基于激光測距儀的巷道變形測量裝置設(shè)計(jì)

李云生

（衡陽市規(guī)劃設(shè)計(jì)院測量隊(duì) 湖南 衡陽 421001）

基于激光測距儀的巷道變形測量裝置設(shè)計(jì)

李云生

（衡陽市規(guī)劃設(shè)計(jì)院測量隊(duì) 湖南 衡陽 421001）

針對高應(yīng)力作用下巷道變形破壞會阻斷交通的問題，本研究致力于開發(fā)設(shè)計(jì)一種基于激光測距儀的巷道變形測量裝置。通過加入顯示器、激光發(fā)射器和激光接收器能夠?qū)ο锏赖膫?cè)壁進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測并直接的將測量結(jié)果顯示出來。裝置以STM32單片機(jī)為核心，配合激光脈沖計(jì)數(shù)器原理，便于測量人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總。最后通過測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：測量10～200米的不同長度的巷道變形過程中，變形處的測距誤差在0.3m以內(nèi)，變形度絕對誤差在24 mm。因此，本實(shí)用新型巷道變形測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量所得數(shù)據(jù)誤差小，適合推廣使用。

激光測距；脈沖發(fā)射；變形測量；STM32單片機(jī)

巷道變形檢測是建筑安全檢測的重要內(nèi)容之一，數(shù)字?jǐn)z影測量因其具有非接觸測量、測量速度快、對生產(chǎn)影響小等特點(diǎn)，用于巷道變形測量有無可比擬的優(yōu)勢[1-3]。現(xiàn)有的用于巷道變形的測量裝置，測量的精度較低[4]，尤其是在巷道這種危險(xiǎn)性較高的場所，即使是細(xì)微的變化，造成的影響也是很大的[5]，一旦誤差過大就很容易造成安全隱患[6]。而且現(xiàn)有的用于測量細(xì)微巷道形變的設(shè)備，由于很少采用固定安裝的支撐結(jié)構(gòu)[7]，所以穩(wěn)定性較差，測量的誤差也就比較大，現(xiàn)有的測量設(shè)備，沒有能夠直觀顯示測量結(jié)果的裝置，使用起來較為麻煩[8]。本研究設(shè)計(jì)了一種基于激光測距儀的巷道變形測量裝置?？偟膩碚f，本實(shí)用新型巷道變形測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量所得數(shù)據(jù)誤差小，適合推廣使用。

1　系統(tǒng)組成

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

激光測距系統(tǒng)是由STM32單片機(jī)[9]、脈沖發(fā)射電路[10]、脈沖檢測電路[11]和高速計(jì)時(shí)芯片F(xiàn)PGA組成。如圖1所示。

圖1　激光脈沖測量系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，發(fā)射高電平為激光脈沖信號給高速計(jì)時(shí)芯片F(xiàn)PGA[12]，各部分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)調(diào)工作。FPGA收到激光脈沖信號后計(jì)時(shí)器清零并發(fā)送脈寬在0.02us以上并且寬度可調(diào)的窄激光脈沖，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)。窄激光脈沖經(jīng)過高電壓發(fā)射電路后，激光脈沖峰值由原來電壓變?yōu)楦邏?，可以適應(yīng)更長巷道的測量。激光脈沖在空氣中傳播后返回到激光脈沖檢測電路，F(xiàn)PGA收到計(jì)時(shí)結(jié)束信號，計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。同時(shí)，F(xiàn)GPA對接收機(jī)到的激光脈沖信號高電壓時(shí)，STM32單片機(jī)計(jì)算巷道變形測量結(jié)果。

1.2激光脈沖計(jì)數(shù)

發(fā)射激光脈沖同時(shí)接收端開始接收激光脈沖，對波形進(jìn)行高速采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行儲存計(jì)算，這樣就可以得到返回的波形的信息[12]。激光脈沖返回波形如圖2所示。

圖2　激光脈沖返回波形圖

高速采樣值保存在數(shù)組中，求的返回的激光脈沖最大值與最小值位置分別為M與M0[13]。由STM32的采樣頻率f，可得到接收到脈沖的時(shí)間公式為[14]：

則巷道變形處的距離為：

因此巷道變形絕對誤差為：

其中，v為激光脈沖傳播速度，以光速為標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合STM32采樣頻率為10 MHz[15]，根據(jù)公式計(jì)算出兩個(gè)墻面平值點(diǎn)與峰值凸起點(diǎn)之間的距離，當(dāng)激光脈沖回波峰值在兩個(gè)采樣點(diǎn)之間時(shí)，則取不到精確的距離[16]，如果提高采樣頻率，則會減小誤差。

