多功能數(shù)字化建筑參數(shù)檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)

劉興偉，龔光華，薛濤，李薦民

(1.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084；2.清華大學(xué) 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.清華大學(xué) 飛思卡爾培訓(xùn)中心)

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多功能數(shù)字化建筑參數(shù)檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)

劉興偉1,2,3，龔光華1,2,3，薛濤1,2,3，李薦民1,2,3

(1.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084；2.清華大學(xué) 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.清華大學(xué) 飛思卡爾培訓(xùn)中心)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的多功能數(shù)字化檢測(cè)儀器。該儀器可以實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域最常用的傾角、角度、距離和平整度等物理量的數(shù)字化測(cè)量，精度均可達(dá)到或優(yōu)于目前使用的多種其它測(cè)量?jī)x器組合達(dá)到的精度指標(biāo)，并且可以方便的與數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量任務(wù)的下載和測(cè)量結(jié)果的上傳。本設(shè)計(jì)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)多功能數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量領(lǐng)域的空白。

建筑檢測(cè)；多功能；數(shù)字化；網(wǎng)絡(luò)化

引 言

在建筑檢測(cè)領(lǐng)域，通常有傾角、角度、距離和平整度等物理量需要測(cè)量。當(dāng)前通常使用傳統(tǒng)的建筑工程檢測(cè)器[1]，其中包括垂直檢測(cè)尺，陰陽(yáng)角檢測(cè)尺、卷尺和塞尺，完成上述物理量的測(cè)量。這些最常使用的測(cè)量?jī)x器分別可以達(dá)到表1所列的測(cè)量精度[2]。

表1 常用測(cè)量?jī)x器精度

已有的建筑工程檢測(cè)器通常不能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示和存儲(chǔ)，更不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)量任務(wù)下載和測(cè)量結(jié)果上傳，并且這些儀器通常是獨(dú)立的多個(gè)器件，給攜帶和使用帶來(lái)諸多不便。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，傳統(tǒng)的工程檢測(cè)器已經(jīng)越來(lái)越難以滿足生產(chǎn)的需求。另一方面，傳感器技術(shù)的發(fā)展為這些物理量的測(cè)量提供了新的低成本、高精度的多功能數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方式。例如，傾角的測(cè)量可以用加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)，參考文獻(xiàn)[3]使用加速度計(jì)原理的傾角計(jì)芯片實(shí)現(xiàn)了精度為4×10-4°的傾角測(cè)量；角度的測(cè)量可以利用旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)，隨著編碼器精度不斷提高，國(guó)內(nèi)的編碼器分辨率已經(jīng)達(dá)到25位[4]，而14位的編碼器足以實(shí)現(xiàn)精度0.02°的角度測(cè)量；距離測(cè)量可以使用激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)，采用強(qiáng)度調(diào)制位相測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)的激光測(cè)距儀通?？梢詫?shí)現(xiàn)幾毫米到幾十米的量程和毫米級(jí)的精度[5]。通過(guò)合理的傳感器選型和適當(dāng)?shù)能浻布蜋C(jī)械設(shè)計(jì)，表1中的測(cè)量精度都能夠得到滿足。

另外，實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x器對(duì)被測(cè)對(duì)象的識(shí)別，網(wǎng)絡(luò)化任務(wù)下載和測(cè)量結(jié)果的上傳也都成為了可能。本文旨在設(shè)計(jì)一種數(shù)字化測(cè)量?jī)x器，該儀器不僅要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的全部功能，達(dá)到相應(yīng)的性能指標(biāo)，還要實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)，從而能夠進(jìn)行測(cè)量任務(wù)的下載和測(cè)量結(jié)果的上傳，以避免過(guò)失誤差。本文還給出了該測(cè)量?jī)x器的精度測(cè)試方法，并給出了測(cè)試精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量?jī)x器要實(shí)現(xiàn)的核心功能包括數(shù)字化的傾角、角度、距離和平整度的測(cè)量、RFID讀寫(xiě)、數(shù)據(jù)傳輸和必要的人機(jī)交互功能。本章將介紹幾種測(cè)量原理和系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式。

