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【關鍵詞】井下測量接頭；自動測量系統；應用

在信息化時代的今天，不管是何種行業都會引進一些相應的技術進行應用。就井下測量接頭來說，研制了一款井下測量接頭自動測量系統。這種自動測量系統可以對井下鉆進時的受力等情況進行實時監測，這種系統可以自動采集數據然后傳輸到地面，當把數據輸入到電腦中就可以進行細致的分析。以下為對井下測量接頭自動測量系統的結構與組成、測量系統的功能及測量系統在實際工作中的應用進行了細致的分析。

一、測量系統的結構與組成

井下測量接頭自動測量系統的結構主要由2個部分組成，分別為：一個是測力應變片，另一個是電子儀器倉。測力應變片可以通過測力筒和引線等進行檢測，其中的測力筒和引線都需要采取一定的保護措施，例如密封等。井下測量接頭自動測量系統的的硬件分為6個部分，分別為：傳感器、井下計算機、信號放大調整電路、地面回放接口板、存儲器、電池及控制電路，如圖1所示。其中對于存儲器和井下計算機的要求特別高。原因是由于數據暫放于井下，對于存儲量和速度等要求過高，所以在選取存儲器時要選擇存儲量大、不易丟失、速度快的高質量存儲器。當需要存儲的空間超負荷時，只要換一個存儲量大的芯片就可以了，這樣給井下工作者的工作帶來了便利條件。在選用計算機時要注意選擇體積小、操作方便、功能強的計算機。井下測量接頭自動測量系統的的軟件分為幾個部分，有數字處理子程序、存儲子程序和通訊程序等。如圖2所示。電池及控制電路，就是將可充電電池轉換為系統內部需要的電壓。這樣的好處是，可以在延長工作時間時保證持續供電，還可以節省電量。

電子儀器倉內幾乎存在全部的元器件（測力應變片除外），例如壓力傳感器、溫度傳感器、電路板、電池等。像放大器、單片機、存儲器、阻容元件這些電子元件，一般情況下都焊在同一電路板上（電路板需要密封、防水、防振、耐壓）。

二、測量系統的主要功能

井下測量接頭自動測量系統的主要功能有以下幾點：1、數據采集功能。測量系統可以循環采集數據，在采集時還可以進行一些數據處理。需要采集的數據，有振動、受力參數、溫度參數、加速度等參數。這種功能的有點是：節省人力、準確性高、操作簡單、可靠性高；2、數據回放功能。井下的計算機與地面上的微機，這兩臺計算機通過通訊回路將數據進行傳輸，以方便對數據舉行分析；這種功能的有點是：直觀方便、便于觀察、節省時間；3、自動存儲功能。由于現今還無法直接的向井口傳遞數據，所以采集后的數據只能放在井下，以存儲器為介質來保存數據，到地面后在把數據輸入到電腦內，最后進行各項分析。這種功能的有點是：操作方便、易于保存和攜帶；4、接受地面信號功能。地面與井下通過泥漿泵的方式傳輸控制信號，井下通過測量接頭的壓力傳感器接受信號，在識別后數據采集子程序就開始了正常工作。這種功能的有點是：誤差小、方便快捷；5、自計時功能。系統在開啟后就會自動進行計時功能，而地面上的與井下的計時是相同的。當接收到特定的信號后井下測量系統將會啟動倒計時功能，計時停止后系統也會隨之停止等待下一次的信號。這種功能的有點是：精確性高、節省時間；6、抗干擾功能。當有一些外界的條件干擾系統功能時，井下測量接頭自動測量系統可以進行自動恢復功能的正常工作狀態。這種功能的有點是：安全性高等。

三、井下測量接頭自動測量系統的應用

在進行井下測量接頭自動測量系統的實驗前需要對整個電路和傳感器分別開來，以確保數據對比度的精確性。在選取傳感器時要用體積小、耐高溫的傳感器，原因是在運用時受到結構空間、壓力等限制，所以傳感器的選擇至關重要。在進行試驗時可以采用壓力試驗臺打壓的方式檢測壓力傳感器和相關電路。如圖3所示。在進行實驗時為確保各個參數的準確性和客觀性，需要進行對比實驗。例如勝利油田側平59井和側平1井進行了井下試驗，取得了較好的實驗結果。

四、結論

井下測量接頭自動測量系統在行業中占據著重要作用，同時此它可以推動社會和經濟的發展。隨著科技的不斷進步，在井下測量中井下測量接頭自動測量系統也在不斷的完善當中。相信，井下測量接頭自動測量系統的發展回越來越好。

參考文獻

[1] 王向周，南順成，鄭戍華，王渝；MB90F540/545單片機應用系列介紹――基于MB90F549單片機的頻率測量儀[J]；電測與儀表；2012年04期.

[2] 耿艷峰；楊錦舟；閆振來；華陳全；劉寶；；基于電阻式應變片的近鉆頭工程參數測量技術研究[J]；傳感技術學報；2013年06期.

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關鍵詞：盾構;人工測量;自動測量

Abstract: This paper introduces a coastal city subway φ 6.34m earth pressure balance shield in the process of 2.1km development, to ensure smooth traffic tunnel, shield design guidance along the axis advance, manual measurement and automatic measuring method and principle of the

Key words: shield; artificial measurement; automatic measurement

中圖分類號：TU761

1 工程概況

本段區間較長，里程范圍為SK+411.527~SK5+080.520，長度為1668.993。上行線有五段曲線，曲線半徑依次為370m、1200m、650m、1000m、1000m。線路縱斷面最小坡度2‰，最大坡度25‰。隧道覆土最小為10.0m，最大為22.2m。本區間為雙線單圓盾構區間，在最低點設置旁通道（兼排水泵站）1座。

2 盾構掘進測量

對于長隧道及曲線隧道施工來講，確保掘進機(盾構)能正確地沿著設計軸線進行推進和貫通是最關鍵的問題。這一方面取決于地面控制測量的精度，另一方面更重要的是地下隧道測量、以及施工測量的精度和測量采用的技術手段。本工程采用人工測量和自動測量相結合的技術進行隧道施工測量。兩套測量系統、相互校核，不斷修正，主要相互驗證測量數據計算的準確性和測量儀器的誤差。

2.1 人工測量

2.1.1 盾構測量標志的安裝及測定

測量標志由前靶、后靶、橫向坡度、縱向坡度組成，具體實物為前后測量徠卡反射貼片和坡度板（縱向和橫向坡度都可測），進行安裝時，先測量出盾構的軸線，并把貼片和坡度板固定在盾構中心線上，前標后標應具有足夠的長度，前靶距切口越近越好。測量出前靶、后靶到盾構中心線的距離以及前靶到切口的距離、后靶到盾尾距離，以確定前

后靶與切口盾尾坐標歸算的幾何關系。

為確保整個施工期間不被破壞，設置保護記號，此項工作應有原始記錄和校核記錄，以免盾構標志數據中存在系統誤差。

初次測量時，用儀器照準前、后占牌各測量一個測回，再根據坡度板的數值確定盾構的初始姿態，方便盾構始發及時糾正。

如圖1為人工測量前后靶測設示意圖,單位（mm）：

圖1 人工測量前后靶測設示意圖

2.1.2 人工測量的相關計算

確定好前后靶與切口盾尾坐標歸算的幾何關系后，編制相關計算器程序，人工測量主要測設前標水平角，后標水平角，前標垂直角，后標垂直角，坡度和轉角。人工測量儀器為經緯儀和坡度板。測設完相關數據后進行計算。

（1）盾構計算：

坡度W和轉角U在坡度板上直接讀出；

設W=2.546m為前標至盾構中心軸線的距離，Z=2.391為后標至盾構中心軸線的距離；

G、H為經緯儀所在測站X、Y坐標，L為測站到后標方位角，R為經緯儀棱鏡高程；

:I為經緯儀所在測站到前標的平距，T為當前環號，根據所測當前環號，反算得x，等于x是測站

到第一環的距離。每次轉站都要更新。

：N為經緯儀所在測站到后標的平距，原理同上；

：K為切口里程，5.308是前標到切口的距離。測站的里程，是從第一個測站開始累加起來，每次加上新測站到上一測站的平距；

：

X為后標水平角，E為修正過的測站到后標的水平方位角；

：Y為前標水平角，F為修正過的測站到前標的水平角；

；

Q為前標垂直角；

得出三維坐標與設計軸線比較即可得出偏差。

（2）管片姿態測量

管片姿態＝盾構軸線上管片拼裝位置的偏離值計算+管片偏離盾構軸線計算的疊加。

B、C、D分別為管片拼裝完成后上右下左與盾殼之間間隙；

E、O為切口平偏和高偏，G、Q為盾尾平偏和高偏；

；K為管片里程，6.73為切口至當前環拼裝好的管片的距離；

；為水平直徑

；為垂直直徑

L為盾構長度，S為管片前端至盾尾的距離。

2.2 自動測量

為了做到對盾構機姿態的實時控制，盾構機掘進中采用盾構姿態自動監測系統。該系統是盾構機自動導向測量系統，采用ROBOTEC隧道導向系統，具有國際先進水平，適用于隧道工程施工控制的自動測量系統。采用該系統能夠確保實時、準確地控制隧道掘進，保證貫通的精度。

