司劍峰 陳浩 鐘冬望

摘 要 工程中往往需要對(duì)大型的圓周截面建構(gòu)筑物或設(shè)備的直徑或周長進(jìn)行測(cè)量，然而現(xiàn)有測(cè)試方法或技術(shù)存在無法測(cè)量或精度較差的問題，為解決大量圓周截面參數(shù)測(cè)量的問題，提出了一種基于手持式移動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)的間接測(cè)量方法間接測(cè)出圓周上任意大于3個(gè)點(diǎn)在該移動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后通過解三元二次方程組或多元擬合的方式間接求解出圓周直徑或周長的方法?；谠摐y(cè)量計(jì)算方法，介紹了其基本原理，并以超聲波測(cè)距模塊為例設(shè)計(jì)了測(cè)試設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)及主要模塊電路圖。最后分析了該測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)，可供同領(lǐng)域工程人員參考。

關(guān)鍵詞 圓周參數(shù) 間接測(cè)量 模塊設(shè)計(jì) 測(cè)量設(shè)備

中圖分類號(hào)：O411.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0緒論

圓周截面參數(shù)的測(cè)量在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用主要包括管道、柱形容器、圓弧形結(jié)構(gòu)建筑物等直徑或者周長的測(cè)量。現(xiàn)有的大直徑測(cè)量方法也較多，包括大型千分尺、 尺、皮尺直接測(cè)量，弦高法、三點(diǎn)法、切點(diǎn)法、滾輪法、標(biāo)記法、激光掃描等間接測(cè)量法。然而在實(shí)際工程測(cè)量中測(cè)試環(huán)境復(fù)雜多變、測(cè)試對(duì)象形態(tài)各異，以上測(cè)量技術(shù)和方法不能滿足測(cè)試要求。直接測(cè)量法具有精度高的特點(diǎn)，然而大多工程中遇到的測(cè)量問題是無法直接進(jìn)行測(cè)量的，且該方法的主觀性較大，測(cè)量精度無法保證;弦高法、三點(diǎn)法、切點(diǎn)法、滾輪法、標(biāo)記法等間接測(cè)量法需要接觸被測(cè)物體，這一點(diǎn)在某些測(cè)量中也無法滿足條件。激光掃描法和視覺測(cè)量法是一種間接的非接觸式測(cè)量方法，具有較好的精度和穩(wěn)定性，但是這一類測(cè)試往往設(shè)備自身的體積及重量較大，不適于野外工程測(cè)量。

激光/聲波是較為常用的測(cè)距設(shè)備，激光/聲波測(cè)距具有精度高、操作方便、穩(wěn)定性好、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。若采用激光/聲波對(duì)圓形區(qū)域基本尺寸進(jìn)行測(cè)量，則需要提前定位出圓心位置。然而，工程測(cè)試中大多數(shù)是無法確定圓心位置的。同時(shí)，該方法也僅適用于平面圓周的測(cè)量。因此，在工程中遇到此類測(cè)量項(xiàng)目時(shí)會(huì)面臨諸多問題而無法準(zhǔn)確測(cè)量出準(zhǔn)確數(shù)值。

1基本原理

1.1基本思路

通常的測(cè)量方法分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量具有直觀、精準(zhǔn)的特點(diǎn);間接測(cè)量是通過測(cè)量其他參數(shù)再經(jīng)過計(jì)算或者變換后得到的數(shù)值。在幾何圖形圓中，半徑R及圓心O是其重要的幾何參數(shù)。如果已知半徑R，則可計(jì)算出周長、面積等參數(shù)，因此半徑R的獲得至關(guān)重要。在平面坐標(biāo)系中，圓周線是一個(gè)圓，可用（0）2+（0）2=R2來表示，其中0、0為圓心坐標(biāo)，R為半徑。如果已知圓周上三個(gè)任意點(diǎn)的坐標(biāo)，代入上述圓方程即可求出0、0、R三個(gè)值。