1.1 測(cè)量原理

圖1 單軸加速度測(cè)傾角原理

傾角的測(cè)量可以使用加速度計(jì)原理的傾角計(jì)傳感器實(shí)現(xiàn),最簡(jiǎn)單的采用單軸傾角計(jì)進(jìn)行傾角測(cè)量原理如圖1所示。當(dāng)傳感器水平放置時(shí)，重力加速度在傳感器上的分量為0，此時(shí)傳感器測(cè)量得到的結(jié)果為0點(diǎn)偏置aoffset；當(dāng)傳感器相對(duì)于水平面有夾角θ時(shí)，重力加速度將在傳感器上產(chǎn)生分量。

因此，相對(duì)于水平方向的傾角可表示為：

這種傾角測(cè)量方式存在3個(gè)明顯的缺陷：

① 在水平位置附近靈敏度最高，隨著傾角增大，在90°附近，加速度對(duì)傾角的靈敏度趨近于0。與此同時(shí)，與其垂直的軸上的加速度對(duì)傾角的靈敏度在增加[6]。以SCA100T-D02傾角計(jì)為例，該傾角計(jì)使用模擬輸出在水平位置附近0.0035°的分辨率，我們計(jì)算其從0°～90°附近的1 LSB對(duì)應(yīng)的角度變化如圖2所示，由此可見(jiàn)，在90°附近時(shí)，這種測(cè)量方式的精度極大地降低。

圖2 利用單軸傾角計(jì)測(cè)量角度時(shí)1LSB對(duì)應(yīng)的角度

② 只能測(cè)量-90°～+90°，無(wú)法測(cè)量-180°～+180°。

③ 在式(1)中存在重力加速度g，而不同緯度對(duì)應(yīng)的重力加速度不同，采用這種測(cè)量方式無(wú)疑增加了儀器的標(biāo)定復(fù)雜度。

改進(jìn)的方案是采用雙軸加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。原理如圖 3所示，該方案同時(shí)測(cè)量相互垂直的兩個(gè)方向上的加速度。相對(duì)于水平位置的傾角可以表示為

圖3 雙軸加速度計(jì)測(cè)傾角原理

再以SCA100T-D02傾角計(jì)為例，計(jì)算在這種測(cè)量方式下，1LSB對(duì)應(yīng)的角度變化如圖 4所示。由此可見(jiàn)，這種測(cè)量方式在整個(gè)量程內(nèi)都有較高的精度。利用雙軸傾角計(jì)組合可以測(cè)量整個(gè)豎直平面內(nèi)的傾角，并且在式(2)中沒(méi)有出現(xiàn)重力加速度g，也就避免了需要標(biāo)定g的問(wèn)題。因此，采用雙軸傾角計(jì)測(cè)量?jī)A角的方式有效彌補(bǔ)了單軸傾角計(jì)測(cè)傾角的缺陷。

圖4 利用雙軸傾角計(jì)測(cè)量?jī)A角1LSB對(duì)應(yīng)的角度

角度的測(cè)量可以使用編碼器實(shí)現(xiàn),編碼器可以直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)的角度，從而進(jìn)行角度測(cè)量。如圖 5所示的L型結(jié)構(gòu)可以繞編碼器的中軸旋轉(zhuǎn)，L型結(jié)構(gòu)與殼體共同構(gòu)成角度尺，用于測(cè)量陰陽(yáng)角。

圖5 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

平整度測(cè)量實(shí)際上是借助角度測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。測(cè)量原理如圖 6所示，A部分為靠尺，測(cè)量時(shí)靠尺緊貼被測(cè)平面。B為靠尺上帶有的與設(shè)備上可以配合的滑槽，將設(shè)備C沿滑槽滑動(dòng)，依靠角度尺測(cè)到的角度變化計(jì)算被測(cè)平面的平整度。