2.2.1 自動測量導向系統

本自動測量系統安裝了三個棱鏡，前靶一個，后靶兩個（只用一個，一個備用），安裝測定與人工測量相同。在盾構始發前，對整條隧道每一米的三維坐標計算出來，輸入自動測量系統，方便實測數據與其對比計算偏差。

如圖2為自動測量系統硬件構成：

圖2 自動測量系統硬件構成

如圖3是ROBOTEC測量系統界面

由此畫面進行測量指令的發送及設定和信息反饋等。

圖3ROBOTEC測量系統界面

2.2.2 自動測量盾構姿態計算原理

盾構機作為一個近似的圓柱體，在開挖掘進過程中我們不能直接測量其刀盤及盾尾的中心坐標，只能用間接法來推算出中心的坐標。

如圖3，A點是盾構機刀盤中心，E點是盾構機盾尾斷面中心點，即AE連線為盾構機的中心軸線，布置三個自動棱鏡B、C、D。由A、B、C、D、四點構成一個四面體，在盾構始發前測量出B、C、D 三個角點的三維坐標（xi, yi, zi）和刀盤盾尾中心的三維坐標,建立幾何關系。根據三個點的三維坐標（xi, yi, zi）分別計算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD, LCD, 四面體中的六條邊長，作為以后計算的初始值，在盾構機掘進過程中Li是不變的常量，通過對B、C、D三點的三維坐標測量來計算出A點的三維坐標。同理，B、C、D、E四點也構成一個四面體，相應地求得E 點的三維坐標。由A、E兩點的三維坐標就能計算出盾構機刀盤中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三點的三維坐標就能確定盾構機的仰俯角和滾動角，從而達到檢測盾構機姿態的目的。

圖4 盾構姿態計算原理圖

3兩套測量控制技術的比較

兩套測量系統、相互校核，不斷修正，主要相互驗證測量數據計算的準確性和測量儀器的誤差。通過比較兩者最大相差在兩厘米左右，在規定的容許范圍之內。依據自動測量系統提供的數據進行推進，管片脫出盾尾后對管環進行復測，可發現偏差基本都在5cm之內，所以本工程大部分數據依據自動測量系統，節省大量勞動力。

4結語

施工區間為1668.993m。是一般隧道的2倍左右，且曲線多、部分曲線急且長，導致導線邊數多且部分導線長度較短，而這些導線又不能閉合，直接導致盾構貫通誤差的增大。在半徑為350m的小曲線推進時，由于隧道曲率大，前方可視距離短，導致自動與人工測量移站頻繁。在本工程中，在R=350m的圓曲線隧道上，平均要20環（24米）換站一次。每次換站完成后，進行一次測量復核，調整自動與人工測量的相關數據。由于測量距離短，測量站安裝在尚未完全穩定的管片上，所以每次換站完成后，高程數據總有一定的變化。為了保證測量數據的準確性，每天進行一次復核，及時調整相關數據。這些因素給本區間的盾構推進導向測量工作增加了很大的難度，為了本區間盾構的順利推進和準確進洞貫通，就必須制訂周密的導向測量方案，并且在導向測量技術應用中采取合理有效的措施。

參考文獻：

[1] 陳饋,洪開榮,吳學松.盾構施工技術[M].北京：人民交通出版社,2009.

[2] 王靖雅，李健，董晶.地鐵盾構法施工技術淺析[J].城市建設理論研究,2012,(21):35-39.

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關鍵詞：地形測量測繪技術發展趨勢

地形測量學是研究測繪地形圖及與其有關測繪工作的理論、方法的應用技術學科。[1]地形測量是為城市、礦區以及各種工程提供不同比例尺的地形圖，以滿足城鎮規劃、礦山開采設計以及各種經濟建設的需要。

地形測繪是研究地球局部表面形狀和大小，并將其測繪成地形團的理論和技術。通過測定小范圍地表高低起伏形態和地物(如建筑物、道路、耕地等)的特征點的平面位置和高程，經相應的數據處理、采用一定的測量符號按一定的比例縮繪在圖紙上。從而獲得與相應地面幾何圖形相似的地形圖，為國家經濟建設提供設計與施工的圖紙資料。[2]

傳統的測繪包括控制測量、地形測量、施工測量、竣工測量和變形監測5個部分?，F代測繪技術自動化技術具有自動化程度高、測圖精度高、圖形屬性信息豐富和圖形編輯方便等優點。[3]

1目前地形測量的測繪自動化技術

測繪自動化是集數據采集、處理、傳輸、顯示于一體。隨著計算機、網絡技術的發展及測量儀器的智能化，測繪技術自動化技術發生了重大變革，3S技術(GPS全球定位系統、GIS地理信息系統、RS遙感)及其集成技術成為測繪技術自動化技術的核心。

1.1GPS技術GPS(GlobalPositioningSystem)稱為全球定位系統，是美國20世紀70年代開始研制的，它歷時20年，于1994年3月全面建成的利用導航衛星進行測時和測距，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統，是一種高精度、全天候、高效率、多功能的測繪工具。[4]

GPS定位技術與常規地面測量定位相比，具有抗干擾性能好、保密性強，功能多、應用廣，觀測時間短，執行操作簡便，全球、全覆蓋、全天候、高精度的特點。特別是RTK的定位精度可達厘米級，在水上定位得到了廣泛的應用。

GPSRTK(RealTimeKinematic)技術開始于90年代初，是一種全天候、全方位的新型測量系統，稱載波相位動態實時差分技術，是目前適時、準確地確定待測點的位置的最佳方式，是基于載波相位觀測值基礎上的實時動態定位技術。

GPSRTK具有定位精度高且精度分布均勻，速度快、效率高，觀測時間短，方便靈活，測程不受限制，不受通視條件影響等優點。

1.2GIS技術地理信息系統（GeographicalInformationSystem-GIS）是利用現代計算機圖形和數據庫技術來處理地理空間及其相關數據的計算機系統，是融地理學、測量學、幾何學、計算機科學和應用對象為一體的綜合性高新技術。其最大的特點就在于：它能把地球表面空間事物的地理位置及其特征有機地結合在一起，并通過計算機屏幕形象、直觀地顯示出來。[5]

GIS具有以下的基本特點：一是公共的地理定位基礎；二是多維結構；三是標準化和數字化；四是具有豐富的信息。

地理信息系統對空間地理信息進行處理，準確采集有關的數據，并對地理空間數據和信息進行處理、管理、更新和分析，是采用數據庫、計算機圖形學、多媒體等最新技術的技術系統，對現代測繪技術自動化技術的起重要支撐作用。

目前GIS地理信息將向著數據標準化(InteroperableGIS)、數據多維化(3D&4DGIS)、系統集成化(ComponentGIS)、系統智能化(CyberGIS)、平臺網絡化(WebGIS)和應用社會化(數字地球)的方向發展。

1.3RS技術遙感RS（RemoteSensing）起源于20世紀60年代，不直接接觸被研究的目標，感測目標的特征信息(一般是電磁波的反射、輻射和發射輻射)，經過傳輸、處理，從中提取人們感興趣的信息。遙感包括攝影、陸地、衛星、航空、航天攝影測量等技術。[6]遙感技術依其波譜性質，可分為電磁波遙感技術、聲學遙感技術、物理場遙感技術。

遙感信息技術已從可見光發展到紅外、微波；從單波段發展到多波段、多角度、多時相、多極化；從空間維擴展到時空維；從靜態分析發展到動態監測。

RS為GIS提供信息源，GIS為RS提供空間數據管理和分析的技術手段(圖像處理)，GPS作為GIS有力的補測、補繪手段，實現了GIS原始地圖數據的實時更新。3S的綜合應用是一種充分利用各自的技術特點，快速準確而又經濟地為人們提供所需的有關信息的新技術，三者的緊密結合，為地形測量提供了精確的圖形和數據。[6]

2測繪技術自動化技術的發展趨勢

隨著計算機、網絡技術的發展及測量儀器的系統、智能化，測繪技術自動化技術向著3G技術及集成技術自動化、實時化、數字化，數據庫和應用軟件的開發應用，三維可視化技術以及人工智能化發展。使測繪技術自動化技術能全方位的應用于地形測量中，提高了地形測量的效率和準確性。

2.13G技術及集成技術的進一步發展積極普及3G技術的應用，改進3G技術中存在問題，更新3G及其集成技術測量的方法和手段，加強測量精度和準確性，使3G技術能在地形測量測繪技術領域的應用進一步擴展。

全球數字攝影測量系統在GPS、GIS、RS和3S集成技術中的應用，對數碼攝影測量和地形測量更加普及和深化，使測繪技術向電子化、自動化、數字化方向發展。

2.2測繪軟件及數據庫的開發與更新加強地形測量數字化測繪軟件的研發，使測繪軟件系統更加高效、靈活和功能齊全，使測繪軟件技術在地形測量中起到了相當重要的作用。

更新完善信息數據庫，將采集的測量數據轉換直接進入信息數據庫，數據管理查詢方便，數據共享，實現全球數據更新和擴展空間基礎信息系統的動態管理，實現測量數據的管理科學化、標準化、信息化，實現測繪數據的傳輸網絡化、多樣化、社會化，使測繪技術走向自動化，實時化，數字化。

2.3人工智能和專家系統在測繪技術中的應用隨著計算機技術的發展和測繪技術與相關學科的交叉、綜合，人工智能和專家系統在測繪技術中有著廣泛的應用前景。計算機利用專家知識模擬人腦思維進行推理，從事智能化的數據、圖形處理和信息管理工作，極大地提高工作效率，使測繪技術向自動化、智能化發展。

全球定位系統(GPS)、數字攝影測量系統(DPS)、遙感技術(RS)、地理信息系統(GIS)和專家系統(ES)這5S技術的發展和相互結合，專家系統在其中發揮著重要的作用，專家系統對整個測量流程進行控制，并執行相應的推理、分析和處理工作，并可實現信息資源共享，實時動態監測診斷，提高效率和質量，是測繪技術通向實時、自動、智能測量系統的關鍵。

3結論

隨著計算機、網絡技術的發展及測量儀器的智能化，測繪技術自動化技術發生了重大變革，從傳統的測繪技術（例如電子測距儀、經緯儀、水準儀和平板儀）向3G技術、數字攝影測量技術以及人工智能化發展，推動了測繪技術自動化技術的活躍和革新，測繪技術朝著自動化、實時化、網絡化和數字化方向發展，使地形測量更快速、簡單、精確。

參考文獻：

[1]王運昌.地形測量學[M].冶金工業出版社.1993.p2.