2　技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1方案設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的實(shí)用新型測量裝置技術(shù)方案如下：一種基于激光測距儀的巷道變形測量裝置，包括外殼和支撐臺，外殼的左上側(cè)外表面設(shè)有顯示器，外殼的左下側(cè)設(shè)有控制器，控制器的右側(cè)設(shè)有蓄電池，蓄電池與控制器電連接，外殼的右下側(cè)設(shè)有激光發(fā)射器，外殼的右側(cè)對應(yīng)激光發(fā)射器設(shè)有透光孔，激光發(fā)射器的上部設(shè)有激光接收器，激光發(fā)射器和激光接收器均與控制器電連接，激光接收器的外側(cè)連接有進(jìn)光罩，外殼的底部安裝有支撐臺。外殼的右上側(cè)設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口的內(nèi)側(cè)設(shè)有風(fēng)機(jī)，外殼的左側(cè)留有出風(fēng)口。支撐臺為圓片結(jié)構(gòu)。支撐臺的下側(cè)連接有支架。支架設(shè)有3組，且每組支架的下側(cè)均固定連接有支架片。激光測距儀裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中：1外殼、2顯示器、3進(jìn)風(fēng)口、4風(fēng)機(jī)、5出風(fēng)口、6控制器、7蓄電池、8激光發(fā)射器、9透光孔、10激光接收器、11進(jìn)光罩、12支撐臺、13支架、14支架片。其中，外殼（1）和支撐臺（12）構(gòu)成了整個(gè)裝置的主體，外殼（1）的左上側(cè)外表面設(shè)有顯示器（2），外殼（1）的左下側(cè)設(shè)有控制器（6），控制器（6）的右側(cè)設(shè)有蓄電池（7），蓄電池（7）與控制器（6）電連接。該裝置利用激光測距儀測量巷道的變形程度，其特征在于：外殼（1）的右下側(cè)設(shè)有激光發(fā)射器（8），外殼（1）的右側(cè)對應(yīng)激光發(fā)射器（8）設(shè)有透光孔（9），激光發(fā)射器（8）的上部設(shè)有激光接收器（10），激光發(fā)射器（8）和激光接收器（10）均與控制器（6）電連接，激光接收器（10）的外側(cè)連接有進(jìn)光罩（11），外殼（1）的底部安裝有支撐臺（12）。外殼（1）的右上側(cè)設(shè)有進(jìn)風(fēng)口（3），進(jìn)風(fēng)口（3）的內(nèi)側(cè)設(shè)有風(fēng)機(jī)（4），外殼（1）的左側(cè)留有出風(fēng)口（5）。支撐臺（12）為圓片結(jié)構(gòu)。支撐臺（12）的下側(cè)連接有支架（13）。支架（13）設(shè)有三組，且每組支架（13）的下側(cè)均固定連接有支架片（14）。

2.2具體實(shí)施

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的圖1，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

本實(shí)用新型提供一種技術(shù)方案：一種基于激光測距儀的巷道變形測量裝置，包括外殼1和支撐臺12，外殼1的左上側(cè)外表面設(shè)有顯示器2，顯示器2能夠?qū)κ占降臄?shù)據(jù)進(jìn)行直觀的顯示，便于測量人員進(jìn)行檢測，外殼1的右上側(cè)設(shè)有進(jìn)風(fēng)口3，進(jìn)風(fēng)口3的內(nèi)側(cè)設(shè)有風(fēng)機(jī)4，外殼1的左側(cè)留有出風(fēng)口5，進(jìn)風(fēng)口3與出風(fēng)口5構(gòu)成了一個(gè)小的空氣循環(huán)系統(tǒng)，便于對設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)散熱，避免長時(shí)間的運(yùn)行，產(chǎn)生高溫對設(shè)備造成損壞，外殼1的左下側(cè)設(shè)有控制器6，控制器6的右側(cè)設(shè)有蓄電池7，蓄電池7與控制器6電連接，外殼1的右下側(cè)設(shè)有激光發(fā)射器8，外殼1的右側(cè)對應(yīng)激光發(fā)射器8設(shè)有透光孔9，激光發(fā)射器8的上部設(shè)有激光接收器10，激光發(fā)射器8和激光接收器10均與控制器6電連接，激光接收器10的外側(cè)連接有進(jìn)光罩11，進(jìn)光罩11能夠?qū)Ψ瓷涞募す馐M(jìn)行收集并傳輸?shù)郊す饨邮掌?0，外殼1的底部安裝有支撐臺12，支撐臺12為圓片結(jié)構(gòu)，支撐臺12能夠穩(wěn)定的安放設(shè)備，防止發(fā)生偏移，提高測量精度，支撐臺12的下側(cè)連接有支架13，支架13設(shè)有三組，且每組支架13的下側(cè)均固定連接有支架片14，支架片14能夠防止支架13下陷，尤其是在巷道這種泥濘的地方，一旦支架13偏移，測量的精準(zhǔn)度就會大打折扣，因此支架片14能夠進(jìn)一步的提高測量精度。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證基于激光測距儀的巷道變形測量裝置的性能，在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，采用激光測距儀分別對10米、50米、100米和200米巷道進(jìn)行多次測量，得到如下結(jié)果。距離取的是5次測量的結(jié)果，如表1所示。