圖6 角度測(cè)量示意圖

距離測(cè)量通過(guò)激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn),激光測(cè)距模塊發(fā)出激光照射到被測(cè)平面，反射回來(lái)的激光被激光測(cè)距模塊接收，從而測(cè)量出儀器到被測(cè)平面之間的距離。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)所需要的功能，設(shè)計(jì)出如圖 7所示的硬件框架。下面分別描述各個(gè)模塊的功能及實(shí)現(xiàn)方式。

采用ARM Cotex-M0+ 架構(gòu)的KL25單片機(jī)作為處理核心，負(fù)責(zé)外部設(shè)備的控制、傳感器數(shù)據(jù)的獲取和處理等。KL25單片機(jī)兼顧性能和低功耗設(shè)計(jì)，非常適合在該測(cè)量?jī)x器上使用。

使用SCA100T-D02雙軸傾角計(jì)芯片，傾角分辨率可以達(dá)到0.003 5°，芯片內(nèi)部集成溫度傳感器，可以很方便地進(jìn)行溫漂的標(biāo)定和補(bǔ)償。該傾角計(jì)具有模擬和SPI協(xié)議的數(shù)字接口，非常方便數(shù)據(jù)獲取。該芯片被廣泛應(yīng)用于傾角測(cè)量領(lǐng)域。

圖7 儀器硬件框架

采用Vishay公司的971-0002電阻式編碼器，編碼器的精度取決于外部ADC，當(dāng)使用14位的ADC時(shí)，可以達(dá)到0.02°的精度。該編碼器擁有5×106次的使用壽命，按照每天使用1000次估算，可以使用13.7年。

選用激光測(cè)距模塊，量程從40～70 m不等，精度可以達(dá)到±1 mm。激光測(cè)距模塊的通信接口為UART?？刂浦噶钔ㄟ^(guò)UART傳給激光測(cè)距模塊，激光測(cè)距模塊通過(guò)UART返回測(cè)量結(jié)果或狀態(tài)信息。

采用HC-08藍(lán)牙4.0解決方案，通過(guò)串口與MCU進(jìn)行通信。HC-08藍(lán)牙模塊可以很方便地與支持藍(lán)牙4.0的手機(jī)、平板等建立連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

采用唯一ID芯片，每個(gè)芯片有唯一串號(hào)，用于給設(shè)備進(jìn)行編號(hào)；RFID讀寫(xiě)卡采用PN532解決方案，該方案通過(guò)UART、SPI或I2C與MCU進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)對(duì)5 cm內(nèi)IC卡讀寫(xiě)；采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以利用備用紐扣電池供電，以保證在主電池沒(méi)電或被拆下的情況下，時(shí)鐘信息不回復(fù)位；采用彩色LCD屏，該LCD屏可作為觸摸屏，并且足夠可靠；采用外置Flash，通過(guò)SPI協(xié)議與MCU進(jìn)行通信；電源管理采用BQ24195鋰電池管理方案，負(fù)責(zé)管理鋰電池的充放電，并為設(shè)備提供主電源。主電源經(jīng)降壓后，為設(shè)備各組成模塊供電。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、各功能模塊的工作時(shí)序以及各傳感器的濾波算法和標(biāo)定算法等。設(shè)備在正常使用時(shí)的軟件流程如圖8所示，細(xì)節(jié)的底層實(shí)現(xiàn)在此不做具體說(shuō)明。測(cè)量?jī)x器的程序運(yùn)行于KL25單片機(jī)，此處使用CodeWarrior開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

圖8 軟件流程圖

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)需要滿足兩個(gè)方面的需求:一是要為內(nèi)部各功能模塊提供足夠可靠的支撐，二是要通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)、工作面配合內(nèi)置的傳感器實(shí)現(xiàn)所需要的測(cè)量功能。因此設(shè)計(jì)了圖5所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2 性能測(cè)試方法