[2]吳貴才.地形測量出版社[M].中國礦業大學出版社.2005.p2.

[3]李淑燕.淺談數字化測繪技術和地質工程測量的發展應用[J].科技信息.2009.25:p37.

[4]張德軍，皺順平.淺談土地測繪技術的發展[J].山西建筑.2009.35(29):p355-356.

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關鍵詞：自動站　人工觀測　降水量　誤差

德興氣象站地處江西省東北部，28°57′N,117°35′E，海拔88.5米，屬中亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明、雨量充沛。2007年升為國家基本氣象站，按中國氣象局要求，實行自動站后，仍保留人工觀測雨量器，并以人工觀測值作為氣候資料整編的依據。本站使用的自動站雨量傳感器為SL2-1型單翻斗雨量傳感器，測量分辨力為0.1mm，具有測量準確度高，測量數據可靠等特點。

一、SL2-1傳感器工作原理

降水通過一個表面積為200cm2的漏斗接收器，進過過濾流入翻斗內，當翻斗流入一定量的降水后，開始翻轉，倒空斗內的降水，翻斗的另一邊又開始接水，每次翻轉輸出一個脈沖信號（1脈沖=0.1mm降水量），通過電纜傳輸到采集器，通過必要的處理后得到相應的降水量數據。

二、資料應用

資料選取2007、2008兩年全部降水時段，人工觀測為08、20時兩次定時觀測與虹吸雨量計數據，以日為單位進行降水統計（除掉了降雪、人工降水為微量降水、自動站數據缺測日數），考慮到正點降水觀測時間的差異，對人工觀測降水時間段進行了一定的處理，若20時延續降水，并且前后兩日的降水量分別統計存在明顯的差異則將前后兩日合并作為一次降水過程。按中國氣象局《地面氣象觀測規范》對自動站儀器的要求，按≤10.0mm：差值=自動站雨量-人工站雨量、>10.0mm：差值=(自動站雨量-人工站雨量)/人工站雨量×100%兩種情況分別統計。

三、數據對比與分析

通過全年數據對比得出上表：在≤10.0mm區間，差值>0.4mm共出現7次，參照虹吸雨量自記紙，可以判斷有三次與虹吸雨量讀數、自動站相差較大，其他為自動站誤差過大。在>10.0mm區間，差值>4%的共出現21次，其中差值最大的為9%。有19次的降水過程是大于40mm以上，并通過值班日志上維護記錄得出，對于≤10.0mm的降水誤差有4點，第一，儀器處于較長時間無降水，翻斗內有塵埃而未在雨前及時清理造成；第二，出現強降水之后，儀器經過激烈的擺動翻斗位置發生變化而未及時校準；第三，降水量較小的日子，由于高溫、大風等導致的蒸發影響；對于>10.0mm降水，第一，SL2-1雨量傳感器測量降水誤差基本隨降水量、雨強增大而增大；第二，雨前進行維護能夠明顯減小數據誤差。

通過2007年與2008年各月數據對比發現SL2-1傳感器測量的降水量比人工測量的明顯偏大，對于2007年比2008年的數據差偏大與 SL2-1傳感器的維護次數（特別是雨前的維護）有關。

四、結論

1.不按要求維護SL2-1傳感器是造成測量降水的主要誤差，要長時間保持儀器的精度，主要應加強對儀器的校準和日常維護，特別是雨前的維護。

2. SL2-1雨量傳感器性能較穩定，測量誤差符合國家標準，對于降水強度與降水的連續性能很好的反應出來，但觀測值要比人工觀測值偏大，特別出現強降水時，觀測的數據誤差較大，代表性不強，所以保留人工降水觀測方式很有必要。

3.盡量不要在強降水時進行人工觀測，減小因觀測造成不必要的。

參考文獻

[1]自動氣象站測量原理和方法/胡玉峰主編.—北京：氣象出版社，2004.

[2]《氣象儀器和觀測方法指南》第六版/世界氣象組織，1996.

[3]李黃，自動氣象站實用手冊[M]氣象出版社，2007.

[4]地面氣象規范觀測/中國氣象局編.—北京：氣象出版社，2003.11.

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【關鍵詞】自動化儀表測量；光電傳輸系統；光電技術；原理

1.前言

高科技技術以飛速度發展，越來越高的工業自動化水平，使得自動化控制技術應用的領域在逐步的擴大。伴隨著微電子技術以及計算機技術的發展，測量儀器和技術也得到了最大水平的發展，先后研制出了很多的高科技、高智能的測量儀器。任何一臺儀器都離不開計算機的硬件以及軟件的支持，充分利用了其優勢，使儀器的測量功能大大增多，技術性能也得到了大幅度的提高。對于一些電參數的測量，包括電壓、電流、相位、功率等，因為有很多模擬指針式儀表的存在，例如電壓表、電流表、相位表、功率表等等，雖然很多儀器有了較高的智能化，可是這些智能儀器只能以計算機為媒介實現數據基本的打印和處理工作，未能實現真正意義上的自動化測試，工作人員的工作量還是很大，很多工作都是通過人工完成，譬如測試點必須通過人眼進行瞄準定位，手動完成儀器的操作，這樣的工作方式不但使工作效率低，而且使工作人員的工作強度較大，并且引入了大量的人為誤差。為了減小測量工作的工作周期，降低工作人員的工作量以及提高工作效率，實現儀表測量的自動化是迫切需要解決的問題。

2.光電傳輸系統的組成原理

一般情況下，光電傳輸系統是由包括光源在內的發射電路、光纖和包括光檢測器的接收電路組成。結構如圖1所示。發射電路常常由信號處理、調制以及E/O即電光轉化構成，發射電路的作用主要是使先將測量信號轉化為便于調制的信號，再通過被調制好的信號使發光二極管工作，使電信號向光信號轉化。通過光纖，光信號傳至接收電路；通常情況下，接收電路由光電轉換、信號的解調以及處理三部分組成，接收電路的主要功能是將通過光纖傳進來的光信號通過光電轉換裝置還原為電信號，再由信號解調以及處理裝置恢復成最初要被測量的電信號。光電傳輸系統通常使用由光電二極管以及發光二極管組合成的電光及光電轉化裝置，進行傳輸的光纖多采用多模光纖。

根據信號的調制和解調方式的不同，將光電傳輸系統分為三大類：模數轉換方式、壓頻轉換方式、調幅方式。詳見以上結構圖。

模數轉換方式也被稱為脈沖編碼調制方式，就是信號將通過ADC即模數轉換器來使光源工作，此時的信號為數字信號，低壓側兩端將使數字信號通過數模轉換器轉換成模擬信號.脈沖編碼調制方式的應用大大提高了光電傳輸系統的傳輸精度。對于不必將信號還原為模擬信號的電路其接收端的電路相對來說比較簡單，不必對信號進行處理，直接將信號和計算機進行連接。因為脈沖編碼調制方式對時序控制電路有要求，所以對應的電路系統比較復雜，并且導致傳輸的速度較低?？墒沁@種調制方式易與數字式的儀表連接，所以在電力控制系統以及繼電保護領域應用的較為廣泛。

壓頻轉換方式也被稱為脈沖頻率調制方式，就是通過對基帶信號的模擬進行對載沖脈波調頻，脈沖頻率的變化規律通過基帶信號的幅值變化規律進行觀察，進而光源的光強通過脈沖調頻信號進行調制。在低壓側一端，通過頻壓轉換器解調脈沖信號。通過壓頻轉換方式，存在于下文將要介紹的調幅方式中的溫度穩定性以及非線性的問題能夠有效的得到解決。并且不需要編碼，較為方便的進行解調與調制，不管環境多么復雜都可以應用該系統。在中短途的傳輸中比較適合。此外，對于光電轉換模塊的輸出，可以直接將數字信號進行輸出，不必解調。處理之后的信號在微機單元里面進行應用。

