測量不規則形狀物體體積的方法和裝置的製作方法

2023-10-08 15:39:39

專利名稱：測量不規則形狀物體體積的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量物體體積的方法和裝置，具體涉及的是一種測量不規則形狀物體體積的方法和裝置。
背景技術：
工農業以及科學實驗等諸多領域都需要測量物體的體積，而物體的形狀又不可能全部都是規則的形狀。目前對不規則形狀物體體積的測量，最常採用的是利用阿基米德原理或者使用三維雷射掃描技術來測量。利用阿基米德原理測量物體體積可測量任意形狀的物體體積，操作簡單，費用低，但是需要把物體浸入水中，對於很多精密的以及不能浸入水中的物體無法使用。
三維雷射測量技術的出現和發展為獲取不規則物體的體積提供了全新的技術手段。而隨著雷射技術、半導體技術、微電子技術、計算機技術、傳感器等技術的發展和應用需求的推動，三維雷射掃描測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便、抗幹擾能力等性能方面大幅度提升，掃描對象不斷擴大，應用領域不斷擴展，逐步成為快速獲取空間實體三維模型的主要方式之一 。
三維雷射掃描測量技術克服了傳統測量技術的局限性，採用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據，能夠對任意物體進行掃描，快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據。它具有應用領域廣泛、實時性強、精度高、主動性強、全數字特徵等
特點，其輸出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟體接口。
實際應用中，根據三維雷射掃描數據的特點及建模需求，選用相應的數據處理策略和方法。現有各種類型的點雲數據處理軟體，如三維雷射掃描儀配帶的相應點雲數據處理軟體或逆向工程領域比較著名的商業點雲處理軟體， 一般都具有點雲數據編輯、拼接與合併、數據點三維空間量測、點雲數據可視化、空間數據三維建模、紋理分析處理和數據轉換等功能，但它們往往具有通用的處理功能，對於特定的數據處理效果有一定的不足之處，在功能和性能上也或多或少存在一定缺陷，且一般比較昂貴。目前儘管三維雷射掃描測量技術應用領域廣泛，但相關的理論與方法
研究仍有待於完善。
具體到體積測定時，三維雷射掃描數據處理量大，需要配置
內存大和高速CPU計算機，掃描和數據處理時間長。很多時候，
使用者只需要知道物體的體積，但三維雷射掃描需要先對物體逐點掃描建立物體的三維數字模型，然後才能得到體積，不僅費時，而且浪費資源。三維雷射掃描對被測物體的表面要求比較高，物體表面如果太暗，太亮，或太粗糙，都會妨礙雷射讀取，從而影響測量精度。三維雷射掃描對工作環境的要求也比較高，環境必須相對恆溫，沒有灰塵，震動小。在許多工業場所，這些要求往往達不到。另外，三維雷射掃描不能用於測量零碎物體，例如一定體積的藥物粉劑，工業粉末，造紙的木屑，建築上的沙子和碎石的體積等。人們常常需要測量零碎物體的體積，從而知道物體放置在一起時的空隙率。

發明內容
本發明的目的是提供一種簡單方便、易於操作、成本低、測量快速，可在最大多數工作環境下工作的新型測量不規則形狀物體體積的裝置。
本發明的另 一個目的是提供一種使用上述裝置測量不規則形狀物體體積的方法。
為達上述目的，本發明採用了以下技術方案
一種測量不規則形狀物體體積的裝置，包括測量室、真空泵、差分壓力傳感器、絕對壓力傳感器及^f鼓處理器；
測量室為一帶有蓋體的密封容器，其上設有氣體入口，氣體入口通過對外連接的閥裝置與外部氣體相連通；
真空泵通過閥裝置與測量室的氣體入口相連通，用於在測量室中產生真空；
差分壓力傳感器安裝在測量室內，用於監測測量室內的壓
力；
絕對壓力傳感器安裝在氣體入口處，用於測量通入的氣體壓
力；微處理器採用PIC18F452微處理器。分別與測量室、真空泵、
差分壓力傳感器、絕對壓力傳感器及各閥裝置電連接，用於控制
閥門及真空泵存儲標定曲線，採集、記錄差分壓力傳感器及絕對
壓力傳感器的壓力信號，累計、記錄閥裝置的開通時間，並換算出物體體積。
