻率對(duì)(pairs of frequencies)寫出方程(30)，但是也可將任意數(shù)目個(gè)相關(guān)數(shù)學(xué)公式用于補(bǔ)償，這些數(shù)學(xué)公式根據(jù)實(shí)部值和虛部值得到。例如，對(duì)于連續(xù)頻率函數(shù)，可將復(fù)數(shù)多項(xiàng)式用于特征無擾傳感器信號(hào)。隨后測(cè)量的期望的多項(xiàng)式系數(shù)的變化可用于指示導(dǎo)電物體的存在。然后，可對(duì)這些多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行調(diào)整以補(bǔ)償受擾頻率函數(shù)的任何失真。也可通過適當(dāng)分布方程(30)和(31)的實(shí)部值和虛部值的誤差來計(jì)算小幅度信號(hào)和測(cè)量偏差。
根據(jù)上述方程，可根據(jù)ith頻率的實(shí)部值和虛部值校正jth頻率的信號(hào)。從而各jth頻率具有N-1個(gè)校正值，從中可計(jì)算出加權(quán)平均幅度Sj(或?qū)嵅亢吞摬?和標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔSj(例如偏差)。
該補(bǔ)償程序的下一步驟是計(jì)算x2的值，表示為如下形式
χ2=Σj=1N(aS‾j-Sj)2(ΔSj)2------(32)]]>其中“a”是位置量測(cè)中使用的幅度，Sj是從定義場(chǎng)發(fā)生器特征過程(在無擾環(huán)境中)中得到的、無擾頻率函數(shù)的頻率j的期望的和歸一化的幅度。從最小化條件dχ2da=0-----(33)]]>可按如下方式確定期望的幅度“a”a=Σj=1N(S‾jSj)(ΔSj)2Σj=1N(S‾j)2(ΔSj)2------(34)]]>x2的值也可用于檢測(cè)導(dǎo)電物體是否存在。這可通過計(jì)算一組未被校正的頻率幅度(或?qū)嵭盘?hào)部和虛信號(hào)部)的“a”而實(shí)現(xiàn)。然后將得到的“a”的值代入方程(32)，從而計(jì)算x2的值。
參考圖10，通過監(jiān)測(cè)x2的值可得到渦流檢測(cè)的過程100?？蓪?duì)x2設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝狄允境霾煌潭鹊氖д?。過程100包括兩個(gè)階段。在第一階段(步驟102和104)中，該補(bǔ)償系統(tǒng)測(cè)量在無擾場(chǎng)中的磁跟蹤系統(tǒng)的特征頻率函數(shù)(步驟102)，并將該函數(shù)歸一化(步驟104)。例如，可通過將函數(shù)范圍設(shè)置得一致而將函數(shù)歸一化。在定義系統(tǒng)特征的時(shí)間段內(nèi)可完成該階段。當(dāng)系統(tǒng)處于實(shí)時(shí)操作并且在系統(tǒng)附近有干擾時(shí)，開始過程100的第二階段(步驟108、110、112、114和116)。在這段時(shí)間中，系統(tǒng)進(jìn)行頻率掃描(步驟108)，并測(cè)量實(shí)時(shí)的且可能被干擾的頻率函數(shù)(步驟110)。然后，將實(shí)時(shí)頻率函數(shù)與無擾的歸一化的頻率函數(shù)比較，并根據(jù)方程(34)計(jì)算幅度(“a”)(步驟112)。將計(jì)算出的幅度代入方程(32)，并計(jì)算x2的值(步驟114)。x2的值用于確定對(duì)系統(tǒng)的干擾程度(步驟116)。通常，值較小的x2表示較小的干擾，而值較大的x2表示較大的干擾。
參考圖11，過程200描述了用于確定位置指示值的方法。該過程從渦流檢測(cè)開始(步驟202)，例如過程100。如果檢測(cè)到渦流，則在計(jì)算位置指示值(步驟206)之前進(jìn)行補(bǔ)償(步驟204)，否則過程可直接進(jìn)行到計(jì)算位置指示值的步驟(步驟206)。
在檢測(cè)方案中可包括多個(gè)場(chǎng)發(fā)生器線圈(例如2、4、8、12、…)。多個(gè)線圈有利于提供增強(qiáng)的靈敏度和冗余備份。由于與一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)發(fā)生器和/或傳感器線圈耦合，使得存在的導(dǎo)電物體會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾。
x2的值也可用于協(xié)助將系統(tǒng)“調(diào)諧”到特定頻率范圍，以便獲得對(duì)不同類型的導(dǎo)電物體的靈敏度。例如，在中頻范圍內(nèi)通常更容易檢測(cè)到不銹鋼物體，而在低頻范圍內(nèi)更容易檢測(cè)到鋁制物體。其他因素例如物體的幾何形狀等也會(huì)影響到靈敏度的范圍。一旦確定了一個(gè)特定導(dǎo)電物體的靈敏度范圍，就可在更小的靈敏度范圍(例如低頻范圍)中使用方程(34)以得到“a”的值。如此過程的動(dòng)機(jī)源于導(dǎo)電物體可以建模為低通RL電路(即濾波器)。
已對(duì)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了描述。然而，應(yīng)當(dāng)清楚，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可進(jìn)行各種修改。從而，其它實(shí)施例也落入所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種失真補(bǔ)償方法，包括確定第一位置指示信號(hào)和第二位置指示信號(hào)中的至少一個(gè)的無擾相位；確定第一頻率下的第一位置指示信號(hào)的幅度與第二頻率下的第二位置指示信號(hào)的幅度的無擾比值；確定位置指示信號(hào)的受擾幅度和受擾相位；以及根據(jù)受擾幅度和受擾相位、無擾幅度比值和無擾相位，調(diào)整位置指示。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括計(jì)算第一位置指示信號(hào)的渦流相位和第二位置指示信號(hào)的渦流相位間的關(guān)系。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定第一或第二位置指示信號(hào)的幅度與第三頻率下的第三位置指示信號(hào)的幅度的第二無擾比值，以及根據(jù)第二無擾比值進(jìn)一步調(diào)整位置指示。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一頻率是第二位置指示信號(hào)的上次諧波，而第二頻率是第一位置指示信號(hào)的下次諧波。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中上次諧波為基頻。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中下次諧波為三次諧波。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一頻率小于第二頻率。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用多頻波形產(chǎn)生多個(gè)頻率。