一般情況下，調幅方式即是將要進行測量的信號可以不通過調制而直接作為光源的驅動信號，通過觀察光信號的強弱來判斷被測信號的大小，光越強，被測信號越大，反之就會越小，而且在與之對應的低壓側的接收電路，也是不需要解調電路的。此種方式的光電電路具有比較簡單的結構電路，但是通過光纖的信號是模擬信號，一些外界因素例如噪音溫度等將會對信號產生較大的影響，線性度比較低，穩定性相對來說較差，所以在實際應用時具有一定的難度。其適用在外界溫度變化較小的環境里，且僅適合較短距離的傳輸。

3.光電技術在自動化儀表中實現方法及原理

要想實現測量電參數的自動化，首先要研制出可以實現人眼功能的儀器來代替人眼的測量，而且該儀器的性能和瞄準度一定要高，當前大多數使用的標準儀器例如標準源、標準表等都自帶和上位機向連接的端口，在硬件方面，要想實現測量系統的自動化還是比較簡單的，若將質量在不斷提高的CCD器件看作是一個人眼仿真技術的標準，是完全能夠實現電參數測量的自動化的。具體的結構圖如圖2所示。

3.1 利用光原理的成像系統以及分辨率較高的CCD

圖3所示的為光學成像原理圖，其體現的主要是通過遠心光學系統，使被測量的儀表指針以及表盤映射到CCD器件的表面，通過驅動器的作用，CCD器件把指針以及表盤的相關信號傳送給模數數據采集系統進行轉換。傳輸的數據在存儲器中以矩陣的形式進行存儲，便于計算機識別成像數據。通常情況下敏單元的尺寸為10m×10m的。而1024×1024為面陣CCD的尺寸。此種照明方式為同軸照明，通過光源亮度的自動調節來實現的。使用16位的模數數據采集卡進行模數信號的采集，這種采集方式可以將非線性誤差控制在0.006FSR以內，進行轉換的時間不大于17微秒。

3.2 微機控制技術

當前的計算機控制技術可以被分為兩部分內容，一部分是將VC語言作為計算機的操作平臺，與數據庫管理系統相結合共同構成了計算機控制系統的軟件，控制方式如下：通過計算機對需要檢測的指針表的測試點進行設置，譬如對于5安培的表，可以將五個點設置在20%、40%、60%、80%、100%處，分別對應著1到5安培五個點，然后通過計算機給標準源發出信號令電流進行平滑的上升，當指針與表盤的20%刻度向吻合的時候計算機將向標準源再次發出信號，令計算機對標準源上的數值進行讀數，隨之與1安培進行比較，得出誤差，對測量的結果進行儲存。當五個點都測試完以后進行測試證書的打印。

另一部分則是對數字圖像的處理軟件。首先計算機先對指針信號以及表盤刻度信號進行處理，通過中值濾波以及高斯濾波進行噪聲信號的處理；利用CANNY算子對提取圖像的邊緣，可以對噪聲的干擾進行抵抗，使得提取數據更加準確，采用灰度矩法的亞像素細分定位可以提高細分精度；為了達到更高精度的擬合度，可以將最小二乘法應用在圖像擬合工序里面。經過了上面的數字圖像化處理，可以使計算機的識別精度比人眼對刻線以及指針的識別精度高出五倍左右。

3.3 標準的三相交流源

這種交流源通常分成三個部分：（1）由精度較高的數字所合成的三相信號源。波形存儲器以及數模轉換器組成的精度非常高的三相信號源。通過脈沖調寬技術對信號源的調幅進行直流基準源的設計，對于信號源的相頻的調制可以通過頻率綜合器、鎖相環技術以及脈沖移相技術的設計來實現。將信號源作為標準，標準源的交流基準可以在較短的時間里使其穩定時間保持在20×10-6/3min；（2）電流及電壓放大器內帶有前饋控制：放大器的作用是將信號在幅值和功率方面進行放大，以便可以使自身能夠帶動功率為20瓦的負載，之所以將前饋控制技術引進來是因為此項技術為無差調節的技術，它對基準信號的準確跟蹤不受任何負載變化的影響，始終保持放大器輸入與輸出信號的一致性；（3）矢量的采樣：這是一種對全部信息進行采樣的技術，不僅包括了信號中的相位信息，還包括了幅值以及諧波信息，這些都可以在采樣完成后通過反饋控制送至控制回路。此種方案對標準源的研制結果在控制相位精度、時間響應和采用了計算式反饋以及有效值反饋所研制出的結果進行比較更符合自動化測量的要求。

4.尚未解決的問題

4.1 發射電路的供電問題

應用在較多領域中的光電傳輸系統均屬于有源系統，高壓側的供電電源是否穩定影響到了整個傳輸系統運行的可靠性，當前所了解到的有源的給高壓側的供電形式主要有三種：（1）通過高壓母線進行供電；（2）把低壓側的電能轉化為光能，然后由光纖輸送至高壓端，再轉為電能為系統供電；（3）通過電池進行供電。方法一存在的缺點是一旦流經母線的電流過小的時候電路就無法得到正常的供電，但是當流經母線的電流過大的時候又會使系統受到較大的沖擊，此時電路極易受到損壞；方法二的性能雖然比較穩定，卻受到激光輸出功率的約束，尤其是受到光電轉換效率的影響，所以提出了微功耗的要求。方法三存在的問題是因為電池所提供的能量有限，要求對電路進行設計時必須要考慮到供電控制，除此以外就是更換電池的工作比較麻煩。另外，其它的供電方式譬如說風能供電、太陽能受外界環境的影響比較嚴重，所以穩定性比較差。

4.2 傳輸過程中的抑制干擾問題

雖然與傳統的傳輸系統相比較，光電傳輸系統具有較高的抗電磁干擾的能力，可是由于光電傳輸系統由發射和接收電路以及光纖三部分組成，為了保證系統的整體抑制干擾的能力均衡，要對電路進行加強，特別要注意高壓側的電路對電磁干擾的抑制能力。為了保證發射電路不受電磁的干擾，必須要做好發射電路的屏蔽工作，除此以外，還要對發射電路的電源以及與其相連接的導線的屏蔽給予高度重視。

4.3 運行過程中的穩定問題

系統的穩定性對處在環境較復雜的系統來說尤為重要，所以，長期運行的光電傳輸系統中的各個電子元器件的穩定性及可靠性亟待解決。

4.4 精度問題

要想使光電技術逐步的替代傳統的傳輸技術，傳輸的精度是首要解決的問題，所以對于光功率波動的消除以及溫度的變化等問題都要及時采取措施解決。

4.5 工藝加工問題

光纖、發光二極管以及光電檢測器件都屬于光電傳輸系統內的器件，這里面存在著較大的光纖與光源的耦合問題，所以，光電傳輸的工藝要求比傳統的要求更高，除此以外，對工作中不可避免振動的抑制以及消除的要求也使得光電傳輸的工藝要求提升了一個水平。

5.結束語

光電技術應用在測量領域中已經有較長時間，伴隨著光電技術的不斷發展，自動化儀表中以點測量為主的自動化儀表也在慢慢地發生著變化，較高水平的功能技術使自動化儀表測量技術得到了更加寬廣的發展領域，并且也促進了電參數測量方式的不斷發展。雖然完全的自動化測量功能并沒有在電能表測量中得到實現。但是當前的電子信息技術以及光電技術正在高速的發展著，自動化儀表測量的發展前景將會更加光明，并且逐步實現儀表測量的全自動化。所以，有必要在測量系統領域中給出更深入的探究，使自動化儀表測量得到發展，發揮光電技術的最大優勢。

參考文獻

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[3]肖太民.自動化儀表的故障分析及維修方法[J].中國科技縱橫，2012（1）.

篇6

[關鍵詞]顱面形態;三維測量;激光掃描

[中圖分類號]R783 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455(2010)03-0404-04

A study on the reliability of three-dimensional craniofacial measuring system

SONG Jian-wei1,HOU Yu-xia1,ZHANG Yan-ning2,SHI Jian-yu2,ZHAI Pei-fang2,LI Jiang-bo1,ZHOU Hong1

(1.Department of Orthodontics,Stomatological Hospital,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710004,Shaanxi,China; 2.School of Computer Science,Northwestern Polytechnical University)

Abstract:ObjectiveThe study aimed to develop the three-dimensional auto measuring system of craniofacial soft tissue, and to analyze the reliability of the system.MethodsThe measuring software of craniofacial soft tissue was developed based on the laser scanner. 30 volunteers were selected to study the reliability of the system, which were analyses by comparing with the direct measurement.Results52 landmarks, 129 measurement items of craniofacial soft tissue can be done in this system. Compared with the direct measurement,the system has a better reliability. The different less than 1mm accounted to 50 percent in line measurement,and less than 2mm accounted to 35.3 percent. ConclusionThe characters of the 3D auto measuring system included: measuring item was full,the visualization was better, measuring precision was accurate relatively. The system was a useful, precise and rapid way to research the craniofacial soft tissue morphometry, especially for the large sample craniofacial soft tissue morphometry.

