CN101672678B - 测量不规则形状物体体积的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量不规则物体体积的装置，包括一带有盖体的密封测量室、真空泵、安装在测量室内的差分压力传感器、绝对压力传感器及微处理器；测量室内还可设置一个以上的充气气囊，测量室及充气气囊分别通过对外连接的阀装置与外部气体相连通；真空泵分别通过阀装置与测量室及充气气囊的气体入口相连通；微处理器分别与测量室、真空泵、差分压力传感器、绝对压力传感器及各阀装置电连接，用于控制阀门及真空泵，存储标定曲线，采集、记录差分压力传感器及绝对压力传感器的压力信号，累计、记录阀装置的开通时间，并换算出物体体积。本发明操作简单，不受物体形状的限制，测量数据准确。完全可以实现对零碎物体的准确测定。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量物体体积的方法和装置，具体涉及的是一种测量不规则形状物体体积的方法和装置。
背景技术
工农业以及科学实验等诸多领域都需要测量物体的体积，而物体的形状又不可能全部都是规则的形状。目前对不规则形状物体体积的测量，最常采用的是利用阿基米德原理或者使用三维激光扫描技术来测量。利用阿基米德原理测量物体体积可测量任意形状的物体体积，操作简单，费用低，但是需要把物体浸入水中，对于很多精密的以及不能浸入水中的物体无法使用。
三维激光测量技术的出现和发展为获取不规则物体的体积提供了全新的技术手段。而随着激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器等技术的发展和应用需求的推动，三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面大幅度提升，扫描对象不断扩大，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。
三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有应用领域广泛、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。
实际应用中，根据三维激光扫描数据的特点及建模需求，选用相应的数据处理策略和方法。现有各种类型的点云数据处理软件，如三维激光扫描仪配带的相应点云数据处理软件或逆向工程领域比较著名的商业点云处理软件，一般都具有点云数据编辑、拼接与合并、数据点三维空间量测、点云数据可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能，但它们往往具有通用的处理功能，对于特定的数据处理效果有一定的不足之处，在功能和性能上也或多或少存在一定缺陷，且一般比较昂贵。目前尽管三维激光扫描测量技术应用领域广泛，但相关的理论与方法研究仍有待于完善。
具体到体积测定时，三维激光扫描数据处理量大，需要配置内存大和高速CPU计算机，扫描和数据处理时间长。很多时候，使用者只需要知道物体的体积，但三维激光扫描需要先对物体逐点扫描建立物体的三维数字模型，然后才能得到体积，不仅费时，而且浪费资源。三维激光扫描对被测物体的表面要求比较高，物体表面如果太暗，太亮，或太粗糙，都会妨碍激光读取，从而影响测量精度。三维激光扫描对工作环境的要求也比较高，环境必须相对恒温，没有灰尘，震动小。在许多工业场所，这些要求往往达不到。另外，三维激光扫描不能用于测量零碎物体，例如一定体积的药物粉剂，工业粉末，造纸的木屑，建筑上的沙子和碎石的体积等。人们常常需要测量零碎物体的体积，从而知道物体放置在一起时的空隙率。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单方便、易于操作、成本低、测量快速，可在最大多数工作环境下工作的新型测量不规则形状物体体积的装置。
