多功能數字化建筑參數檢測儀器設計

劉興偉，龔光華，薛濤，李薦民

(1.清華大學 工程物理系，北京 100084；2.清華大學 粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室；3.清華大學 飛思卡爾培訓中心)

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多功能數字化建筑參數檢測儀器設計

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 工程物理系，北京 100084；2.清華大學 粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室；3.清華大學 飛思卡爾培訓中心)

本文設計實現了一種應用于建筑領域的多功能數字化檢測儀器。該儀器可以實現建筑領域最常用的傾角、角度、距離和平整度等物理量的數字化測量，精度均可達到或優于目前使用的多種其它測量儀器組合達到的精度指標，并且可以方便的與數據庫互聯，實現測量任務的下載和測量結果的上傳。本設計填補了國內建筑行業多功能數字化、網絡化測量領域的空白。

建筑檢測；多功能；數字化；網絡化

引 言

在建筑檢測領域，通常有傾角、角度、距離和平整度等物理量需要測量。當前通常使用傳統的建筑工程檢測器[1]，其中包括垂直檢測尺，陰陽角檢測尺、卷尺和塞尺，完成上述物理量的測量。這些最常使用的測量儀器分別可以達到表1所列的測量精度[2]。

表1 常用測量儀器精度

已有的建筑工程檢測器通常不能實現數字化顯示和存儲，更不能實現網絡化的測量任務下載和測量結果上傳，并且這些儀器通常是獨立的多個器件，給攜帶和使用帶來諸多不便。隨著生產力的發展，傳統的工程檢測器已經越來越難以滿足生產的需求。另一方面，傳感器技術的發展為這些物理量的測量提供了新的低成本、高精度的多功能數字化實現方式。例如，傾角的測量可以用加速度計實現，參考文獻[3]使用加速度計原理的傾角計芯片實現了精度為4×10-4°的傾角測量；角度的測量可以利用旋轉編碼器實現，隨著編碼器精度不斷提高，國內的編碼器分辨率已經達到25位[4]，而14位的編碼器足以實現精度0.02°的角度測量；距離測量可以使用激光測距實現，采用強度調制位相測距原理實現的激光測距儀通常可以實現幾毫米到幾十米的量程和毫米級的精度[5]。通過合理的傳感器選型和適當的軟硬件和機械設計，表1中的測量精度都能夠得到滿足。

另外，實現測量儀器對被測對象的識別，網絡化任務下載和測量結果的上傳也都成為了可能。本文旨在設計一種數字化測量儀器，該儀器不僅要實現傳統測量儀器的全部功能，達到相應的性能指標，還要實現與數據庫互聯，從而能夠進行測量任務的下載和測量結果的上傳，以避免過失誤差。本文還給出了該測量儀器的精度測試方法，并給出了測試精度。

1 系統設計

測量儀器要實現的核心功能包括數字化的傾角、角度、距離和平整度的測量、RFID讀寫、數據傳輸和必要的人機交互功能。本章將介紹幾種測量原理和系統的具體實現方式。

1.1 測量原理

圖1 單軸加速度測傾角原理

傾角的測量可以使用加速度計原理的傾角計傳感器實現,最簡單的采用單軸傾角計進行傾角測量原理如圖1所示。當傳感器水平放置時，重力加速度在傳感器上的分量為0，此時傳感器測量得到的結果為0點偏置aoffset；當傳感器相對于水平面有夾角θ時，重力加速度將在傳感器上產生分量。

因此，相對于水平方向的傾角可表示為：

這種傾角測量方式存在3個明顯的缺陷：

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

圖2 利用單軸傾角計測量角度時1LSB對應的角度

② 只能測量-90°～+90°，無法測量-180°～+180°。

③ 在式(1)中存在重力加速度g，而不同緯度對應的重力加速度不同，采用這種測量方式無疑增加了儀器的標定復雜度。

改進的方案是采用雙軸加速度計進行測量。原理如圖 3所示，該方案同時測量相互垂直的兩個方向上的加速度。相對于水平位置的傾角可以表示為

圖3 雙軸加速度計測傾角原理

再以SCA100T-D02傾角計為例，計算在這種測量方式下，1LSB對應的角度變化如圖 4所示。由此可見，這種測量方式在整個量程內都有較高的精度。利用雙軸傾角計組合可以測量整個豎直平面內的傾角，并且在式(2)中沒有出現重力加速度g，也就避免了需要標定g的問題。因此，采用雙軸傾角計測量傾角的方式有效彌補了單軸傾角計測傾角的缺陷。

