基于外接圆孔径测量法的深孔测量系统研制

张 白，刘 杰，孔德超，王 磊

(1.北方民族大学电气信息工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏送变电工程有限公司，宁夏 银川 750001)

0 引言

电力行业是国民经济的命脉。电力输送系统是确保用户正常用电的关键。输电线路铁塔作为电力输送的关键基础设施，其安装的稳定性直接影响电力系统的安全性。为了保证输电线路铁塔的稳定、可靠，需要在安装地面位置开挖相应配套的标准基础深孔。所开挖基础深孔的直径与深度合格与否决定了电力塔架的稳定性与安全性[1]。项目掏挖基础深孔数量较多，孔口直径相对较小、孔深大、施工危险性高等一直是掏挖基础施工和验槽的痛点。

现有的孔径测量仪主要分为接触式和非接触式两类[2]。接触式孔径测量仪使用机械测量工具进行孔径测量[3]。非接触式孔径测量仪运用光学[4-6]或者机器视觉进行孔径测量[7-9]。王家贵等提出利用迈克尔逊干涉仪设计孔径测量仪器[10]。唐瑞尹等提出将小波变换、数学形态学和机器视觉相结合的圆形零件孔径测量法[11]。张龙飞提出基于二次曲线不变量测孔的视觉检测技术[12]。上述测量方式适用于小孔径理想条件的精密测量领域。而电力塔基孔径测量环境较差、待测孔深较大，因此上述测量方式不适用。

基于电力塔基直径与深度大、人工测量危险性高等特点，电力施工企业迫切需要研制一种电力塔基深孔测量系统来填补电力塔基基础深孔自动测量的空白，以解决深孔测量的行业难题。本文针对该技术难题开展研究，设计了新型自动化深孔测量系统。该研究不仅可以解决电力塔基深孔测量的技术难题，而且可以解决桥梁、通信基站等行业的深孔测量难题。

1 深孔半径测量原理

大直径深孔测量面临两个难题，首先是测量仪器过圆心，其次是测量截面与深孔轴线垂直。常规激光测距仪进行直径测量时难以保证通过圆心。因此，本文提出一种外接圆孔径测量法，采用120°等角度分布的三个精密激光测距仪进行距离测量。由于三个激光测距仪两两间隔120°排列，可以根据三个激光测距仪测量三个距离值中的任意两个，通过余弦定理构建三角形的一边，从而依次获得三角形的三条边。三角形所在外接圆即深孔截面圆。根据内接三角形的三边边长，即可获得当前孔径的半径值。

本文提出的测量方法不受测量装置所在待测圆内位置的影响，测量精度仅受激光测距仪和机械结构精度的影响，可以在保证激光测距仪和机械结构精度的前提下实现高精度孔径测量。深孔半径测量原理如图1所示。

图1 深孔半径测量原理Fig.1 Deep hole radius measurement principle

图1中：d1、d2、d3分别为激光测距仪所在直线的交汇点至深孔内壁的距离；θ1=θ2=θ3=120°。

半径计算公式如式(1)～式(5)所示。

根据余弦定理，可计算得出三角形abc三边边长，分别如式(1)、式(2)、式(3)所示。

式中：lac为圆内接三角形的一条边长；d1、d2为激光测距仪所在直线的交汇点至深孔内壁的距离；θ1为d1、d2的夹角。

式中：lab为圆内接三角形的一条边长；d3为激光测距仪所在直线的交汇点至深孔内壁的距离；θ2为d2、d3的夹角。

式中：lbc为圆内接三角形的一条边长；θ3为d1、d3的夹角。

由三角形外接圆计算式，可得测量孔半径值为：

式中：p为三角形周长的一半。

式中：r为圆半径。

孔径测量的第二个难题是测量截面与深孔轴线垂直。为此，本文将孔径测量装置设置在电子水平调整器上，通过电子水平调整器实现测量仪器的水平调节，且在孔径测量装置上设置水平传感器对孔径测量装置的测量结果进行修正，从而进一步提高测量仪器的测量精度。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括提升装置和旋转半径测量装置两部分。提升装置用于提升旋转半径测量装置到达指定孔深处进行半径的测量。旋转半径测量装置主要进行孔径和孔深的测量，并将测量数据上传至电脑端。