測量室內還可設置一個或一個以上的充氣氣嚢，充氣氣嚢分別通過閥裝置與外部氣體及真空泵相連通；絕對壓力傳感器裝"i殳於充氣氣囊的入口處，用於測量通入充氣氣嚢內的氣體壓力。
對於沒有孔隙的物體,例如金屬塊,測量室內也可不設置氣嚢。如果不設置氣嚢，被測物體放在測量室內，在測量室內達到真空後，外部氣體直接放入測量室內，通過進入的氣體體積可得知被測物體的體積。此時，因為被測物體沒有孔隙，無須考慮氣體進入孔隙會影響體積的測量。氣體可以環繞被測物體並且直接接觸被測物體，無需使用氣囊隔離氣體和被測物體。而在測定有孔隙的物體時，則需設置充氣氣嚢，充氣氣嚢根據物體的大小可對稱設置兩個，或上下左右四個或更多個，以氣嚢充氣後能夠完全包裹糹皮測物體為準。
與充氣氣嚢相連通的外部氣體可為外部大氣或外部高壓氣體。
另外，還可在與大氣相通的閥裝置與外部大氣之間裝設一氣體體積流量計，用於測量流入測量室和充氣氣嚢內物體的體積；氣體體積流量計與處理器電連接，微處理器可採集並記錄氣體體積流量計的數據信息。
測量室內還可設有一用於放置被測物品的支架，微處理器採
用PIC18F452樣i處理器。
一種測量不身見則物體體積的方法，包括如下步驟(1 )將未放置物品的測量室及充氣氣嚢抽取真空；(2)向充氣氣嚢/測量室內通入大氣直至氣嚢/測量室內壓力與大氣壓力平衡或通入高壓氣體至一預定壓力值，記錄通入氣體體積；
(3 )將被測物體放入測量室內，用真空泵將測量室和充氣氣嚢中抽成真空；
(4 )將大氣通入充氣氣嚢/測量室內直至與大氣壓力相平衡或通入高壓氣體至(2)中所設預定壓力值，記錄通入氣體體積；
(5 )以未放置物品時進入充氣氣嚢/測量室的氣體體積減去放入被測物品時充氣氣嚢/測量室的氣體體積，即可得到被測物體體積。
可使用絕對壓力傳感器來獲取流入充氣氣嚢/測量室中的大氣體積，當通氣管道內徑固定時，流入充氣氣嚢/測量室的大氣體積等於大氣流入充氣氣嚢/測量室至氣壓平衡的時間差乘以通氣管路的橫截面積再乘以氣體的流速。公式為V-(L-T。hS"，式中T的單位是秒，S是平方釐米，V是釐米/秒，V是毫升。由於樣品室內部的體積遠小於外部大氣的體積，大氣流入充氣氣橫截面積，所以流入充氣氣嚢/測量室的大氣體積可以由絕對壓力傳感器測得的大氣流入充氣
氣嚢/測量室至氣壓平衡的時間差和通氣管路113的橫截面積來
決定，即當通氣管路113的截面積一定時，流入充氣氣嚢/測量室的大氣體積和大氣流入充氣氣嚢/測量室至氣壓平糹軒時的時間成正比。力乾入充氣氣嚢/測量室的大氣體積、可以用氣乂玉平4軒時的時間來表達。
具體才乘作時，可先將一系列已知體積的標準物體逐一放入測
量室內測量，可以測得對於不同標準物體氣壓平衡的時間。這個體積和氣壓平衡時間的關係就是系統的標定曲線。把未知體積物體放入測量室內測量，得到對應未知物體的氣壓平衡時間，將氣壓平衡時間代入系統的標定曲線，即可得到未知物體的體積。
或者，通過與外部大氣相通的閥門和外部大氣之間接入的氣體體積流量計記錄流經氣體體積流量計的氣體體積。以測量室沒有任何被測物體時氣體體積流量計記錄的體積減去測量室內有被測物體時的氣體的體積，既得出被測物體的體積。
本發明測量不規則物體體積的裝置結構簡單，4乘作方便，製作成本低，測量速度快，可在科研、學校、工業場所等任意環境下進行操作使用，無環境限制，其換算及記錄的過程完全由微處理器自動完成，實現了自動化操作。本發明測量不規則物體體積的方法以同等條件下達到壓力平衡時的測量室內氣體體積在未加入任何被測物體與加入被測物體的氣體體積差來測定不規則物體的體積，無需將物體浸入水中，操作簡單，不受物體形狀的限制，測量數據準確。完全可以實現對零碎物體，如藥物粉劑、工業粉末、木屑、沙子及碎石的體積的準確測定。


圖1為本發明測量不規則物體體積的裝置一種結構示意圖
(其中充氣氣嚢內充入的氣體為外部大氣)；圖2為標定曲線示意圖3為本發明測量不規則物體體積的裝置的另一種結構示意圖(其中充氣氣嚢即可充入外部大氣也可充入外部高壓氣體)。
具體實施例方式
以下實施例中所用裝置及設備的參數為
真空泵3/4馬力(560瓦)，氣體抽速每分鐘220升，極限真空小於2000Pa。
真空控制閥門，功率10瓦，承受壓力lMPa,黃銅或不鏽鋼閥體。
絕對壓力傳感器，MPX2100DP，美國弗裡司蓋半導體公司(Freescale Semiconductor, USA)製造，量程0—0.豐a，已標定並具有溫度補償.