Key words:craniofacial mophometry;three-dimensional measurement;laser scanner

顱面形態三維重建和測量在口腔正畸學、正頜外科、法醫學、人類學及美學等領域有重要的意義。在20世紀80年代,激光掃描首次被應用于面部軟組織三維測量[1]。激光三維掃描具有非介入性、被測物體無形變、測量重復性好、測量精度最高的特點,是目前獲取面部軟組織數據最先進的技術。本研究基于三維激光掃描建立精確、高效的面部軟組織三維重建和自動測量系統。

1材料和方法

1.1計算機軟硬件支持:計算機:CPU Celeron3.2,內存 512M,硬盤 160G,顯卡 Geforce 7300GS,操作系統 Windows XP 三維激光掃描儀:Minolta VIVID910三維激光掃描儀(日本美能達公司)。開發環境:Microsoft Visual C++,VTK可視化類庫。

1.2顱面部標志點和測量項目:參照Farkas顱面部表面直接測量法[2],選取面部標志點52個,正中矢狀面12個點,左右對稱的點有20對(如圖1～2);129項測量項目,包括60項線距、17項弧長、4項角度和48項比例指數;其中絕對值測量項目頭面部24項,眶部23項,鼻部12項,口唇部18項;比例指數包括水平向17項,垂直向20項,水平與垂直相比11項。

1.3測量系統的建立

1.3.1采集面部圖像:受試者自然姿勢位,眶耳平面與地面平行,睜眼,面部放松,雙眼平視前方;分別進行正面、左45°、右45°位面部激光掃描;用RapidForm2004軟件對獲得的面部正側位圖像進行拼接、匹配、整合為完整的三維人面圖像,處理后保存為vrnl 2.0格式。

1.3.2三維自動可視化測量軟件:采用Visual C++編寫軟件,OpenGL圖形平臺,自主研發顱面部軟組織三維自動測量軟件,使用vrml格式數據,實現面部圖像的顯示和三維測量功能,全部操作過程采用人機對話和菜單選擇方式完成。按順序進行52個定點,選擇全面測量可以進行129項自動測量,測量結果直接輸出文檔,結果數據可復制到Excel表格進行處理。

1.3.3三維自動測量精度:選擇西安地區正常面型青年志愿者30例(男12例,女18例),年齡18～25歲;軟組織直面型,左右對稱,面部形態正常,無正頜、正畸及外傷史;2°≤ANB≤4°。對每位研究對象進行面部激光掃描自動測量和Farkas面部軟組織直接測量。測量結果采用SPSS12.0處理,每個測量項目進行配對t檢驗,分析自動測量系統的測量精度。

2結果

2.1顱面軟組織三維自動測量系統:本系統實現激光掃描重建三維圖像的重現,可以將人面圖像顯示為三角片模式、散點模式以及充填模式,操作常采用充填模式(如圖3);并可對圖像任意縮放、旋轉、移動,便于精確定點(如圖4～6)。實現面部軟組織三維測量,包括52個標志點,129項測量項目,測量結束時直接輸出結果文檔。

2.2三維自動測量精度的比較研究

2.2.1正常面型顱面軟組織77項絕對值測量中,有統計學意義的占25項,包括16項線距,9項弧長;且主要為涉及下頜角點(gonion go)、耳屏上界切跡點(tragion t)的項目。角度測量均與直接測量法無顯著差異(見表1)。

2.2.2正常面型顱面軟組織48項比例指數差值中,有統計學意義的項目有14項,水平比例指數8項,垂直比例指數4項,水平與垂直比例指數2項,主要涉及t點、go點絕對值測量值與直接測量法有顯著差異項的比例指數,以及與弧長有關的比例指數項(見表2)。

2.2.3測量結果差值分布表,在60項線距測量項目中,測量差值小于1mm的有30項(占50%),小于2mm的有41項(占68.3%);在17項弧長測量中,差值小于2mm的有6項,占35.3%(見表3)。

3討論

3.1自動測量:本系統通過激光掃描獲取面部軟組織三維信息重構面部三維模型,實現面部52個標志點的129項測量項目的自動測量,測量省時省力,適于大樣本研究面部軟組織三維形態。任意定點后也可以選擇即時測量進行任意兩或三點間線距、角度、弧長的測量,所有測量結果均自動生成數據文檔,利于后期數據統計分析。

3.2測量項目全面:本課題組前期的研究初步實現面部軟組織激光掃描三維重建及43個標志點的56項點距測量[3]。本系統是前期軟件的優化,具有測量項目較多較全的特點,包括52個標志點和129項測量。Aung[4]等人的激光三維測量系統包括41個標志點83個測量項目,其中表面測量17項。許天民等人[5]開發激光測量系統可進行13個定點,3項線距,2個角度測量。白玉興[6-7]等人利用數字化面部軟組織三維重建和測量系統可進行14項角度、13項線距、5項比率測量。另外,面部的平衡和協調,并不僅在于測量的角度、線距的絕對值,而是由于相互之間的比例關系所引起的,面部的比例更為重要[2]。本系統的測量項目包括比例指數48項,其中水平比例17項,垂直比例20項,水平與垂直比例11項。對于面部比例指數的測量,可以對面部形態進行更全面的測量分析研究。

3.3可視化效果好:本測量系統可視化效果較好,測量時可以對人面模型進行任意方向的旋轉,利于精確定點,如頦下點(gnathion gn)定點時可以將人面向上向后旋轉成仰視暴露頦下方而準確定gn點;可以對圖像進行任意放大和縮小,對于標志點比較密集的部位,可以對模型進行放大以保證視圖清晰、定點準確。定點數字提示順序,出現錯誤可及時糾正;所有操作采用菜單提示,人機交互使用,用戶使用方便。

3.4測量精度較高:激光三維掃描測量具有精度高,可重復性好的特點,Kau[8]的研究表明,首次面部的三維激光掃描與3s后掃描的形態差值為0.3mm,與3天后掃描的差值為0.4mm。Lynnerup[9]對激光掃描精度的研究表明,干頭顱的5個激光掃描測量項目與手工直接測量的差值均在1mm左右。Aung等[4]研發的激光掃描系統能以0.5mm的精度重建面部軟組織圖像,并進行41個標志點,83個項目的三維測量,30名志愿者的激光掃描測量和直接測量比較表明,有12項差值小于1.0mm(14.0%),16項差值小于1.5mm(19.0%)。Kovacs[10]等人在嚴格控制掃描條件下,發現有50%的線距測量項誤差小于2mm。本研究通過對30位志愿者激光三維測量和直接測量的對比表明,在60項線距測量中,差值小于1mm的有30項(占50%),小于2mm的有41項(占68.3%)。與國外學者Aung 和Kovacs研究相比,本系統具有更高的精確性。人體測量手冊要求人體測量誤差不超過2～3mm,本系統的三維測量精度,基本達到臨床要求。

本研究結果中仍有19項點距差值大于2mm(占31.7%),17項弧長測量項目中差值小于2mm的僅有6項(占35.3%)?；￠L的測量誤差與測量算法有關,有待在今后研究中進一步優化。點距誤差的產生與go、t點定點困難有關,go點需要觸摸方可在面部準確定點,在直接測量時能準確定位,而激光三維圖像只能通過視圖估計,因此定點誤差較大;在激光掃描三維重建圖像中,耳屏前區因頭發阻擋影響該處的重建可能會影響t點定點以及其相關項目的測量。今后的研究中可以進行go點掃描前貼反光材料和帶頭帽等處理降低定點誤差。

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[4]Aung SC, Ngim R C K, Lee S T. Evalution of the laser as a surface measuring tool and its accuracy compared with direct facial anthropometric measurements[J].British Journal of Plastic Surgery,1995,4(8):551-558.

[5]劉 林,許天民,張 益,等.激光掃描在面部畸形三維重建及測量中的初步應用[J].口腔醫學,2005,12(6):345-347.

[6]白玉興,郭宏銘,劉鳳德,等.面部軟組織三維重建及測量系統的研制與應用[J].中華口腔醫學雜志,2001,36(4):298-300.

[7]郭宏銘,白玉興,周立新,等.面部軟組織不對稱性的三維測量研究[J].口腔正畸學,2004,1(1):32-34.

[8]Kau C,Richmond S, Zhurov A, et al.Reliability of measuring facial morphology with a 3-dimensional laser scanning system[J].American J OrthodDentofacOrthop, 2005,128(4):424-430.