本发明的另一个目的是提供一种使用上述装置测量不规则形状物体体积的方法。
为达上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种测量不规则形状物体体积的装置，包括测量室、真空泵、差分压力传感器、绝对压力传感器及微处理器；
测量室为一带有盖体的密封容器，其上设有气体入口，气体入口通过对外连接的阀装置与外部气体相连通；
真空泵通过阀装置与测量室的气体入口相连通，用于在测量室中产生真空；
差分压力传感器安装在测量室内，用于监测测量室内的压力；
绝对压力传感器安装在气体入口处，用于测量通入的气体压力；
微处理器采用PIC18F452微处理器。分别与测量室、真空泵、差分压力传感器、绝对压力传感器及各阀装置电连接，用于控制阀门及真空泵存储标定曲线，采集、记录差分压力传感器及绝对压力传感器的压力信号，累计、记录阀装置的开通时间，并换算出物体体积。
测量室内还可设置一个或一个以上的充气气囊，充气气囊分别通过阀装置与外部气体及真空泵相连通；绝对压力传感器装设于充气气囊的入口处，用于测量通入充气气囊内的气体压力。
对于没有孔隙的物体，例如金属块，测量室内也可不设置气囊。如果不设置气囊，被测物体放在测量室内，在测量室内达到真空后，外部气体直接放入测量室内，通过进入的气体体积可得知被测物体的体积。此时，因为被测物体没有孔隙，无须考虑气体进入孔隙会影响体积的测量。气体可以环绕被测物体并且直接接触被测物体，无需使用气囊隔离气体和被测物体。而在测定有孔隙的物体时，则需设置充气气囊，充气气囊根据物体的大小可对称设置两个，或上下左右四个或更多个，以气囊充气后能够完全包裹被测物体为准。
与充气气囊相连通的外部气体可为外部大气或外部高压气体。
另外，还可在与大气相通的阀装置与外部大气之间装设一气体体积流量计，用于测量流入测量室和充气气囊内物体的体积；气体体积流量计与处理器电连接，微处理器可采集并记录气体体积流量计的数据信息。
测量室内还可设有一用于放置被测物品的支架，微处理器采用PIC18F452微处理器。
一种测量不规则物体体积的方法，包括如下步骤：
(1)将未放置物品的测量室及充气气囊抽取真空；
(2)向充气气囊/测量室内通入大气直至气囊/测量室内压力与大气压力平衡或通入高压气体至一预定压力值，记录通入气体体积；
(3)将被测物体放入测量室内，用真空泵将测量室和充气气囊中抽成真空；
(4)将大气通入充气气囊/测量室内直至与大气压力相平衡或通入高压气体至(2)中所设预定压力值，记录通入气体体积；
(5)以未放置物品时进入充气气囊/测量室的气体体积减去放入被测物品时充气气囊/测量室的气体体积，即可得到被测物体体积。
可使用绝对压力传感器来获取流入充气气囊/测量室中的大气体积，当通气管道内径固定时，流入充气气囊/测量室的大气体积等于大气流入充气气囊/测量室至气压平衡的时间差乘以通气管路的横截面积再乘以气体的流速。公式为V＝(T1-T0)*S*v，式中T的单位是秒，S是平方厘米，v是厘米/秒，V是毫升。由于样品室内部的体积远小于外部大气的体积，大气流入充气气囊的速度基本取决于通气管路的横截面积，所以流入充气气囊/测量室的大气体积可以由绝对压力传感器测得的大气流入充气气囊/测量室至气压平衡的时间差和通气管路113的横截面积来决定，即当通气管路113的截面积一定时，流入充气气囊/测量室的大气体积和大气流入充气气囊/测量室至气压平衡时的时间成正比。流入充气气囊/测量室的大气体积可以用气压平衡时的时间来表达。
具体操作时，可先将一系列已知体积的标准物体逐一放入测量室内测量，可以测得对于不同标准物体气压平衡的时间。这个体积和气压平衡时间的关系就是系统的标定曲线。把未知体积物体放入测量室内测量，得到对应未知物体的气压平衡时间，将气压平衡时间代入系统的标定曲线，即可得到未知物体的体积。