差分壓力傳感器，MPX2050GP,美國弗裡司蓋半導體公司(Freescale Semiconductor, USA)製造，，量程0-50KPa,已標定並具有溫度補償
氣體體積流量計，Sierra 240，美國西瑞/>司(SierraInstruments, USA)製造，精度，0. 7%,重複性G. 1°/。讀數。
^鼓處理器釆用PIC18F452《鼓處理器。
通氣管道內徑為6毫米。
參見圖l所示，為一種測量不規則物體體積的裝置，其包括測量室101、真空泵111、差分壓力傳感器107、絕對壓力傳感器108及微處理器；其中，測量室101為一帶有蓋體的密封容器，其內設置兩個充氣氣嚢103/104,測量室101及充氣氣嚢103/104上均設有入口，測量室101的入口經由閥106、通氣管路113A、通氣管路113B與真空泵111相連通；充氣氣嚢103/104經由通氣管路113C/113D、閥109及通氣管路113B與真空泵111相連通；測量室101入口及充氣氣嚢103/104入口通過閥110與外部大氣相連通。
差分壓力傳感器安裝在測量室內，用於監測測量室內的壓力。測量時，測量室內壓力應保持低壓。如果測量室內的壓力過大，說明氣嚢充氣時有洩漏，測量的體積會有誤差，需要重新測
量絕對壓力傳感器安裝在充氣氣嚢的入口，用於測量充氣氣嚢
內的氣體壓力；
微處理器分別與測量室101、真空泵111、差分壓力傳感器107、絕對壓力傳感器108及各閥裝置電連接，用於控制閥門及真空泵lll,存儲標定曲線，採集、記錄差分壓力傳感器107及絕對壓力傳感器108的壓力信號，累計、記錄閥裝置的開通時間，並換算出物體體積。
測量室101內還可i更有一用於ii置^C測物品的支架105。
充氣氣嚢103/104有無可禍j皮測物體而定。對於沒有孔隙的物體，例如金屬塊,測量室內也可不設置氣嚢。如果不設置氣嚢，被測物體放在測量室內，在測量室內達到真空後，外部氣體直接放入測量室內，通過進入的氣體體積可得知被測物體的體積。此時，因為被測物體沒有孔隙，無須考慮氣體進入孔隙會影響體積的測量。氣體可以環繞被測物體並且直接接觸被測物體，無需使用氣嚢隔離氣體和被測物體，從而簡化設置。對於有孔隙的物體,充氣氣嚢103/104數目可視被測物體大小而定，可設置1個，或上下左右四個或更多個，以充氣氣嚢103/104充氣後能夠完全包裹尋皮測物體為準。
另夕卜，還可在與大氣相通的閥裝置與外部大氣之間裝設一氣體體積流量計112,用於測量流入測量室和充氣氣嚢內物體的體積。首先對裝置進行系統標定，標定過程是使用三個或多個已知體積的物體，逐一放入測量室內，獲得每個物體在絕對壓力傳感
器108的壓力值達到80KPa的時間。其時間和體積的關係可以用線性多項式Y=kX+b來表達，其中Y為被測物體體積，X為壓力平衡時間，k為斜率，b為截距。多項式的斜率和截距用回歸擬合得到。這個用多項式表示的體積和時間的關係曲線既是系統的標定曲線。標定曲線存儲在微處理器裡。在測量未知體積的物體時，把絕對壓力傳感器達到規定壓力的時間，經由標定曲線的換算可得-陂測物體的體積。
表一所示為系統的標定lt據。
表一
標準物體體積(cm3)壓力平tf時間(任意單 位)
109121
24668497
311457565
418406618
516116868
標定曲線即被測物體積與壓力平衡時間的關係參見圖1所
示。其多項式為Y=-0. 7253X+6621. 7,其中Y為被測物體體積，單位立方釐米，X為壓力平衡時間，可為任意的時間單位，此處採用的是微處理器的時鐘頻率。圖中R為相關係數，它表明標定
曲線中被測物體積與壓力平衡時間的相關性。R2越接近於一，相
關性越好。
