1药壶爆破法体积量测简介
药壶爆破法是一种集中药包爆破方法。在钻孔完成之后，先用少量炸药经过一次或数次扩壶，将孔底扩大成葫芦形，然后装入主药包进行爆破。药壶爆破钻孔量少，延米爆破量大，爆破成本低，可用少量简单的钻孔设备在较短时间内完成一定规模的石方爆破量，因而该法在国内有一定应用市场。该方法施工工序有布孔、钻孔、扩孔（扩壶）、装药、引爆等，其中，扩孔是药壶爆破成功与否的关键技术之一。岩石不同，扩壶难易程度不同，成壶的形状与体积大小也千变万化，因此需要正确确定药壶容积。目前，药壶容积确定法有3种。
1）深度差量测法
爆破前用炮棍测出炮孔的原始深度h1，扩壶后再用炮棍测量出炮孔深度h2药壶成形前后的深度差为h0，将成形后的药壶视为近似球体（（a）），用下式粗略计算药壶的容积：V=4/3（0.5h0）3.
2）炮棍竹片探测法
截一段稍大于药壶半径的竹片，竹片一端与炮棍底部铰接，另一端用细绳拉住，放入孔底，拉动绳子，同时转动炮棍根据孔口段细绳的外伸变量估算药壶大小，如（b）所示。
3）竹片压入扩张法
打通竹筒内竹节，内装篾片，篾片底部与竹筒底部铰接。使用时将竹筒放入炮孔，按下篾片上部手柄，根据篾片上下位移量可反映底部篾片膨胀变形量，确定此处药壶半径，转动竹筒测量不同断面，从而估算药壶体积。体积测量原理如（c）所示。
1测量药壶大小的方法（单位：cm）后2种测量方法对于5m以上的深孔，受炮棍长度所限测试较困难。但是上述药壶体积测量法虽然可以估算出其药量的多少，但往往估算误差太大。
准确地确定扩孔后药壶的形状和体积是爆破成功与否的重要环节之一。为使扩壶容量达到设计装药体积，以获得良好的爆破效果，有必要发明一种准确探测药壶的形状和体积的电子测量仪器。现代电测技术的发展水平也为药壶体积测量的微型化和自动化提供了可能性。
2仪器探测方法比选
采用仪器测量药壶体积的方法是：先测量药壶某截面内半径的一组数据，根据这组数据计算出该截面的面积；测量并求出药壶不同截面的面积后即可确定药壶体积。测距半径范围为：0500mm，精度为15mm.
显然，测量药壶体积最重要的步骤是测量药壶的内半径，而这又与测距传感器测试方法的选择有关。已知的适合孔内的测距方法很多，目前应用较多的主要有激光测距、红外测距、微波测距和超声波测距法等等。
2.1激光测距
利用激光进行距离测量的技术，通常有激光相位测距和脉冲测距2种。
2.1.1激光测距原理
光在给定介质中的传达速度是一个常数c.测量激光在发射点与目标点之间传播时间t，由式（1）求出两点的距离RR=t2c（1）1）相位测距法原理相位测距法是对连续光波的强度进行调制，通过光波在发射点和目标间往返传播中的相位变化来测量其传播时间，其计算公式如下R=2（N+n）（2）式中，N为相位变化整周期数；n为相位变化非整周期数。
由式（2）可知，在进行距离计算时，相位变化周期N无法确定。为此可选择较低后调制频率，使其波长大于发射点和目标间往返距离，此时N为0，式（2）为单解。但是，波长越长测距离精度越低，为达到一定的测距精度和必要的测量范围，应选用一组调制频率，其选择方式有分散的直接调制频率方式和集中的间接调制频率方式2种。
2）脉冲测距原理脉冲测距是通过直接测量脉冲激光从发射点到反射点的往返时间进行测距。脉冲激光的往返传播时间的测量由距离计数器完成。距离计数器开门信号为激光主波采样信号t0，对应的关门信号是激光回波信号t1，单个激光脉冲往返时间可根据计数器在开关门信号之间记录的时钟脉冲个数求得。设记录的脉冲个数为N，周期为，则t=N，将t代入式（1）即可求得测量距离。
2.1.2适用条件
相位测距要受到大气的温度气压湿度等方面的影响。
激光相位测距技术是测定连续的调制激光（一般为调幅）信号在待测距离D上往返传播的相位移间接测定传播时间，然后换算成距离的技术。其实质也是计时测距法，只是将时间信息转换成相位信息。
由于环境因数，对激光传感器的要求很高。因为测距在0500mm的范围内，是属于近距离测量的。对传感器的要求很高，且激光测距在测量的过程会出现较大的偏差，其远远超过盲区要求：小于20mm.例如徕卡新型激光测距仪最小测距范围简便型Lite5的为0.2200m.激光测距是不可行的。
2.2红外测距
按载波的不同，电磁波测距仪分为光电测距仪和微波测距仪。在光电测距仪中，又按光源的不同，分为激光测距仪和红外测距仪。光电测距仪是以光波运载测距信号测量两点间距离的一种测距方法。
与传统的用钢尺测量距离的方法相比较，光电测距具有精度高、灵活机动、作业迅速及受地形影响小等特点。光电测距技术自上世纪60年代以来得到了迅速的发展，特别是采用半导体红外光源的红外光电测距仪（以下简称红外测距仪），已成为城市及各种工程中常用的测量工具。
在红外测距仪中由主控振荡器（即主振）产生的调制信号频率f，经放大后加到GaAs发光管，经电流调制出红外调制光，从发射光学系统发出射向镜站的反光镜；经反射后，回光被接收光学系统所接收，到达硅光敏二极管；经过光电转换，得到高频的测距信号。利用差频原理获得中频f的测距信号e.它保留着在测线上往返所形成的相位差。与此同时，在混频II中，本振与主振信号不经测线直接在机内会合，从而可以得到用于比相的中频基准信号（参考信号）e.两者经过选频放大和整形后输入到检相器比相，得到相位差。最后得通过运算和显示系统直接给出所测的距离值。
红外测距仪的测程一般为0.55km，最远的达至1115km.虽然目前最先进的双目望远镜式红外测距仪（带电子罗盘）LEICA7X42BDA，测量范围：251000m，产品特征：长度：206mm；宽度：178mm；高度：81mm，显然均不符合本课题的要求。
2.3微波测距
微波测距仪是利用微波作载波测定两点间直线距离的一种无线电设备。它是利用电磁波经过一定距离就会引起相位变化，通过测定这种相位变化来确定两点间的距离。
这种相位法测距就是从发射机定向发射电磁波至待测目标，经待测目标反射回来以后，再比较发射波和反射波的相位，测定了此相位差，就确定了待测距离R.