或者，通过与外部大气相通的阀门和外部大气之间接入的气体体积流量计记录流经气体体积流量计的气体体积。以测量室没有任何被测物体时气体体积流量计记录的体积减去测量室内有被测物体时的气体的体积，既得出被测物体的体积。
本发明测量不规则物体体积的装置结构简单，操作方便，制作成本低，测量速度快，可在科研、学校、工业场所等任意环境下进行操作使用，无环境限制，其换算及记录的过程完全由微处理器自动完成，实现了自动化操作。
本发明测量不规则物体体积的方法以同等条件下达到压力平衡时的测量室内气体体积在未加入任何被测物体与加入被测物体的气体体积差来测定不规则物体的体积，无需将物体浸入水中，操作简单，不受物体形状的限制，测量数据准确。完全可以实现对零碎物体，如药物粉剂、工业粉末、木屑、沙子及碎石的体积的准确测定。
附图说明
图1为本发明测量不规则物体体积的装置一种结构示意图(其中充气气囊内充入的气体为外部大气)；
图2为标定曲线示意图；
图3为本发明测量不规则物体体积的装置的另一种结构示意图(其中充气气囊即可充入外部大气也可充入外部高压气体)。
具体实施方式
以下实施例中所用装置及设备的参数为：
真空泵3/4马力(560瓦)，气体抽速每分钟220升，极限真空小于2000Pa。
真空控制阀门，功率10瓦，承受压力1MPa，黄铜或不锈钢阀体。
绝对压力传感器，MPX2100DP，美国弗里司盖半导体公司(Freescale Semiconductor，USA)制造，量程0-0.1MPa，已标定并具有温度补偿.
差分压力传感器，MPX2050GP，美国弗里司盖半导体公司(Freescale Semiconductor，USA)制造，，量程0-50KPa，已标定并具有温度补偿
气体体积流量计，Sierra 240，美国西瑞公司(SierraInstruments，USA)制造，精度，0.7％，重复性0.1％读数。
微处理器采用PIC18F452微处理器。
通气管道内径为6毫米。
参见图1所示，为一种测量不规则物体体积的装置，其包括测量室101、真空泵111、差分压力传感器107、绝对压力传感器108及微处理器；其中，测量室101为一带有盖体的密封容器，其内设置两个充气气囊103/104，测量室101及充气气囊103/104上均设有入口，测量室101的入口经由阀106、通气管路113A、通气管路113B与真空泵111相连通；充气气囊103/104经由通气管路113C/113D、阀109及通气管路113B与真空泵111相连通；测量室101入口及充气气囊103/104入口通过阀110与外部大气相连通。
差分压力传感器安装在测量室内，用于监测测量室内的压力。测量时，测量室内压力应保持低压。如果测量室内的压力过大，说明气囊充气时有泄漏，测量的体积会有误差，需要重新测量。
绝对压力传感器安装在充气气囊的入口，用于测量充气气囊内的气体压力；
微处理器分别与测量室101、真空泵111、差分压力传感器107、绝对压力传感器108及各阀装置电连接，用于控制阀门及真空泵111，存储标定曲线，采集、记录差分压力传感器107及绝对压力传感器108的压力信号，累计、记录阀装置的开通时间，并换算出物体体积。
测量室101内还可设有一用于放置被测物品的支架105。
充气气囊103/104有无可视被测物体而定。对于没有孔隙的物体，例如金属块，测量室内也可不设置气囊。如果不设置气囊，被测物体放在测量室内，在测量室内达到真空后，外部气体直接放入测量室内，通过进入的气体体积可得知被测物体的体积。此时，因为被测物体没有孔隙，无须考虑气体进入孔隙会影响体积的测量。气体可以环绕被测物体并且直接接触被测物体，无需使用气囊隔离气体和被测物体，从而简化设置。对于有孔隙的物体，充气气囊103/104数目可视被测物体大小而定，可设置1个，或上下左右四个或更多个，以充气气囊103/104充气后能够完全包裹被测物体为准。
另外，还可在与大气相通的阀装置与外部大气之间装设一气体体积流量计112，用于测量流入测量室和充气气囊内物体的体积。