具體測量時，先打開測量室頂部的蓋子，檢查每個氣嚢與系統連接完好。將被測物體放入測量室內。如果測量室底部有氣嚢，被測物體應放置在氣嚢之上。使得氣嚢充氣後能夠將被測物體託
起。蓋上測量室，測量室處於密封狀態。關閉閥門110，開通按閥門106和109,系統進入負壓狀態。當系統內真空低於2500Pa後，持續給系統抽真空10分鐘。然後關閉閥門106，開通閥門109,停止真空泵。開通閥門110,最佳採用間歇式開通，即開通100毫秒，關閉1秒。間歇式開通閥門110能夠使得氣嚢緩慢充氣，保證絕對壓力傳感器108有足夠響應時間。在間歇式開通閥門110的同時，微處理器採集並記錄絕對壓力傳感器108和差分壓力傳感器107的壓力信號。微處理器同時累計閥門110開通的時間。當絕對壓力傳感器108的壓力值達到80KPa時，微處理器記錄自閥門110開通時至絕對壓力傳感器108的壓力值達到80KPa時的時間，通過內部存儲的標定曲線Y=-0. 7253X+6621. 7即可將此時間換算成^^皮測物體的體積。
通過此方法測定不規則物體的體積，輸入氣壓為1330Pa，停止氣壓為80Pa,通氣管路管徑為6mm，測量結果如下表2所示表2
輸入時間 (任意單位) A停止時間 (任意單位) B流入氣嚢的 氣體體積 (毫升)體積計算公式 6621. 7-0. 7253* (B-A)所測物體 的體積 (cm3)
08113. 65884, 86621. 7-0. 7253*811 3. 6736. 9
07874. 95711. 66621. 7-0. 7253*7874. 9910. 9
或者，在閥門110和外部大氣之間接入氣體體積流量計112,當絕對壓力傳感器108的壓力值達到80KPa時，記錄流經氣體體積流量計112的氣體體積。當測量室沒有任何被測物體時，氣體體積流量計112記錄的體積減去量室內有被測物體時的氣體體積，既是被測物體的體積。如果釆用氣體體積流量計112進行測量，則無需進行系統標定。
參見圖3所示，為本發明裝置的另一種結構示意圖。包括測量室101、真空泵111、差分壓力傳感器107、絕對壓力傳感器108及微處理器；其中，測量室101為一帶有蓋體的密封容器，其內設置兩個充氣氣嚢103/104,測量室101上開設兩個氣體入口，其中一個入口經由閥106、通氣管路113A、通氣管3各113B與真空泵lll相連通；另一個入口經由閥114於外部大氣相連通。充氣氣嚢103經由通氣管路113E及113D、閥109及通氣管路113B與真空泵lll相連通；充氣氣嚢104經由通氣管路113C、閥109及通氣管^各113B與真空泵111相連通。測量室101入口及充氣氣嚢103/104入口通過閥110與外部大氣相連通。同時充氣氣嚢103經由通氣管路113E、充氣氣嚢104經由通氣管道113C及113D分別與外部大氣或者外部高壓氣體相連通。其與圖 一的差別僅在於充氣氣嚢內即可充入外部大氣也可充入外部高壓氣體，在具體測量方法中可以充入氣體氣嚢內的高壓氣體達到同樣的壓力值時充入的氣體體積的差來計算待測物體的體積。
權利要求
1、一種測量不規則物體體積的裝置，其特徵在於包括測量室、真空泵、差分壓力傳感器、絕對壓力傳感器及微處理器；測量室為一帶有蓋體的密封容器，其上設有氣體入口，氣體入口通過對外連接的閥裝置與外部氣體相連通；真空泵通過閥裝置與測量室的氣體入口相連通，用於在測量室產生真空；差分壓力傳感器安裝在測量室內，用於監測測量室內的壓力；絕對壓力傳感器安裝氣體入口處，用於測量通入的氣體壓力；微處理器分別與測量室、真空泵、差分壓力傳感器、絕對壓力傳感器及各閥裝置電連接，用於控制閥門及真空泵，存儲標定曲線，採集、記錄差分壓力傳感器及絕對壓力傳感器的壓力信號，累計、記錄閥裝置的開通時間，並換算出物體體積。