2.1 系统整体技术方案

由于电力塔基深孔最大孔深可达20 m，有线通信的方式不适合深孔测量系统。本文采用433 MHz频段无线通信方式实现孔内数据通信，通过微处理器处理无线控制指令并进行相应测量作业。深孔测量系统架构如图2所示。

图2 深孔测量系统架构图Fig.2 Architecture diagram of deep hole measuring system

深孔测量系统采用STM32F103CBT6微控制器作为核心，通过接收上位机下发的指令进行孔径孔深测量、水平倾角数据获取、半径数据计算、半径数据补偿及数据上传等操作。如图2所示，该系统由无线数据收发模块、STM32最小系统电路、电子水平调整器、水平倾角传感器、旋转舵机、电源系统、孔径测量传感器及孔深测量激光测距仪等组成。无线数据收发模块用于接收测量指令及上传测量数据。STM32F103CBT6微控制器用于接收上位机下发的指令，并对指令进行解析，根据指令数据进行相应操作。电子水平调整器用于保持孔径测量传感器水平。孔径测量传感器采用三个激光测距仪等角度分布设计，利用外接圆孔径测量法实现孔径测量。孔深激光测距仪用于获取孔深数据，置于测量装置的正下方。水平倾角传感器用于获取当前孔径测量传感器的水平倾角值，并对测得的半径值进行修正。旋转舵机用于控制半径测量传感器旋转，实现同一孔深位置的多次半径测量。为了确保半径测量精度，本文设计了硬件触发测量方式，用硬件触发控制半径测量传感器的三个激光测距仪同时测量，然后通过RS-485总线读取三个激光测距仪的数值，避免了因半径测量传感器在空中摆动而对半径测量的影响。

2.2 提升装置设计

电力塔基深孔测量系统的提升机构采用减速电机，在实现小型化的同时保证了输出扭矩满足需求。由于步进减速电机成本低、控制方便，常规产品的精度与扭矩完全满足项目需求。因此，本文使用步进减速电机构建提升机构。同时，电力塔基深孔测量系统的测量装置依托提升系统实现升降运动，需要机械部件提供支撑。而常规的支撑机构为三角支撑架。常规提升机构采用单三脚架支撑提升机构。但该方案会造成测量系统搭建过程中，操作人员必须靠近深孔才能完成三角支撑架的安装定位。

为此，本文提出了双三脚架支撑系统。该系统将提升机构设置在横梁上，由两侧三脚架完成横梁的支撑与固定，从而实现提升系统功能。该结构允许在孔外完成设备组装与操作，避免了因过于靠近深孔而造成的安全隐患。

2.3 旋转半径测量装置设计

为了方便装置对半径测量装置的提升，固定板设计为圆形铝合金板，便于对圆形深孔进行测量。同时，圆形铝合金板下方设置有旋转舵机，通过旋转舵机实现电子水平调整器的旋转。孔径测量传感器采用一体化正六棱柱结构设计，将三个激光测距仪等角度设置在正六棱柱体内，既保证了三个激光测距仪的位置设计要求，又有利于测量装置的轻量化设计要求。孔径测量传感器结构如图3所示。

图3 孔径测量传感器结构图Fig.3 Structure diagram of hole diameter measurement sensor

为了保障孔径测量装置实时水平调节，孔径测量装置安装在电子水平调整器下方。旋转舵机旋转时可以带动电子水平调整器及正六边形内孔测量传感器同时旋转，通过调整电子水平调整器调整水平角度。为了解决电子水平调整器存在的调整滞后及误差较大等问题，在孔径测量传感器的正六棱柱壳体内放置了精密水平角度传感器，以修正测量的半径结果。