傾角計(jì)的測(cè)試借助精密的三軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行，其讀數(shù)精度高于0.01°。測(cè)試平臺(tái)如圖 9所示。通過(guò)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，使得被測(cè)軸在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，讀取傾角計(jì)測(cè)量得到的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并與平臺(tái)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度加以對(duì)比，從而得到傾角測(cè)量的精度。

圖9 傾角計(jì)測(cè)試平臺(tái)

由于傾角計(jì)的精度高于角度尺，角度尺的精度測(cè)試可以借助傾角計(jì)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)將角度尺的角尺固定，在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)殼，讀取旋轉(zhuǎn)的傾角和角度，通過(guò)對(duì)比可以得到角度測(cè)量的精度。

平整度測(cè)量的精度取決于角度尺的精度和角度尺的機(jī)械參數(shù)，可以通過(guò)角度尺直接計(jì)算得到。

激光測(cè)距模塊的精度可以直接通過(guò)查閱技術(shù)手冊(cè)得到。得益于系統(tǒng)電源方案設(shè)計(jì)，本儀器可以在不加電池的情況下，使用mini-B USB接口直接供電。此時(shí)，可以借助USB電流測(cè)量模塊測(cè)量系統(tǒng)工作電流，從而可以計(jì)算系統(tǒng)不同工作狀態(tài)下的功耗，進(jìn)而得到儀器的續(xù)航能力。

3 測(cè)試結(jié)果

傾角計(jì)的測(cè)試結(jié)果如表2所列，可以看出，本方案所實(shí)現(xiàn)的傾角計(jì)讀數(shù)精度為0.01°，精度等級(jí)為0.1級(jí)。

角度傳感器的測(cè)量結(jié)果如表3所列。其讀數(shù)精度為0.01°，精度等級(jí)為0.5級(jí)。

表2 傾角計(jì)測(cè)試結(jié)果

表3 角度計(jì)測(cè)試結(jié)果

平整度測(cè)量的讀數(shù)精度可以到0.1 mm，借助角度傳感器測(cè)量平整度的計(jì)算公式為h=lcosθ。其中，l為L(zhǎng)型角度尺擺臂與被測(cè)平面的接觸點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離, θ為角度尺讀到的角度。l取10 cm，在θ為30°附近，根據(jù)誤差傳遞公式可以計(jì)算平整度測(cè)量誤差為0.5 mm。

另外，傾角和角度傳感器均可以借助旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，將用于傳感器補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)寫(xiě)入設(shè)備內(nèi)置的Flash中，以實(shí)現(xiàn)更低誤差的測(cè)量。

本機(jī)功耗測(cè)試結(jié)果如表 4所列。儀器使用兩節(jié)18 650鋰電池供電，總電量為5 200 mAh，電壓3.7 V，儀器正常使用時(shí)功耗為5 V×150 mA，由此估算，儀器滿功率工作可以使用約26 h。

表4 儀器不同狀態(tài)下工作電流

結(jié) 語(yǔ)

Multi-functional Digital Measuring Instrument Design in Building Trade

Liu Xingwei1,2,3,Gong Guanghua1,2,3,Xue Tao1,2,3,Li Jianmin1,2,3

(1.Department of Engineering Physics,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Key Laboratory of Particle&Radiation Imaging,Ministry of Education,Tsinghua University;3.Tsinghua-Freescale Training Center)

In the paper,the multi-functional digital instrument used in building trade is designed,which can realize the digital measurement of the physical quantity such as the inclination,angle, distance and flatness.The accuracy is equal to or better than the conventional instruments.The instrument provides the wireless connection which can store and transmit the results.It realizes the download and upload of measurement tasks.The design fills the blank of the multi-functional digital and networked measuring in the building trade.

construction quality testing;multi-function;digitization;networking

TP198.7

A