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中該多頻波形為線性調(diào)頻波形。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所選擇的第一頻率和第二頻率是諧波相關(guān)的。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)多個(gè)位置指示信號(hào)重復(fù)該失真補(bǔ)償方法。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括檢測(cè)導(dǎo)電物體中渦流的存在。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中對(duì)渦流的存在的檢測(cè)包括監(jiān)測(cè)第一位置指示信號(hào)的幅度與第二位置指示信號(hào)的幅度的比值。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中對(duì)渦流的存在的檢測(cè)包括檢測(cè)該無擾相位的變化。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)無擾相位的確定包括測(cè)量漸近相位值，并利用該漸近相位值計(jì)算無擾相位。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中對(duì)無擾相位的確定包括迭代計(jì)算相位值和調(diào)整用于計(jì)算無擾相位的漸近相位值。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括從傳感器接收第一和第二位置指示信號(hào)的實(shí)部和虛部。
18.一種失真補(bǔ)償方法，包括確定描述無擾頻率函數(shù)的特征數(shù)學(xué)公式；監(jiān)測(cè)特征數(shù)學(xué)公式的特征以指示導(dǎo)電物體的存在；以及調(diào)整特征數(shù)學(xué)公式，以補(bǔ)償受擾頻率函數(shù)的失真。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中對(duì)特征數(shù)學(xué)公式的特征的監(jiān)測(cè)包括在后面的實(shí)時(shí)測(cè)量中監(jiān)測(cè)特征數(shù)學(xué)公式的特征。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中特征數(shù)學(xué)公式是復(fù)數(shù)多項(xiàng)式函數(shù)。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中受擾頻率函數(shù)描述了位置指示信號(hào)的實(shí)部和虛部。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中受擾頻率函數(shù)描述了位置指示信號(hào)的幅度和相位。
23.一種用于檢測(cè)導(dǎo)電物體的存在的方法，該方法包括確定無擾磁跟蹤系統(tǒng)的特征頻率函數(shù)；測(cè)量受擾實(shí)時(shí)頻率函數(shù)；利用受擾實(shí)時(shí)頻率函數(shù)對(duì)該無擾頻率函數(shù)的卡方最小化，計(jì)算位置指示信號(hào)的實(shí)部和虛部；根據(jù)特征頻率函數(shù)和受擾實(shí)時(shí)頻率函數(shù)計(jì)算卡方值；以及監(jiān)測(cè)該卡方值，以檢測(cè)能指示導(dǎo)電物體的存在的變化。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中對(duì)特征頻率函數(shù)的確定包括根據(jù)無擾位置指示信號(hào)確定特征頻率函數(shù)。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括監(jiān)測(cè)多個(gè)位置指示信號(hào)的卡方值。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中對(duì)所述多個(gè)位置指示信號(hào)中的至少一個(gè)的卡方值的變化的檢測(cè)能指示出導(dǎo)電物體的存在。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括確定、計(jì)算并監(jiān)測(cè)多個(gè)頻率的卡方值。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中對(duì)在特定頻率范圍對(duì)卡方值的變化的檢測(cè)能夠指示出特定類型的導(dǎo)電物體的存在。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中該特定頻率范圍是中頻范圍。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中該特定頻率范圍是低頻范圍。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其中該特定頻率范圍是高頻范圍。
32.如權(quán)利要求28所述的方法，還包括在未受到特定類型的導(dǎo)電物體的影響的頻率范圍內(nèi)，確定位置指示信號(hào)。
33.一種方法，包括測(cè)量導(dǎo)電物體的特征；根據(jù)所定義的特征確定渦流相位；測(cè)量受擾幅度；以及根據(jù)渦流相位、無擾傳感器相位以及受擾幅度計(jì)算無擾幅度。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中對(duì)導(dǎo)電物體的特征的測(cè)量包括在靜止的傳感器的鄰近區(qū)域內(nèi)移動(dòng)導(dǎo)電物體；以及收集一組受擾數(shù)據(jù)點(diǎn)。
35.如權(quán)利要求33所述的方法，還包括根據(jù)計(jì)算所得的無擾幅度來補(bǔ)償位置指示。
36.如權(quán)利要求33所述的方法，其中數(shù)值方法用于求解一組方程。
37.如權(quán)利要求33所述的方法，其中封閉解用于求解一組方程。
全文摘要
失真補(bǔ)償方法包括確定第一位置指示信號(hào)和第二位置指示信號(hào)中之一的無擾相位。該方法包括確定第一頻率處的第一位置指示信號(hào)的幅度與第二頻率下的第二位置指示信號(hào)的幅度的無擾比值。該方法還包括確定位置指示信號(hào)的受擾幅度，并根據(jù)受擾幅度和受擾相位、無擾幅度比值以及無擾相位來調(diào)整位置指示。該方法還包括確定第一位置指示信號(hào)和第二位置指示信號(hào)的渦流相位間的關(guān)系。
文檔編號(hào)G01N27/90GK1774202SQ200480009830
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2004年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月17日
發(fā)明者約翰·M.·涅米寧, 斯特凡·R.·基爾希 申請(qǐng)人:北方數(shù)字化技術(shù)公司