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篇7

關鍵詞: 煤礦井下測量導線計算自動化Excel

中圖分類號：TP317 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）03-0000-00

在礦山測量中，幾乎每天都要進行7″級控制導線測量，而內業計算一般采用手工計算器對算，此方法雖然能滿足生產的需要。但只要出現錯誤，檢查起來比較麻煩，特別是輸入計算器的數據，一般不可檢查，必須重新輸入一遍，浪費了時間，降低了勞動效率。

隨著計算機在礦山測量中的廣泛應用，引進Excel軟件，該軟件具有地測專業的編程功能，可以輕松地將繁瑣的計算轉化為可視的簡單易操作的自動計算，對測量各類計算十分實用，現將應用情況作一介紹。

Excel編程在控制導線測量中應用:

1、表格設計

我按照平常使用的設計表格（如表1所示），它包括已經導線起點坐標、高程、起始方位角。標定儀器站、前后測點名稱。實測傾斜邊長、傾斜角、儀器高上高、覘標上下高、水平角。資料在記錄本上的位置，日期，方便檢查資料。自動計算出方位角、坐標、高程、巷道全高。

表中利用的函數有:

IF:判斷一個條件是否滿足，如果滿足返回一個值，如果不滿足則返回另一個值；

INT:將數值向下取整為最接近的整數；

MOD:返回兩數相除的余數。

2、數學公式

2.1在7″級采區控制導線中用到的公式有：

①高程公式：H2＝H1+i-v-L斜×sinV垂直；

②平距公式：L平＝L斜×cosV垂直；

③X2＝X1+L平×cosα方位；

④坐標公式：Y2＝Y1+L平×sinα方位；

⑤度~弧度轉換公式：A°＝A×π/180弧度；

⑥弧度~度分秒轉換公式： A弧度＝A×180/π度＝int[A×180/π]+int[（A×180/π-int[A×180/π]）×60]+int｛｛（A×180/π-int[A×180/π]）×60｝-int[（A×180/π-int[A×180/π]）×60]｝×60｝。

注：⑤、⑥式是由于Excel的格式默認的是弧度而不承認度分秒所引用。

2.2算法

2.2.1水平邊長及方位角計算

以表1的數據為例，水平邊長L平＝L斜×cos（傾角），由于Excel格式里只默認弧度，因此，根據公式⑤可以計算。

2.2.2巷道全高、高差、頂板高計算

在計算高差時必須用到傾角的正負，所以我們引用了SIGN（）函數，就是說當傾角小于0時，該函數返回值為-1；當傾角大于0時，該函數返回值為1；我們再利用此函數乘以弧度值就可以得到有正負的弧度，進行高差計算了。如：高差ⅠH10－11＝-1.157+24.610×sin（-1.5939）-（-1.211）＝-0.803

2.2.3坐標計算

Xn＝Xn-1+L平×cosα＝3868365.07

Yn=Yn-1+L平 ×sinα=39503500.412

Hn=Hn-1+Hn-1-n=-215.514

各項起算及原始數據進行錄入。

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關鍵詞：監測系統；傳感器；光照強度；光合作用

目前，信息技術及自動控制技術發展迅速，并應用在了各個行業及部門。我國作為農業大國，地域廣闊，溫室大棚保有量較大，其生產的現代化水平直接關系到人民的生活質量。縱觀國內各農作物產區，其農業生產條件不一，旱澇災害常發，使得農作物產量不高，質量不好，溫室大棚的作用更為突出。目前，國外溫室的控制系統已實現或正在向完全自動化及無人化的方向發展，盡管我國已對溫室控制系統中的氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等因素進行了研究，但其實用效果并不理想，與國外還有很多差距，很多方面仍需要改進。因此，研發低成本、低功耗的經濟型、實用型溫室智能控制系統前景廣闊。溫室環境控制技術是溫室智能控制技術的重要組成部分，其中主要包括溫濕度控制、二氧化碳濃度控制、土壤情況控制、光照強度控制等技術，其中的關鍵技術之一是光照強度控制。因光照是植物光合作用的首要因素，影響著植物的產量和質量，所以通過研究光照強度的控制運用于農業具有重要意義。

1光對作物的影響

植物的生長離不開光合作用，在這一過程中，光對植物的影響是最關鍵的因素之一。光照不足或過強，都會使光合作用減弱，植物生長緩慢，植物只有在適合的光照強度下才能良好生長，開花結果。實驗表明，植物的生長速度與光照強度在一定范圍內成正相關的關系。傳統意義的光指陽光，在溫室中，采用人造光源也可以達到相同的光合作用效果?？刂乒庹盏膹姸龋丈涞臅r間、分布情況等，都會影響作物的生長。

2光的控制

溫室光的控制主要有兩個方面，一個是光的種類，另外是光的強度或時間，光強度高，作用時間長，則相應的光合作用產生的能量也高。不同的作物對光的波長有不同的需求，同一種作物在不同階段對的需求也不相同。因此，需要對不同作物，在不同階段進不同的光照控制，以達到促進作物生長、提高產量的目的。如使用黃色薄膜，可使黃瓜生長加速，使豆類更加茁壯等。當光照強度不足時，需要對作物進行補光處理，如陰雨天、冬春季等時節。補光控制主要有兩種方法，一是人工光源進行補充，另外是控制溫室草苫的揭蓋時間，增加或減少光照。需要注意的是，補光要注意結合控制溫室內的溫度高低。光照對于溫室而言，光合作用為蔬菜生長提供能量，同時光合作用釋放的能量也為溫室的環境提供了溫度保障。當然，光照強度達到一定值時，作物光合作用與呼吸作用平衡，再增加光照，光合產物也不再增加。因此，光照的時間及強度并不是越大越好，必須合理控制。如在夏天，光照強度大，如中午以后，光照強度達到最大，高強度的光照會灼傷作物，同時作物氣孔關閉，光合作用停止。此時，必須進行遮光處理，才利于作物生長。一般溫室采用遮陽網對光照時間進行控制。系統控制時，主要是光敏元件接受信號，轉換后啟動遮光網控制器件。需要注意遮陽網的啟停也要考慮溫室溫度的高低，溫室內溫度偏低時，也應控制設備打開遮陽網以利于溫度上升。檢查光照強度低于光照下限時，遮陽網應關閉。

3光照元件及電路

傳感器是控制系統不可缺少的元件，光電傳感器則是將測量的光照量轉換為電信號強弱的元件，主要由光源、光學通路光電元件組成。目前的各類光電傳感器中，首選價格低、推廣容易的光敏電阻傳感器。本研究選用PCF8591作為A/D轉換芯片，該芯片包括1個串行數據接口線，1路模擬輸出和4路模擬輸入。工作時，待機電能耗小，8位逐次逼近型，模擬電壓范圍為VSS（電路供電壓）到VDD（芯片工作電壓）。對于光強度的測量，使用美國TAOS公司的TSL2561芯片，具有速度快，能耗低，測量范圍寬、可編程靈活等優點。

4控制系統的設計

整個溫室系統的設計可分為三個部分：第一是控制策略，對光照的補充、溫度的高低控制、通風、灌溉等；其次是溫室內部環境的控制，光照強度、溫濕度、土壤濕度、作物等；三是外部環境條件，太陽輻射、降水等。在此基礎上，對光照控制進行研究。其設計思路如下：對溫室的光照強弱進行實時采集，經元件轉換為模擬值進行傳輸；傳輸來的量值進行指令控制，調整光照強度的量；對調節指令進行對應控制器的控制，通過改變光源，達到光照調節的目的；完成初步調節后，再次進行光照強度的采集，對比系統設定值，以實現合理的光照。通過使用上述系統，對某蔬菜溫室大棚進行光照控制實驗，作物生長良好，與人工控制相比，生長期縮短，產量提高，基本達到了控制目的。

5結語

溫室大棚光照系統的實施，是溫室自動控制的一部分，通過采用光敏元件對光照信號的接受，單片機進行模擬信號的轉換，通過電路設計，實施控制策略，對溫室光進行了有效的控制。對比系統使用前后，使自動控制系統的實施，是本文通過光敏傳感器接收光照信號，單片機轉換模擬信號，實施調節方案實現光照控制的補光控制和遮光控制。有效的控制光照，使溫室內蔬菜產量增加、質量提高，達到了控制目的。

參考文獻：

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關鍵詞:隧道施工；盾構機；地鐵；組成；功能；原理；適用性

1．Φ6.24m土壓平衡式盾構機的改造背景

20世紀70年代以來，盾構掘進機施工技術有了新的飛躍。伴隨著激光、計算機以及自動控制等技術的發展成熟，自動測量系統在盾構機中逐漸得到成功運用、發展和完善。天津城建隧道股份有限公司給一臺Φ6.24m土壓平衡式盾構機加裝了一套自動測量系統，用于進行沈陽地鐵1號線滂江街―小什字街區間隧道施工。全面理解自動測量系統的原理，有助于工程技術人員在地鐵的盾構施工中及時發現問題，解決問題，保證隧道的正確掘進和最后貫通。

2.盾構機自動測量系統的組成

2.1自動測量系統的組成

掘進管理計算機、全站儀計算機、不中斷電路裝置、坑內監視器、數據控制盤、控制器、個人電腦轉換器、集線器（8端口）、調制解調器、全站儀、全站儀電源箱、標靶、水準臺、轉彎基本、遠隔監視器、遠隔計算機、打印機等。

2.2自動測量系統和盾構機控制測量在盾構施工中的地位和作用

配置土壓力和推進參數自動測量，數據采集處理和遠程傳輸系統，可以實現辦公室的掘進工況信息管理；配備自動測量導向系統，可以適時測控盾構機姿態和管片拼裝精度。

3 自動測量系統原理和工作過程

3.1描述盾構機姿態的要素

描述盾構機姿態的參數有：刀頭坐標（xF'，yF，zF）：水平角A；傾角α；旋轉角κ。

由盾構機姿態及設計隧道中線，可推算如下數據：刀頭里程：刀頭、盾尾三維偏差；平面偏角（Yaw）：盾構機中心軸線和設計隧道中線在水平投影面的夾角；傾角（Pitch）：盾構機中心軸線和設計隧道中線在縱向（線路前進方向）豎直投影面的夾角；旋角（Roll）：盾構機繞自身中心軸線相對于水平位置旋轉的角度。