2、 根據權利要求1所述的測量不規則物體體積的裝置，其 特徵在於測量室內設置一個或一個以上的充氣氣嚢，充氣氣嚢分別通 過閥裝置與外部氣體及真空泵相連通；絕對壓力傳感器裝設於充 氣氣嚢的入口處，用於測量通入充氣氣嚢內的氣體壓力。
3、 根據權利要求2所述的測量不規則物體體積的裝置，其 特徵在於所述充氣氣嚢在測量室內對稱設置2個或4個。
4、 根據權利要求1-3中任一所述的測量不規則物體體積的 裝置，其特徵在於1_ ^4r 丄ri 、；s /.厶,、,m jJ士 審tt 厶L An L i ,':n 厶 J士>4r /i_ /J_ 、—伴巧入-"L，迅日'、j n衣且乂 T邱入nj々itg文衣--(^ 積流量計，用於測量流入測量室和充氣氣嚢內氣體的體積；氣體體積 流量計與處理器電連接，微處理器可採集並記錄氣體體積流量計 的數據信息。
5、 根據權利要求4所述的測量不規則物體體積的裝置，其 特徵在於測量室內設有一用於放置被測物體的支架；微處理器採用 PIC18F452 ^鼓處理器。
6、 根據權利要求5所述的測量不規則物體體積的裝置，其 特徵在於所述與充氣氣嚢相連通的外部氣體為外部大氣或外部高壓 氣體。
7、 一種使用權利要求1 - 6任一所述的測量不規則物體體積 的裝置測量不規則物體體積的方法，其特徵在於包括如下步驟(1)將未放置物品的測量室及充氣氣嚢抽取真空；(2) 向充氣氣嚢/測量室內通入大氣直至氣嚢/測量室內壓 力與大氣壓力平衡或通入高壓氣體至一預定壓力值，記錄通入氣體體積；(3) 將被測物體放入測量室內，用真空泵將測量室和充氣 氣嚢中抽成真空；(4 )將大氣通入充氣氣嚢/測量室內直至與大氣壓力相平衡 或通入高壓氣體至(2)中所設預定壓力值，記錄通入氣體體積；(5 )以未放置物品時進入充氣氣嚢/測量室的氣體體積減去 放入被測物品時充氣氣嚢/測量室的氣體體積，即可得到被測物 體體積。
8、 根據權利要求7所述的測量不規則物體體積的方法，其 特徵在於使用絕對壓力傳感器測定流入測量室/充氣氣嚢內氣體壓 力，以微處理器採集並記錄氣體達到氣壓平衡的時間差，然後通關係曲線換算出不規則物體的體積。
9、 根據權利要求8所述的測量不規則物體體積的方法，其 特徵在於所述標定曲線是通過將一系列已知體積的標準物體逐一放 入測量室內測量，測得不同標準物體放入時充氣氣嚢/測量室內 氣壓平衡的時間，以線性多項式將氣壓平衡時間與被測物體體積 的關係表達出來的關係曲線。
10、根據權利要求7所述的測量不規則物體體積的方法，其 特徵在於使用氣體體積流量計測量流入測量室及充氣氣嚢內的氣體 體積，在絕對壓力傳感器達到同樣壓力值時，測量室內未加入任 何被測物體時氣體體積流量計記錄的體積減去測量室內》丈入氺皮 測不^見則物體時氣體體積流量計測得的體積，即為4皮測不殺見則物 體的體積。
全文摘要
本發明涉及一種測量不規則物體體積的裝置，包括一帶有蓋體的密封測量室、真空泵、安裝在測量室內的差分壓力傳感器、絕對壓力傳感器及微處理器；測量室內還可設置一個以上的充氣氣囊，測量室及充氣氣囊分別通過對外連接的閥裝置與外部氣體相連通；真空泵分別通過閥裝置與測量室及充氣氣囊的氣體入口相連通；微處理器分別與測量室、真空泵、差分壓力傳感器、絕對壓力傳感器及各閥裝置電連接，用於控制閥門及真空泵，存儲標定曲線，採集、記錄差分壓力傳感器及絕對壓力傳感器的壓力信號，累計、記錄閥裝置的開通時間，並換算出物體體積。本發明操作簡單，不受物體形狀的限制，測量數據準確。完全可以實現對零碎物體的準確測定。
文檔編號G01F17/00GK101672678SQ200910180510
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月19日 優先權日2009年10月19日
發明者何天青, 金燕平 申請人:常州廣為儀器科技有限公司