1.2測(cè)試原理

本測(cè)試儀器主要由電源、顯示屏、按鍵、攝像頭、測(cè)距模塊、開關(guān)、外殼幾部分組成。測(cè)距模快收發(fā)裝置包括三組收發(fā)器和三個(gè)角度轉(zhuǎn)動(dòng)器。在實(shí)際測(cè)量過程中，假設(shè)第一組測(cè)距收發(fā)器水平向下轉(zhuǎn)動(dòng) 角度發(fā)射訊號(hào)，第二組測(cè)距?？焓瞻l(fā)器水平發(fā)射訊號(hào)，第三組收發(fā)器水平向上轉(zhuǎn)動(dòng) 角度發(fā)射訊號(hào)，且相鄰兩組收發(fā)器之間的間隔距離為h，通過三組測(cè)距?？焓瞻l(fā)器檢測(cè)到待測(cè)圓周上點(diǎn)距離對(duì)應(yīng)收發(fā)器之間的距離分別為a、b、c，則第一組收發(fā)器照射到圓周上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為A（a·cos ，-a·sin ），第二組收發(fā)器照射到圓周上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為B（b，h），第三組收發(fā)器照射到圓周上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為C（c·cos ，2h+c·sin ），于是根據(jù)圓周上任意三點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)即可求得待測(cè)圓周的半徑，從而可以計(jì)算出圓的周長及面積，同時(shí)亦可定位出圓心相對(duì)測(cè)試儀的相對(duì)坐標(biāo)。如圖1所示。

2基本結(jié)構(gòu)及模塊設(shè)計(jì)

以超聲波測(cè)距模塊為例，結(jié)合設(shè)計(jì)原理做了基本結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)。如圖2中，1為電池倉為設(shè)備提供電源， 2為顯示屏用以顯示攝像頭拍攝的對(duì)象及測(cè)距數(shù)據(jù)，3為按鍵用以輸入命令，4為攝像頭，5和6為測(cè)距模塊，8為把手， 9為電源開關(guān)。以上各部分按照?qǐng)D3功能示意圖進(jìn)行工作。

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2模塊電路設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)備主要分為5個(gè)模塊：系統(tǒng)模塊、電源模塊、串口模塊、超聲波模塊和液晶顯示模塊，如圖4所示為該5個(gè)模塊的電路原理示意圖。

3主要技術(shù)問題

（1）根據(jù)測(cè)試對(duì)象特點(diǎn)確定數(shù)據(jù)采集要求及系統(tǒng)精度。

（2）根據(jù)精度要求、數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性等多方面因素進(jìn)行激光測(cè)距模塊的選型。

（3）確定傳感器及數(shù)據(jù)傳輸與計(jì)算方案。

4結(jié)論及展望

本文將圓周截面參數(shù)測(cè)試儀器采用的是基于儀器自身局部坐標(biāo)系統(tǒng)的激光測(cè)量方法。對(duì)于小型的標(biāo)準(zhǔn)圓截面測(cè)試對(duì)象，只需要手持該儀器，對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體，即可顯示被測(cè)物體的圓截面參數(shù);大型測(cè)試對(duì)象，可手持儀器對(duì)測(cè)試物體多次測(cè)量求取平均值。除此之外，該測(cè)試儀器還可從待測(cè)物體內(nèi)部對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量，更加增大了此儀器的實(shí)用性。該測(cè)試儀器可用于某圓弧形狀的建筑物、煙囪、水塔、冷卻塔、管道等截面的尺寸，能夠?yàn)闇y(cè)量制圖、拆除設(shè)計(jì)或者改造設(shè)計(jì)提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量范圍可在1米到幾百米，甚至更大，能廣泛應(yīng)用于土木、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域，具有操作簡(jiǎn)便、精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

基金項(xiàng)目：冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢科技大學(xué)）開放基金（Y201717）;湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（Q20181109）;武漢科技大學(xué)教研項(xiàng)目（2019X055）。

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