多功能数字化建筑参数检测仪器设计

刘兴伟，龚光华，薛涛，李荐民

(1.清华大学 工程物理系，北京 100084；2.清华大学 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室；3.清华大学 飞思卡尔培训中心)



多功能数字化建筑参数检测仪器设计

刘兴伟1,2,3，龚光华1,2,3，薛涛1,2,3，李荐民1,2,3

(1.清华大学 工程物理系，北京 100084；2.清华大学 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室；3.清华大学 飞思卡尔培训中心)

本文设计实现了一种应用于建筑领域的多功能数字化检测仪器。该仪器可以实现建筑领域最常用的倾角、角度、距离和平整度等物理量的数字化测量，精度均可达到或优于目前使用的多种其它测量仪器组合达到的精度指标，并且可以方便的与数据库互联，实现测量任务的下载和测量结果的上传。本设计填补了国内建筑行业多功能数字化、网络化测量领域的空白。

建筑检测；多功能；数字化；网络化

引 言

在建筑检测领域，通常有倾角、角度、距离和平整度等物理量需要测量。当前通常使用传统的建筑工程检测器[1]，其中包括垂直检测尺，阴阳角检测尺、卷尺和塞尺，完成上述物理量的测量。这些最常使用的测量仪器分别可以达到表1所列的测量精度[2]。

表1 常用测量仪器精度

已有的建筑工程检测器通常不能实现数字化显示和存储，更不能实现网络化的测量任务下载和测量结果上传，并且这些仪器通常是独立的多个器件，给携带和使用带来诸多不便。随着生产力的发展，传统的工程检测器已经越来越难以满足生产的需求。另一方面，传感器技术的发展为这些物理量的测量提供了新的低成本、高精度的多功能数字化实现方式。例如，倾角的测量可以用加速度计实现，参考文献[3]使用加速度计原理的倾角计芯片实现了精度为4×10-4°的倾角测量；角度的测量可以利用旋转编码器实现，随着编码器精度不断提高，国内的编码器分辨率已经达到25位[4]，而14位的编码器足以实现精度0.02°的角度测量；距离测量可以使用激光测距实现，采用强度调制位相测距原理实现的激光测距仪通常可以实现几毫米到几十米的量程和毫米级的精度[5]。通过合理的传感器选型和适当的软硬件和机械设计，表1中的测量精度都能够得到满足。

另外，实现测量仪器对被测对象的识别，网络化任务下载和测量结果的上传也都成为了可能。本文旨在设计一种数字化测量仪器，该仪器不仅要实现传统测量仪器的全部功能，达到相应的性能指标，还要实现与数据库互联，从而能够进行测量任务的下载和测量结果的上传，以避免过失误差。本文还给出了该测量仪器的精度测试方法，并给出了测试精度。

1 系统设计

测量仪器要实现的核心功能包括数字化的倾角、角度、距离和平整度的测量、RFID读写、数据传输和必要的人机交互功能。本章将介绍几种测量原理和系统的具体实现方式。

1.1 测量原理

图1 单轴加速度测倾角原理

倾角的测量可以使用加速度计原理的倾角计传感器实现,最简单的采用单轴倾角计进行倾角测量原理如图1所示。当传感器水平放置时，重力加速度在传感器上的分量为0，此时传感器测量得到的结果为0点偏置aoffset；当传感器相对于水平面有夹角θ时，重力加速度将在传感器上产生分量。

因此，相对于水平方向的倾角可表示为：

这种倾角测量方式存在3个明显的缺陷：

① 在水平位置附近灵敏度最高，随着倾角增大，在90°附近，加速度对倾角的灵敏度趋近于0。与此同时，与其垂直的轴上的加速度对倾角的灵敏度在增加[6]。以SCA100T-D02倾角计为例，该倾角计使用模拟输出在水平位置附近0.0035°的分辨率，我们计算其从0°～90°附近的1 LSB对应的角度变化如图2所示，由此可见，在90°附近时，这种测量方式的精度极大地降低。

图2 利用单轴倾角计测量角度时1LSB对应的角度

② 只能测量-90°～+90°，无法测量-180°～+180°。

③ 在式(1)中存在重力加速度g，而不同纬度对应的重力加速度不同，采用这种测量方式无疑增加了仪器的标定复杂度。

改进的方案是采用双轴加速度计进行测量。原理如图 3所示，该方案同时测量相互垂直的两个方向上的加速度。相对于水平位置的倾角可以表示为

图3 双轴加速度计测倾角原理

再以SCA100T-D02倾角计为例，计算在这种测量方式下，1LSB对应的角度变化如图 4所示。由此可见，这种测量方式在整个量程内都有较高的精度。利用双轴倾角计组合可以测量整个竖直平面内的倾角，并且在式(2)中没有出现重力加速度g，也就避免了需要标定g的问题。因此，采用双轴倾角计测量倾角的方式有效弥补了单轴倾角计测倾角的缺陷。

图4 利用双轴倾角计测量倾角1LSB对应的角度

角度的测量可以使用编码器实现,编码器可以直接测量旋转的角度，从而进行角度测量。如图 5所示的L型结构可以绕编码器的中轴旋转，L型结构与壳体共同构成角度尺，用于测量阴阳角。