首先对装置进行系统标定，标定过程是使用三个或多个已知体积的物体，逐一放入测量室内，获得每个物体在绝对压力传感器108的压力值达到80KPa的时间。其时间和体积的关系可以用线性多项式Y＝kX+b来表达，其中Y为被测物体体积，X为压力平衡时间，k为斜率，b为截距。多项式的斜率和截距用回归拟合得到。这个用多项式表示的体积和时间的关系曲线既是系统的标定曲线。标定曲线存储在微处理器里。在测量未知体积的物体时，把绝对压力传感器达到规定压力的时间，经由标定曲线的换算可得被测物体的体积。
表一所示为系统的标定数据。
表一
| 标准物体 | 体积(cm3) | 压力平衡时间(任意单位) |
| 1 | 0 | 9121 |
| 2 | 466 | 8497 |
| 3 | 1145 | 7565 |
| 4 | 1840 | 6618 |
| 5 | 1611 | 6868 |
标定曲线即被测物体积与压力平衡时间的关系参见图1所示。其多项式为Y＝-0.7253X+6621.7，其中Y为被测物体体积，单位立方厘米，X为压力平衡时间，可为任意的时间单位，此处采用的是微处理器的时钟频率。图中R为相关系数，它表明标定曲线中被测物体积与压力平衡时间的相关性。R2越接近于一，相关性越好。
具体测量时，先打开测量室顶部的盖子，检查每个气囊与系统连接完好。将被测物体放入测量室内。如果测量室底部有气囊，被测物体应放置在气囊之上。使得气囊充气后能够将被测物体托起。盖上测量室，测量室处于密封状态。关闭阀门110，开通按阀门106和109，系统进入负压状态。当系统内真空低于2500Pa后，持续给系统抽真空10分钟。然后关闭阀门106，开通阀门109，停止真空泵。开通阀门110，最佳采用间歇式开通，即开通100毫秒，关闭1秒。间歇式开通阀门110能够使得气囊缓慢充气，保证绝对压力传感器108有足够响应时间。在间歇式开通阀门110的同时，微处理器采集并记录绝对压力传感器108和差分压力传感器107的压力信号。微处理器同时累计阀门110开通的时间。当绝对压力传感器108的压力值达到80KPa时，微处理器记录自阀门110开通时至绝对压力传感器108的压力值达到80KPa时的时间，通过内部存储的标定曲线Y＝-0.7253X+6621.7即可将此时间换算成被测物体的体积。
通过此方法测定不规则物体的体积，输入气压为1330Pa，停止气压为80Pa，通气管路管径为6mm，测量结果如下表2所示：
表2
| 输入时间(任意单位)A | 停止时间(任意单位)B | 流入气囊的气体体积(毫升) | 体积计算公式6621.7-0.7253*(B-A) | 所测物体的体积(cm3) |
| 0 | 8113.6 | 5884.8 | 6621.7-0.7253*8113.6 | 736.9 |
| 0 | 7874.9 | 5711.6 | 6621.7-0.7253*7874.9 | 910.9 |
或者，在阀门110和外部大气之间接入气体体积流量计112，当绝对压力传感器108的压力值达到80KPa时，记录流经气体体积流量计112的气体体积。当测量室没有任何被测物体时，气体体积流量计112记录的体积减去量室内有被测物体时的气体体积，既是被测物体的体积。如果采用气体体积流量计112进行测量，则无需进行系统标定。
参见图3所示，为本发明装置的另一种结构示意图。包括测量室101、真空泵111、差分压力传感器107、绝对压力传感器108及微处理器；其中，测量室101为一带有盖体的密封容器，其内设置两个充气气囊103/104，测量室101上开设两个气体入口，其中一个入口经由阀106、通气管路113A、通气管路113B与真空泵111相连通；另一个入口经由阀114于外部大气相连通。充气气囊103经由通气管路113E及113D、阀109及通气管路113B与真空泵111相连通；充气气囊104经由通气管路113C、阀109及通气管路113B与真空泵111相连通。测量室101入口及充气气囊103/104入口通过阀110与外部大气相连通。同时充气气囊103经由通气管路113E、充气气囊104经由通气管道113C及113D分别与外部大气或者外部高压气体相连通。其与图一的差别仅在于充气气囊内即可充入外部大气也可充入外部高压气体，在具体测量方法中可以充入气体气囊内的高压气体达到同样的压力值时充入的气体体积的差来计算待测物体的体积。