在掘進過程中，自動測量系統按如下流程工作：首先，人工測量確定盾構機自動測量系統后視標靶、全站儀和盾構機的初始姿態數據。將上述數據資料和隧道的理論軸線位置三維坐標輸入系統。盾構機開始掘進后，系統全站儀自動測量可以確定盾構機位置的標靶的坐標數據并根據后視點的坐標進行換算，得出盾構機當時的位置狀況。根據位置狀況數據，操作人員進行糾偏、調整管片拼裝等操作。如此往復循環工作。當盾構機進行曲線掘進，全站儀與主機不能實現通視時，需重新定位全站儀，即可進行上述測量步驟。由系統控制全站儀實時測定盾構機標靶的相對坐標并由系統對照后識點標靶的位置；同時自動照準標靶，并自動記錄激光水平方位角；標靶內部光柵捕獲入射角，間接得到盾構機縱軸水平方位角；利用安裝在標靶中相互垂直兩立面內的兩把測角儀測得盾構機傾角和旋轉角。利用以上參數及前體、盾尾、棱鏡中心三者的幾何關系，通過空間坐標變換解算前體、盾尾中心坐標，結合設計隧道中線參數計算盾構機與隧道中線的相對偏差。如此反復，指導盾構機掘進。

3.2功能特點

使盾構機按照設計線路正確推進，其前提是及時測量，得到準確的空間位置和姿態方向，并以此為依據來控制盾構機的推進，及時指導操作人員進行糾偏，系統的功能特點主要表現在:

（1）本系統采用同步跟進測量方式， 較好地克服了隨著掘進面的推進測點越來越遠而造成的觀測困難和不便。

（2）免除輔助傳感器設備，六要素一次給出(六自由度)。

（3）三維向量計算和利用全站儀直接測量點的三維，坐標(x,y,z)采用新算方法 “空間向量”進行嚴密的姿態要素求解.

（4）運行穩定精度高，能充分滿足隧道工程施工對精度控制和運行穩定性的要求.

（5）適用耐高低溫，濕度高，有震動的施工環境中的正常運行。系統連續跟蹤測定當前盾構機的三維空間位置、姿態與設計軸線進行比較獲得偏差信息。

3.3 測量精度

本系統由兩臺儀器聯測時，每次測量都從隧道基準導線點開始測量運行過程中每點和每條邊在檢驗通過之后才進行下步。得到的姿態結果均相互獨立，無累積計算,故系統求解計算中無累計性誤差存在。因此，每次結果之間可以相互起到檢核作用，從而避免產生人為的或系統數據的運行錯誤。

3.4自動測量系統的工作過程

盾構機體作為剛體3個不共線的點是確定其空間位置與姿態的點。由3測點的實時坐標值、 按向量歸算方法，解算得出盾構機特征點坐標與姿態角度精確值。 即通過三維向量歸算直接求得盾構機切口和盾尾特征部位中心點當前的三維坐標和同時根據里程得到設計所對應的理論，兩者比較得出偏差量。

自動測量系統在隧道內，一共有4個靶標，而全站儀位于4個靶標中間（如下圖），全站儀首先定位1，2靶標，通過這兩個標靶的位置，全站儀自動設置3，4標靶，完成這一系列任務之后，自動測量系統即可開始工作，檢測盾構機在隧道內的姿態。

4結論

通過使用該自動測量系統，可以達到以下使用效果：

（1）、對程序的回歸測試更方便。這可能是自動化測試最主要的任務，特別是在程序修改比較頻繁時，效果是非常明顯的。由于回歸測試的動作和用例是完全設計好的，測試期望的結果也是完全可以預料的，將回歸測試自動運行，可以極大提高測試效率，縮短回歸測試時間。

（2）、可以運行更多更繁瑣的測試。自動化的一個明顯的好處是可以在較少的時間內運行更多的測試?？梢源蟠鬁p輕人工測量的工作量。

（3）、可以執行一些手工測試困難或不可能進行的測試。比如，對于大量用戶的測試，不可能同時讓足夠多的測試人員同時進行測試，但是卻可以通過自動化測試模擬同時有許多用戶，從而達到測試的目的。

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關鍵詞：插秧機；作業面積測量系統；電路設計

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）14-3517-05

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2015.14.048

Hardware Circuit Design of Rice Transplanter Automatic Measurement

System of Working Area

XIONG Zhong-gang，HE Juan， QU Xiang-jun，CHEN Lian-gui，YE Zhen-huan， AO Bang-qian

（College of Engineering， Zunyi Normal University， Zunyi 563002， Guizhou， China）

Abstract： Aiming to achieve operation area and boundary recognition， operation area real-time automatic measurement and data collection on rice transplanter， an automatic measurement system of working area used in rice transplanter had been designed.The system was composed of the central processing module， the sensors detecting module， the GPS positioning module， the wireless data transmission module， the U disk data storage module， the power supply module and the upper-computer controlling module.The central processing module， using MCU STC12C5A60S2， collected and processed data from GPS positioning module and sensor detecting module，and completed automatic calculation of transplanter working area by analyzing the GPS positioning information. The wireless data transmission module was used for communication with the upper-computer controlling module， which was connected to the host computer via GPRS network technology.And it can realize remote controlling start and stop action on rice transplanter. The result of the experiment showed that the automatic measurement of rice transplanter working area and start and stop action could be remote completed and remote drived by the system.

Key words：rice transplanter； operation area measurement system； hardware circuit design

隨著現代信息技術的不斷發展，插秧機、聯合收割機及旋耕機等農業機械已逐步成為現代農業生產中不可或缺的工具。特別是聯產承包責任制的實行，農戶購買大型農業機械的可能性越來越小，農業機械跨區作業將成為必然[1，2]。農業機械跨區作業中，作業面積是一個很關鍵的數據，時常會出現由于難以準確測量作業面積而引起糾紛，是農業機械進行跨區田間作業計算工時和收費的主要依據。同時田塊的大小直接決定了種子、化肥、農藥等生產資料的投入量[3-5]。傳統的農田面積大多使用皮尺、憑借經驗或采用產量計費的方式，簡單實用，但只適合于小面積的規則矩形田塊[6，7]。為解決傳統測量農田作業面積存在的問題，增強測量方式的普遍適應性，本研究設計了一套插秧機作業面積自動測量系統的硬件電路，能夠實現任意形狀插秧機作業面積的自動測量工作，并應用Visual Basic 6.0開發環境對插秧機遠程上位機監控模塊進行了開發[8]，實現遠程參數的采集和控制機械的啟停動作。

1 系統總體方案設計

系統主要由中央處理模塊、傳感器檢測模塊、GPS定位模塊、GPRS無線數傳模塊、U盤數據存儲模塊、電源模塊以及上位機遠程監控模塊等部分組成，其總體結構框圖如圖1所示。傳感器檢測模塊主要由發動機機油溫度檢測單元、發動機機油壓力檢測單元、燃油油位檢測單元、液壓油油溫檢測單元和發動機轉速檢測單元等組成，主要用于采集插秧機工作時對發動機工況相關數據；中央處理模塊以STC12C5A60S2為控制核心，主要對傳感器檢測模塊和GPS定位模塊采集來的信息進行分析處理后，通過GPRS無線數傳模塊將相關信息傳到上位機，并將有效信息存儲到U盤數據存儲模塊；遠程監控管理者通過自主開發的上位機操作界面觀察插秧機的作業面積、運行參數和作業位置等實時信息，并針對緊急情況下的需求發送機械啟停命令。

2 下位機硬件電路設計

下位機硬件電路主要包括中央控制核心模塊、傳感器檢測模塊、GPS定位模塊、GPRS無線通信模塊、發動機點火/熄火模塊、CAN總線模塊以及電源模塊。傳感器檢測模塊主要完成插秧機發動機工況數據采集，GPS定位模塊主要完成車體的運動軌跡定位工作，中央控制模塊負責進行信息處理與分析，并完成機械作業區域的識別和面積計算工作，同時兼顧實現有效數據的遠傳工作。

2.1 核心?？刂茐K電路設計

該系統主控電路如圖2所示，包括中央控制單元、GPRS無線數傳單元、GPS定位單元。該系統采用的是STC12C5A60S2單片機，是由宏晶科技（深圳）有限公司生產的一款增強型8051 CPU，1T單時鐘/機器周期，工作頻率是0～35 MHz，相當于普通8051單片機的0～420 MHz，即比普通單片機處理速度快8～12倍；單片機上集成了1 280字節RAM，60 kb的FLASH程序存儲器空間，4個十六位定時器，2路十六位PCA和PWM，共有8路10位精度的ADC，轉換速度高達50萬次/s。系統由STC12C5A60S2單片機與各個硬件模塊連接，控制各自工作，傳感器模塊將檢測到的數據信息經由CAN總線傳送到中央控制單元，與此同時，與GPS定位模塊采用RS485進行通信，讀取相關定位信息，然后經過相應坐標轉換和處理后，完成相關區域識別和面積計算工作，并將定位信息、作業面積和傳感器檢測信息經由GPRS無線通信模塊遠程傳輸到上位機，同時通過單片機U盤數據存儲模塊完成有效信息的存儲和讀取工作。