图5 结构简图

平整度测量实际上是借助角度测量实现的。测量原理如图 6所示，A部分为靠尺，测量时靠尺紧贴被测平面。B为靠尺上带有的与设备上可以配合的滑槽，将设备C沿滑槽滑动，依靠角度尺测到的角度变化计算被测平面的平整度。

图6 角度测量示意图

距离测量通过激光测距模块实现,激光测距模块发出激光照射到被测平面，反射回来的激光被激光测距模块接收，从而测量出仪器到被测平面之间的距离。

1.2 硬件设计

根据系统所需要的功能，设计出如图 7所示的硬件框架。下面分别描述各个模块的功能及实现方式。

采用ARM Cotex-M0+ 架构的KL25单片机作为处理核心，负责外部设备的控制、传感器数据的获取和处理等。KL25单片机兼顾性能和低功耗设计，非常适合在该测量仪器上使用。

使用SCA100T-D02双轴倾角计芯片，倾角分辨率可以达到0.003 5°，芯片内部集成温度传感器，可以很方便地进行温漂的标定和补偿。该倾角计具有模拟和SPI协议的数字接口，非常方便数据获取。该芯片被广泛应用于倾角测量领域。

图7 仪器硬件框架

采用Vishay公司的971-0002电阻式编码器，编码器的精度取决于外部ADC，当使用14位的ADC时，可以达到0.02°的精度。该编码器拥有5×106次的使用寿命，按照每天使用1000次估算，可以使用13.7年。

选用激光测距模块，量程从40～70 m不等，精度可以达到±1 mm。激光测距模块的通信接口为UART。控制指令通过UART传给激光测距模块，激光测距模块通过UART返回测量结果或状态信息。

采用HC-08蓝牙4.0解决方案，通过串口与MCU进行通信。HC-08蓝牙模块可以很方便地与支持蓝牙4.0的手机、平板等建立连接，并进行数据交互。

采用唯一ID芯片，每个芯片有唯一串号，用于给设备进行编号；RFID读写卡采用PN532解决方案，该方案通过UART、SPI或I2C与MCU进行通信，可实现对5 cm内IC卡读写；采用实时时钟芯片，可以利用备用纽扣电池供电，以保证在主电池没电或被拆下的情况下，时钟信息不回复位；采用彩色LCD屏，该LCD屏可作为触摸屏，并且足够可靠；采用外置Flash，通过SPI协议与MCU进行通信；电源管理采用BQ24195锂电池管理方案，负责管理锂电池的充放电，并为设备提供主电源。主电源经降压后，为设备各组成模块供电。

1.3 软件设计

软件主要实现人机交互、各功能模块的工作时序以及各传感器的滤波算法和标定算法等。设备在正常使用时的软件流程如图8所示，细节的底层实现在此不做具体说明。测量仪器的程序运行于KL25单片机，此处使用CodeWarrior开发环境进行程序开发和调试。

图8 软件流程图

1.4 结构设计

机械结构需要满足两个方面的需求:一是要为内部各功能模块提供足够可靠的支撑，二是要通过一定的结构、工作面配合内置的传感器实现所需要的测量功能。因此设计了图5所示的机械结构。

2 性能测试方法

倾角计的测试借助精密的三轴旋转平台进行，其读数精度高于0.01°。测试平台如图 9所示。通过平台旋转，使得被测轴在竖直平面内转动，读取倾角计测量得到的转动角度，并与平台实际转动角度加以对比，从而得到倾角测量的精度。

图9 倾角计测试平台

由于倾角计的精度高于角度尺，角度尺的精度测试可以借助倾角计实现。通过将角度尺的角尺固定，在竖直平面内旋转机壳，读取旋转的倾角和角度，通过对比可以得到角度测量的精度。

平整度测量的精度取决于角度尺的精度和角度尺的机械参数，可以通过角度尺直接计算得到。

激光测距模块的精度可以直接通过查阅技术手册得到。得益于系统电源方案设计，本仪器可以在不加电池的情况下，使用mini-B USB接口直接供电。此时，可以借助USB电流测量模块测量系统工作电流，从而可以计算系统不同工作状态下的功耗，进而得到仪器的续航能力。

3 测试结果

倾角计的测试结果如表2所列，可以看出，本方案所实现的倾角计读数精度为0.01°，精度等级为0.1级。

角度传感器的测量结果如表3所列。其读数精度为0.01°，精度等级为0.5级。

表2 倾角计测试结果

表3 角度计测试结果

平整度测量的读数精度可以到0.1 mm，借助角度传感器测量平整度的计算公式为h=lcosθ。其中，l为L型角度尺摆臂与被测平面的接触点到转轴的距离, θ为角度尺读到的角度。l取10 cm，在θ为30°附近，根据误差传递公式可以计算平整度测量误差为0.5 mm。

另外，倾角和角度传感器均可以借助旋转平台进行标定和补偿，将用于传感器补偿的数据写入设备内置的Flash中，以实现更低误差的测量。

本机功耗测试结果如表 4所列。仪器使用两节18 650锂电池供电，总电量为5 200 mAh，电压3.7 V，仪器正常使用时功耗为5 V×150 mA，由此估算，仪器满功率工作可以使用约26 h。

表4 仪器不同状态下工作电流

结 语

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