表1　激光脈沖變形測量結(jié)果

由表1所示，變形處的測距誤差在0.3 m以內(nèi)，雖然理論變形絕對誤差在24 mm，但是相對于上百米甚至上千米的巷道來說還是很準(zhǔn)確的。為了進(jìn)一步提高精確度，采取測量多次球平均值的方法提高測量精確度。

4　結(jié)束語

本實(shí)用新型的有益效果是：此基于激光測距儀的巷道變形測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，通過加入顯示器結(jié)構(gòu)，能夠直接的將測量結(jié)果顯示出來，便于測量人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通過加入激光發(fā)射器和激光接收器結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ο锏赖膫?cè)壁進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總，通過加入支撐臺結(jié)構(gòu)，能夠穩(wěn)定的安放測量設(shè)備，從而確保設(shè)備不會發(fā)生偏移，增加了增量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過實(shí)地的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果表明，測量10、50、100和200米的不同長度的巷道變形過程中，變形處的測距誤差在0.3 m以內(nèi)，變形度絕對誤差在24 mm?？偟膩碚f，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，測量所得數(shù)據(jù)誤差小，適合推廣使用。

[1]徐劍坤，彭威，王震威.巷道變形數(shù)字?jǐn)z影測量實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦安全，2013，44（10）:63-65.

[2]張桁維，郝敬賓，朱文杰，等.復(fù)合式圖像監(jiān)測技術(shù)在井下測量中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015，28（2）:89-91.

[3]王德永，袁艷斌，陳穎.基于GA-BPNN的巷道圍巖變形模量預(yù)測[J].金屬礦山，2013（3）:9-13.

[4]袁鳳培，閆相宏，劉杰.基于超聲波測距的巷道兩幫變形量測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2011，37（11）:49-53.

[5]王連國，侯化強(qiáng)，孫建，等.高應(yīng)力回采巷道圍巖破裂機(jī)理及危險(xiǎn)性評價(jià)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（3）:361-365.

[6]趙偉，柏發(fā)松，吳桁，等.高突礦井巷道掘進(jìn)過程中危險(xiǎn)源預(yù)警系統(tǒng)的研究[J].工礦自動化，2010，36（3）:1-3.

[7]李輝.淺析煤礦破碎軟巖巷道控制技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（28）:130-130.

[8]齊占波，王宇，王士偉.煤礦巷道掘進(jìn)成套設(shè)備及施工工藝研究[J].煤炭技術(shù)，2010，29（9）:60-62.

[9]周慧.基于STM32單片機(jī)的HJ/T212通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)[J].電子世界，2012（24）:36-37.

[10]蔡舉，石軍，劉南平.等.脈沖發(fā)射電路的參數(shù)優(yōu)化UWB[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（2）:10-13.

[11]馬有良，任同.光電編碼器脈沖檢測電路設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（10）:76-77

[12]張松，李筠.FPGA的模塊化設(shè)計(jì)方法[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28（5）:560-565.

[13]郭利生，王 薪，何金梅.開關(guān)控制LC振蕩電路脈沖發(fā)射方法[J].電子科技，2015，28（7）:18-20.

[14]孫志紅，董軍，夏彥文，等.高功率激光裝置調(diào)頻脈沖時(shí)間波形測試技術(shù)研究[J].中國激光，2013（11）:46-50

[15]董寶玉，薛嚴(yán)冰，馬馳，等.基于AD9854與STM32的頻率特性測試儀設(shè)計(jì)[J].化工自動化及儀表，2014（6）:655-659

[16]雷志勇，李永昌，劉星，等.一種用FPGA提高激光測距精度的改進(jìn)方法[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（5）:361-366.

Deformation measurement device based on a laser rangefinder roadway

LI Yun-sheng
（Hengyang City Planning and Design Institute survey team，Hengyang 421001，China）

Based on the deformation and failure will block traffic problems roadway under high stress，the present study is to develop designs based on laser rangefinder roadway deformation measuring device.By adding a display，a laser transmitter and laser receiver capable of side walls of the tunnel in real time to detect and direct measurement results are displayed.Means STM32 microcontroller core，with laser pulse counter principle，easy to measure personnel data is calculated，and the data collected summary.Finally，the measurement results show:measuring 10-200 meters，different lengths of roadway deformation process，deformation ranging error at less than 0.3m，the degree of deformation absolute error in 24mm.Thus，the utility model roadway deformation measurement simple structure，the measured data error is small，suitable for promotion use. Key words:laser range finder；pulse emission；deformation measurement；STM32 microcontroller

TN249

A

1674－6236（2016）21-0138-03

2016-03-24稿件編號：201603326

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271167)

李云生(1969—)，男，湖南衡南人，高級工程師、主任工程師、注冊測繪師。研究方向：工程測量生產(chǎn)、管理及GIs應(yīng)用。