2.2 傳感器檢測模塊電路設計

傳感器檢測模塊主要用來采集插秧機工作時發動機的相關工況參數。傳感器檢測模塊采集的數據主要包括發動機機油溫度、發動機機油壓力、燃油油位、液壓油油溫和發動機轉速等參數。中央主控芯片STC12C5A60S2通過下發采集命令采集各個傳感器通過CAN總線上傳的數據。該系統設計中分別選用的是ZS-6-01-10L霍爾傳感器、半導體集成的兩端式機油溫度傳感器AD590、應變式機油壓力傳感器BP800。

為得到更加準確的插秧機發動機轉速傳感器輸出脈沖信號A0，首先使電路中信號A0經過限流電阻R9和電容C1組成的低通濾波電路后，經由LM339比較電路整形出需要的標準矩形脈沖，R11上拉電阻有效保證了高電平時的電壓，整形電路輸出的矩形脈沖經由光耦作用將其輸入通道前端的現場的干擾信號和單片機隔離開，同時將信號轉換成單片機可以識別的高低電平后送入I/O口，即圖中的AD1端的網絡接點（圖3）。AD590溫度傳感器先將溫度變化轉換成電流變化，之后轉換成單片機容易處理的0～5 V電壓信號，具體電路如圖4所示。

機油壓力的檢測采用應變式壓力傳感器BP800，通常是輸出標準的電流信號，其電流信號范圍為4～20 mA[9]。這種標準的接口，一般可以采取精密電阻轉換成電壓信號，然后直接送入中央處理單元的A/D轉換端口，I/V轉換電路如圖5所示。

2.3 CAN總線模塊電路設計

插秧機車載終端根據需求，需要具有與車載各發動機工況檢測傳感器進行可靠通信的功能，故通過擴展CAN總線接口實現該功能要求，從而達到雙方數據和控制指令的傳輸。其接口的硬件電路主要由CAN總線控制器SJA1000T和CAN總線收發器PCA82C250組成，考慮到插秧機作業環境的復雜多變，為進一步增強總線的抗干擾能力，并沒有直接將CAN總線控制器的TX0和RX0與CAN收發器的TXD1和RXD1相連，而是通過在其中間增加一個高速光耦合器6N137，轉換速率高達10 Mbit/s，具體硬件電路如圖6所示。

2.4 GPS定位模塊電路設計

GPS定位模塊即GPS接收機，通過它來實現插秧機的定位功能，其電路設計如圖7所示。該系統設計中選用的是瑞士Ublox公司生產的NEO-6M-0-001的GPS接收機。該模塊能支持AssistNow Online和AssistNow Offline等A-GPS服務，供電電壓范圍為2.7～3.6 V，當電壓3.0 V時功耗小于120 mW，具有1個USB V2.0，全速12 Mbit/s，1個UART接口、1個DDC接口、1個SPI接口，跟蹤靈敏度為-147 dBm。如圖7中所示的引腳23是GPS定位模塊的電源輸入腳，與主控板中產生3.3 V電壓接口連接，引腳22接了一個備用電池，在系統啟動定位工作時，會立即給電池充電；為了增強GPS定位信號，外接了配套天線，當GPS接收到數據后通過解碼經由引腳20 TXD_GPS_TTL通過RS485通信送到STC12C5A60S 2的串口上。

2.5 發動機點火/熄火模塊電路設計

當檢測到發動機機油溫度和機油壓力對比正常預設值出現較大異常時，為及時保護發動機，可以對發動機進行熄火控制。本研究中插秧機采用的是電啟動風冷4沖程2氣缸OHV汽油發動機，發動機的啟停電路如圖8所示。

該模塊的整個電路主要包括STC單片機處理器、達林頓管陣列芯片ULN2003、74LS05集電極開路輸出的非門陣列、兩個繼電器、MAX485和MAX232通信芯片。采用RS485通信方式與下位機中央控制器進行連接，當在緊急情況下接收到來自上位機的點火/熄火命令后則完成相應動作。電路為提高單片機的驅動能力，采用非門電路以高電平的方式配合驅動ULN2003達林頓管陣列，這樣ULN2003的驅動能力可以達到500 mA，從而可以大大提高單片機的驅動能力[4-7]。

2.6 GPRS無線通信模塊

該系統主要通過GPRS無線通信模塊，接入GPRS無線數傳網絡，將日期、機械作業時間、作業位置、作業面積以及產量等信息傳送到上位PC機完成數據通信。本研究選擇SIMCOM公司生產的 SIM300作為無線遠程數據通信模塊，該無線通信模塊支持GSM和GPRS雙模式通信，內嵌TCP/IP協議棧，能夠在PCS1900、DCS1800和EGSM900 3個不同頻段下工作。具體工作狀態指示燈和通信硬件電路如圖9所示。

SIM300要接入GPRS網絡進行工作，就必須使用到SIM卡，與其操作相關的信號被直接引出到SIM300的SIM卡接口上，其中SIM_DATA作為與SIM卡的串行數據線，用于數據的輸入輸出，SIM_CLK為SIM卡提供操作時鐘，SIM_RST引腳則用來輸出SIM卡的復位信號，整個SIM卡部分的電路如圖10所示。

2.7 電源模塊

電源在整個電路設計中扮演著一個重要角色，使用穩定電源能使電路性能更加穩定可靠，整個系統采用5 V供電，對于該重要部分設計必須考慮到硬件系統對電源具有穩壓和紋波小等要求，當然在有效保證電路電壓穩定輸入的前提下，低功耗也是現今設計非常關注的一個熱點話題。因而針對系統要求，系統得到5 V電源部分采用的是ZA3020芯片實現的。為了使電路中5 V輸出電源的紋波較小，因而在經過ZA3020轉換后的電壓輸出端采用了一個22 μF和0.1 μF的電容，另外芯片的電源輸入端也放置了一個10 μF和0.1 μF的濾波電容，從而有效減小輸入端受到的干擾，使信號穩定可靠的輸入。具體系統輸入電源電壓處理電路如圖11所示。

GPS定位模塊的工作電壓是3.3 V，為有效保證車載電源斷電后仍能正常工作，該設計中增加了一個備用充電電池，該備用電池充電所需電壓是3.3 V，所以先將車體上12 V電源電壓通過輸入電壓處理電路轉換為5 V，然后通過REG1117-3.3降壓芯片的處理，得到3.3 V電壓，具體硬件電路如圖12所示。

然而該系統設計中GPRS無線通信模塊工作所需要的電壓是4.2 V，選用的壓降芯片是MIC29302BU，其可以通過使能引腳端和反饋電阻進行輸出電壓的控制，本設計中通過將使能端置高，設置反饋端R16和R17兩個電阻比值來確定輸出電壓，具體硬件電路如圖13所示。

當芯片1腳使能端置高，芯片導通開始工作，經由公式可以計算出輸出端電壓約等于4.2 V，該電壓值即供給GPRS無線通信模塊工作。

3 上位機遠程監控模塊電路設計

上位機遠程監控模塊的控制單元是上位機和下位機連接的橋梁，此處上位機是采用Visual Basic 6.0開發的PC機監控平臺，另外主要應用單片機連接外設了U盤數據存儲模塊，主要通過GPRS無線組網技術實現數據交換和相應的控制命令，并通過AT指令發送相關控制和數據采集命令。相應的U盤數據存儲模塊電路設計原理圖如圖14所示。

信息的存儲是面積測量系統的重要組成部分，主要包括對日期、機械作業時間、作業位置、作業面積以及產量等信息進行記錄存儲。有效存儲這一系列信息可作為化肥、種子、農藥等生產資料投入量的依據及農業生產管理的參考依據。當系統運行時，由于需要的有效數據量比較大，故為方便定位作業區域及邊界等大量定位數據的存儲，系統采用了單片機U盤數據存儲模塊電路。模塊采用CH375單片機U盤讀寫芯片完成U盤到單片機的銜接，通過大容量RAM完成大容量數據緩存和傳輸，減少設備數據讀寫總時間，延長U盤壽命。

存儲電路中采用5 V電壓工作，為了內部電源節點進行有效退耦，改善USB傳輸過程中的電磁干擾，故在V3引腳外接0.01 μF電容，將CH375的TXD引腳直接接地可使CH375實行并口方式工作。設計中在RSTI引腳與VCC之間跨接了一個0.47 μF的電容，是為了在電源上電時，系統電路能夠完成可靠復位并且有效減少外部產生的干擾。在U盤插入過程中，為了避免CMOS電路CH375出現大電流閂鎖效應而損壞芯片，故在USB插座的電源上并聯了儲能電容C31緩解瞬時壓降。

4 小結

整個系統設計為了具備強干擾性和可移植性，均采用模塊化設計。為對系統設計的可行性和穩定性進行驗證，進行了相關硬件測試工作，同時完成了基于Visual Basic 6.0開發的上位機遠程監控軟件，并結合硬件和軟件設計進行了實地試驗。插秧機在水泥地上模擬田間的作業軌跡，驗證前面系統設計的可行性。試驗結果表明，通過將系統顯示的自動測量面積值與人工實際測量面積值進行對比分析，系統能夠很好地完成作業區域自動識別和面積測量工作，并能遠程實時采集插秧機發動機相關工況參數和控制發動機的啟停。

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