Claims (10)
1.一种测量不规则物体体积的装置，其特征在于：
包括测量室、真空泵、差分压力传感器、绝对压力传感器及微处理器；
测量室为一带有盖体的密封容器，其上设有气体入口，气体入口通过对外连接的阀装置与外部气体相连通；
真空泵通过阀装置与测量室的气体入口相连通，用于在测量室产生真空；
差分压力传感器安装在测量室内，用于监测测量室内的压力；
绝对压力传感器安装气体入口处，用于测量通入的气体压力；
微处理器分别与测量室、真空泵、差分压力传感器、绝对压力传感器及各阀装置电连接，用于控制阀门及真空泵，存储标定曲线，采集、记录差分压力传感器及绝对压力传感器的压力信号，累计、记录阀装置的开通时间，并换算出物体体积。
2.根据权利要求1所述的测量不规则物体体积的装置，其特征在于：
测量室内设置一个或一个以上的充气气囊，充气气囊分别通过阀装置与外部气体及真空泵相连通；所述绝对压力传感器装设于充气气囊的入口处，用于测量通入充气气囊内的气体压力。
3.根据权利要求2所述的测量不规则物体体积的装置，其特征在于：
所述充气气囊在测量室内对称设置2个或4个。
4.根据权利要求2-3中任一所述的测量不规则物体体积的装置，其特征在于：
在与大气相通的阀装置及外部大气之间安装一气体体积流量计，用于测量流入测量室和充气气囊内气体的体积；气体体积流量计与处理器电连接，微处理器可采集并记录气体体积流量计的数据信息。
5.根据权利要求4所述的测量不规则物体体积的装置，其特征在于：
测量室内设有一用于放置被测物体的支架；微处理器采用PIC18F452微处理器。
6.根据权利要求5所述的测量不规则物体体积的装置，其特征在于：
所述与充气气囊相连通的外部气体为外部大气或外部高压气体。
7.一种使用权利要求2-6任一所述的测量不规则物体体积的装置测量不规则物体体积的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将未放置物品的测量室及充气气囊抽取真空；
(2)向充气气囊/测量室内通入大气直至气囊/测量室内压力与大气压力平衡或通入高压气体至一预定压力值，记录通入气体体积；
(3)将被测物体放入测量室内，用真空泵将测量室和充气气囊中抽成真空；
(4)将大气通入充气气囊/测量室内直至与大气压力相平衡或通入高压气体至(2)中所设预定压力值，记录通入气体体积；
(5)以未放置物品时进入充气气囊/测量室的气体体积减去放入被测物品时充气气囊/测量室的气体体积，即可得到被测物体体积。
8.根据权利要求7所述的测量不规则物体体积的方法，其特征在于：
使用所述绝对压力传感器测定流入测量室/充气气囊内气体压力，以微处理器采集并记录气体达到气压平衡的时间差，然后通过微处理器内储存的标定曲线即测定的气压平衡时间与体积的关系曲线换算出不规则物体的体积。
9.根据权利要求8所述的测量不规则物体体积的方法，其特征在于：
所述标定曲线是通过将一系列已知体积的标准物体逐一放入测量室内测量，测得不同标准物体放入时充气气囊/测量室内气压平衡的时间，以线性多项式将气压平衡时间与被测物体体积的关系表达出来的关系曲线。
10.根据权利要求7所述的测量不规则物体体积的方法，其特征在于：
使用气体体积流量计测量流入测量室及充气气囊内的气体体积，在绝对压力传感器达到同样压力值时，测量室内未加入任何被测物体时气体体积流量计记录的体积减去测量室内放入被测不规则物体时气体体积流量计测得的体积，即为被测不规则物体的体积。
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