巷道断面测定仪的研制.pdf

第6期
矿山测量
2010年12月
MINE SURYEYING
Dec.2010
oi:10.3969/j.isn.1001-358X.2010.06.017
巷道断面测定仪的研制
石愛',余新明,吴学军',杨伟忠2,邓金灿
江汉大学化学与环境工程学院,湖北武汉430056;
广西华锡集团股份有限公司科技部,广西柳州545006
3.广西高峰矿业有限责任公司,广西河池547205)
摘要:把曲边扇形的极坐标积分求解扇形面积和弧长的原理运用在巷道断面积和周长的测量上。采
用ARM和单片机及激光探头等主要部件,研制了巷道断面测定仪。巷道断画测定仪能够实现断面
的面积和周长的自动测量,通过模拟巷道断面的测试,巷道断面测定仪的误差小、精度高、测量方便,
能为巷道断面及地下工程提供高效便捷的测曼。
关键词:断面极坐标积分;断面测量;嵌入式计算机;巷道测量仪
中图分类号:P204
文献标识码:B
文章编号:1001~-358X(2010)06-0054-03
尽管我国地下工程的数量迅速增加,但适合地整个断面的面积和周长由dA和求和得到。扇形
下工程断面测量的仪器还相对滞后,甚至还在大量极坐标微元面积和周长示意如图2。
使用塔尺等较原始的测量工具,这种测量工具在使
用过程中,相对耗时,测量误差大…2。虽然也有测
单片机控制单元P步进电机驱动器
机转动机构
量技术人员尝试把全站仪用在巷道断面的测量中,
ARM系统数据
距离数
激光测距传感器
但毕竟该仪器不具备巷道测量功能,而在巷道测量
存储显示
使用中受到限制。针对巷道断面测量仪器的现状,
图1巷道断面测定仪原理图
本文结合研制过程,介绍巷道断面自动快速测定仪
的原理、结构、测试结果、仪器误差等方面的内容。
巷道断面测定仪采用高精度激光测距传感器实现了
巷道断面的快速测量。测定仪可以同时存储和显示
所获得的测试数据,仪器所提供的接口能转移测量
图2极坐标面积和周长测量极坐标原理图
数据到计算中,并用计算机软件实现巷道断面的绘
图2中,d,dA,d,r分别是测量角、微元面积、
制、支护工程量等计算。
微元曲线长和所测两点距离。断面的面积和周长分
别由式(1)和式(2)表示
原理及结构
巷道断面涸定仪对巷道断面积和周长的测量是
在激光测距传感器获得距巷道表面到仪器之间的距
=∑d=rda
离数据基础上,利用曲边扇形面积和周长的极坐标
根据上述原理研制的巷道断面测定仪的硬件结
积分,通过上位机软件设置测量角度,完成不同测量构由激光测距探头、单片机(下位机)、Mini2440嵌人
角度下的测量,再由上位机软件计算、存储、显示断式系统(上位机)、旋转驱动机构、壳体5个部分构
面的面积和周长数据。仪器原理图如图1所示。
成。主要技术指标如表1。
巷道断面测定仪对断面面积和周长的测量依据
2巷道断面的测试
是两个基本参数:距离数据和所设置的测量角。按
曲边面积和曲线段的极坐标积分获得激光测距传感
巷道断面测定仪在上述硬件配置上,嵌入式操
器所扫过的曲边扇形的微元面积dA和扇形弧长d。作系统软件采用 Windows CE,测量应用软件采用面
向VC++语言开发,单片机通讯和驱动控制程序采
项目支持:武汉市大气污染控紛工猩研究基地项目
用汇编语言开发,整个仪器的软件系统将在后续的
第6期
石零等:巷道断面测定仪的研制
2010年12月
论文中加以详细论述。为检验巷道断面测定仪的关
平均值的标准差:SE_SD
键性能指标,设计了模拟巷道断面并进行了测式。
2.1规则断面的测试
上述式中,n为样本的大小。
断面的四个表面中,有两个表面为普通水泥砂
运用统计工具的统计数据表明,在数据精确到
浆刷白,一个水磨石表面,一个石膏板表面,这些表小数后两位数的情况上,断面面积的平均值为12.52
面均是漫反射表面。断面的高为3.95m,宽为m2,中位数是12.53,标准差为0.03,平均值的标准
3.15m,周长为14.20m,断面积12.44m2。测量的差为0.010,面积平均值为12.53的置信水平为
断面如图3所示。
98%,面积数值的变化量仅0.087m2。相对课差小
于0.58%。
石膏板表面
周长的平均值为14.65m,周长的标准差(SD)
为1.1333,平均值的标准差为0.4007,中位数为
普通水泥沙浆表面
14.26,周长测量数据的变化为0.28m,周长平均值
普通水泥沙浆表面刷
为17.53的置信水平98%,相对误差小于1.25%。
2.2不规则断面的测试
不规则断面与图3的不同在于:在水磨石表面
145
白
白水石表面
上,布置了6块侧面为白色的泡沫塑料块(如图3),
这样布置的优点:一是便于手工测量断面积和周长
的值;二是切实模拟不规则断面。图3的截面积为
图3测量断面示意图
使用巷道断面测定仪对该表面进行测试,测试12.2359m2,周长为15.321m。不规则模拟断面的
断面积是12.2384m2,周长是17.321m。模拟不规
数据如表2。
表1主要技术指标
则巷道断面测定仪所测数据如表3。
表3模拟不规则斷面測量数据表
名称
参数
测距
序号测量角断面周长m断面面积m2备注
操作温度
10℃~50C
14.9515
12.2699顺时针测量
测量角度
0.5°(min)
14.9549
12.2702顺时针测量
测距精度
tlmm(0.1-10m)
12.2789顺时针测量
电源
12V铅酸蓄电池(~220V接口)
14.9482
顺时针测量
外接端口类型
USB
14.9481
12.2793顺时针测量
14.9474
12.2793顺时针测量
表2矩形断面测量数据表
7114.947412.2793顺时针测量
序号测量角断面周长m断面面积m2备注
由表3可知,断面周长的均值为14.95m,标准
12.53顺时针测量
14,45
12.443顺时针测量
差(SD)为0.00329,平均值的标准差(SE)为
14,26
12.53顺时针测量0.00124,中位数14.9482,相对误差小于0.031%。
14.2
顺时针测量断面面积的均值为12.2765m,标准差(SD)为
14.17
顺时针测量
0.00445,平均值的标准差(SE)为0.00168,中位数
14.26
12.53顺时针测量
12.279,相对误差小于0.054%。巷道断面仪所测数
8
14.26
12.53顾时针测量据的断面面积和周长的均值,与手工所测值比较,巷
根据表1测试数据检验巷道断面测定仪的可靠道断面仪所测断面面积较手工值小0.0406m2,周长
性,采用数据统计的标准差、中位数、平均标准差等小0.