圖4 利用雙軸傾角計測量傾角1LSB對應的角度

角度的測量可以使用編碼器實現,編碼器可以直接測量旋轉的角度，從而進行角度測量。如圖 5所示的L型結構可以繞編碼器的中軸旋轉，L型結構與殼體共同構成角度尺，用于測量陰陽角。

圖5 結構簡圖

平整度測量實際上是借助角度測量實現的。測量原理如圖 6所示，A部分為靠尺，測量時靠尺緊貼被測平面。B為靠尺上帶有的與設備上可以配合的滑槽，將設備C沿滑槽滑動，依靠角度尺測到的角度變化計算被測平面的平整度。

圖6 角度測量示意圖

距離測量通過激光測距模塊實現,激光測距模塊發出激光照射到被測平面，反射回來的激光被激光測距模塊接收，從而測量出儀器到被測平面之間的距離。

1.2 硬件設計

根據系統所需要的功能，設計出如圖 7所示的硬件框架。下面分別描述各個模塊的功能及實現方式。

采用ARM Cotex-M0+ 架構的KL25單片機作為處理核心，負責外部設備的控制、傳感器數據的獲取和處理等。KL25單片機兼顧性能和低功耗設計，非常適合在該測量儀器上使用。

使用SCA100T-D02雙軸傾角計芯片，傾角分辨率可以達到0.003 5°，芯片內部集成溫度傳感器，可以很方便地進行溫漂的標定和補償。該傾角計具有模擬和SPI協議的數字接口，非常方便數據獲取。該芯片被廣泛應用于傾角測量領域。

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，當使用14位的ADC時，可以達到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。

選用激光測距模塊，量程從40～70 m不等，精度可以達到±1 mm。激光測距模塊的通信接口為UART。控制指令通過UART傳給激光測距模塊，激光測距模塊通過UART返回測量結果或狀態信息。

采用HC-08藍牙4.0解決方案，通過串口與MCU進行通信。HC-08藍牙模塊可以很方便地與支持藍牙4.0的手機、平板等建立連接，并進行數據交互。

采用唯一ID芯片，每個芯片有唯一串號，用于給設備進行編號；RFID讀寫卡采用PN532解決方案，該方案通過UART、SPI或I2C與MCU進行通信，可實現對5 cm內IC卡讀寫；采用實時時鐘芯片，可以利用備用紐扣電池供電，以保證在主電池沒電或被拆下的情況下，時鐘信息不回復位；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SPI協議與MCU進行通信；電源管理采用BQ24195鋰電池管理方案，負責管理鋰電池的充放電，并為設備提供主電源。主電源經降壓后，為設備各組成模塊供電。

1.3 軟件設計

軟件主要實現人機交互、各功能模塊的工作時序以及各傳感器的濾波算法和標定算法等。設備在正常使用時的軟件流程如圖8所示，細節的底層實現在此不做具體說明。測量儀器的程序運行于KL25單片機，此處使用CodeWarrior開發環境進行程序開發和調試。

圖8 軟件流程圖

1.4 結構設計

機械結構需要滿足兩個方面的需求:一是要為內部各功能模塊提供足夠可靠的支撐，二是要通過一定的結構、工作面配合內置的傳感器實現所需要的測量功能。因此設計了圖5所示的機械結構。

2 性能測試方法

傾角計的測試借助精密的三軸旋轉平臺進行，其讀數精度高于0.01°。測試平臺如圖 9所示。通過平臺旋轉，使得被測軸在豎直平面內轉動，讀取傾角計測量得到的轉動角度，并與平臺實際轉動角度加以對比，從而得到傾角測量的精度。

圖9 傾角計測試平臺

由于傾角計的精度高于角度尺，角度尺的精度測試可以借助傾角計實現。通過將角度尺的角尺固定，在豎直平面內旋轉機殼，讀取旋轉的傾角和角度，通過對比可以得到角度測量的精度。

平整度測量的精度取決于角度尺的精度和角度尺的機械參數，可以通過角度尺直接計算得到。

激光測距模塊的精度可以直接通過查閱技術手冊得到。得益于系統電源方案設計，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，可以借助USB電流測量模塊測量系統工作電流，從而可以計算系統不同工作狀態下的功耗，進而得到儀器的續航能力。

3 測試結果

傾角計的測試結果如表2所列，可以看出，本方案所實現的傾角計讀數精度為0.01°，精度等級為0.1級。

角度傳感器的測量結果如表3所列。其讀數精度為0.01°，精度等級為0.5級。

表2 傾角計測試結果

表3 角度計測試結果

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

另外，傾角和角度傳感器均可以借助旋轉平臺進行標定和補償，將用于傳感器補償的數據寫入設備內置的Flash中，以實現更低誤差的測量。

本機功耗測試結果如表 4所列。儀器使用兩節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 儀器不同狀態下工作電流

結 語

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