3 系统上位机软件设计

为了便于对测量的半径数据及孔深数据进行评估，本文采用Java编程语言设计了深孔测量系统上位机软件。本文设计的上位机软件可以实时显示测量数据，并可以在测量结束后将测量数据保存至Excel文件，方便用户后续对孔径数据的评估与分析。为了满足不同的测量需求，上位机软件提供三种测量功能，分别为手动测量、定时测量与定点测量。为了便于用户对测量数据进行评估，在开始测量数据前可以对待测深孔理论模型进行设定，测量结束后可以将测量数据与理论模型进行对比，以图形方式显示实际孔径与理论孔径的偏差值。

3.1 测量方式

手动测量可满足用户对某个特定深度孔径测量的需求。用户可以控制测量装置下降至指定深度处进行深孔孔径的测量，增强了用户的自主性。手动测量软件界面只能实现一个深度测量。为了方便用户对深孔的自动化测量，软件设计了定时测量功能。定时测量的时间间隔在软件配置文件默认值为2 s，测量停止高度默认值为0.5 m。用户只需修改配置文件即可实现对测量方式的修改。定点测量需要用户提前设置停止测量的孔深值及一系列需要测量半径的孔深值。参数设置完成后，系统自动实现对孔深设定值的孔径测量并实时显示在上位机软件，所有设定点测量完成后测量结束。三种测量界面均提供了上升、下降、停止、旋转及测量坑深和半径的指令按钮。测量数据通过下拉列表的形式显示在界面中。通过右侧导出报告按钮，可将列表中的数据导出至Excel表格中。

3.2 测量结果偏差显示

为便于用户直观获得某深度处实际孔径值与理论孔径值的偏差，软件设计了二维偏差显示界面。在深孔测量前，用户对待测深孔的理论高度、主孔宽度、公差等进行设置，以测量深孔。测量结束后，用户点击测量界面的图形显示按钮即可切换至图形显示界面。

4 试验测试与结果分析

为了获取仪器半径测量和孔深测量数据的精确性，试验采用水盆作为待测对象。对不同深度处的水盆半径进行测量。水盆半径测量表如表1所示。

表1 水盆半径测量表Tab.1 Water basin radius measurement table /mm

由表1可知，半径小于等于213 mm、孔深小于等于185 mm时，半径和孔深测量结果误差均在1 mm以内。由本激光测距传感器误差±(2+d×0.0001)，可计算得出最大孔深为20 000 mm、最大孔直径为2 000 mm时，孔深测量误差控制在10 mm以内、孔径测量误差控制在5 mm以内。

为了验证仪器现场使用效果，对已经掏挖完成的标准孔进行测试。标准孔的最大孔深为6 200 mm、半径为500 mm。现场测试数据如表2所示。

表2 现场测试数据Tab.2 Field test data /mm

由于标准孔已经架设钢筋笼，在测试过程中激光器有可能测试的是钢筋笼直径，也有可能测试的是钢筋笼外的直径，造成半径测量值与理论半径有较大的误差。

为了确保仪器的使用精度以及精度的权威性，将研制的仪器送入具有计量检测资质的机构进行检测校准。最终结果为：孔深的测量误差小于10 mm；孔直径测量误差在400～2 000 mm范围内小于3 mm、2 000～5 000 mm范围内小于5 mm。

5 结论

本文设计的深孔测量系统经过具有计量检测资质的机构检定，孔径测量误差小于5 mm、孔深测量误差小于10 mm，可以取代人工测量。本系统提供的手动测量、定时测量和定点测量三种方式，方便用户的使用，并且上位机软件还提供图形显示界面以方便用户对测量深孔进行评估。试验结果表明，本文设计的基于外接圆孔径测量法的深孔测量系统可以在任意位置实现深孔半径测量，且半径测量传感器的实时水平状态可以控制在2°以内，完全满足电力塔基深孔测量的现场要求。该研究为深孔测量提供了一种新的解决方案。