测距范围陆地使用时的最大作用距离35km，海上使用时的最大作用距离25km，最小作用距离0.5km，目前CJ95A型微波测距仪测程：2025000km仍然不符合该设计的要求。
2.4超声波时间法
利用超声波来测距是一种传统的非接触测量方法，由于它具有不受光及电磁波等外界因素的影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单，测量精度高等优点被广泛地应用。
2.4.1超声测距原理
超声波在空气中的传播速度为340m/s，因此，如果能测出超声波在空气中的传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测距就是通过测定超声波传播的时间间接测出声波传送的距离，这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距的原理是：发送器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中碰到障碍物（或对象物）就立即返回来，接收器接收到反射波就立即停止计时，这时计时器就计下了超声波从发射端到障碍物间的来回传播的时间t，而发送器到障碍物的距离可用式（3）计算出来R=t2v（3）
2.4.2超声波测距优点
1）非接触测量目标物体的距离而勿须接触物体。
2）宽的测距范围0.0520m.
3）高精度测量测量误差小于0.05%，重复精度0.1%.
4）适用于各种目标物体的测距超声测距仪的工作性能不受目标物体光学性能的影响，如颜色、透光性、环境的光照度等。
5）高灵敏超声测距仪既可测量小目标，也测量大目标，既可测量近距离，也可测量较远的距离。
6）使用方便可随身携带，一人操作，不受工作地形环境的限制，特别适合操作人员无法接近的物体的测距。
2.4.3适用条件
由于超声测距方法具有设备简单、价格便宜、体积小、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量距离、测量精度等方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的研究与应用。
超声测距是一种非接触式的检测方式。因此在卷筒直径实时测量、工作情况监测、物体的尺寸分类或选择、层面、液面控制、接近预警或安全防范、非接触测量、系统输出、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。
另外还有其他的几种孔内测距方法如光纤微位移测距传感，其测距的范围很小（02mm），也不符合。将这几种孔内测距方案从工程经济性、技术可行性、作业实用性3个方面进行比较，最终选用超声波测距传感器。
3药壶体积测量仪的测量
3.1药壶体积测量仪器根据不同的施工现场和地质条件的需要，钻孔有时候需要钻垂直孔、水平孔或倾斜孔。
在这里药壶体积测量仪器（如所示）主要是针对垂直孔而言的。整个仪器装置由单片机模块、测距探头、带动探头旋转并上升的步进电机、连接杆、防护罩等构成。在药壶形状和体积未知的情况下，为了达到精确测量出药壶的半径和体积，单片机模块需实时读取数据，并将数据进行计算处理，由点到线，然后到面，最后到体的体积计算过程。
3.2药壶体积测量体积计算
3.2.1面积计算在进行第一次或多次扩壶之后，先将装置连接完备，之后将探头伸入壶底2个方向同时测量出药壶同一个条直线上的2个半径R111、R112；之后将探头向某一个方向旋转一个角度，然后再测出其2个对应的半径R121、R122，再旋转同理又有然后R131、R132R151、R152对于第一组测量值可根据S=12R2计算出其平面几何图形的面积。由于旋转角度很小（假设取/18），可近似将其中2个临近的半径组成的扇形看成理想模型，所以整个截面面积S1=1/2
k1（R21m1+R21m2）（k、m均取正整数）（4）3.2.2体积计算利用步进电机将探头再提升H再测量出直径R211、R212；每次提升相同的H.重复上叙述过程直到Rnm1、Rnm2（m=1，2，3，4，5j；n=1，2，3，k）；同理可以算出S2，S3Sn，因而药壶容积V=H
l1Si（l为正整数）（5）该仪器的测量精度，除了与超声波的测距精度爆破体积测量仪器测量示意图有一定的关系外，更主要的是由旋转角度和提升高度H决定。虽然可以通过减小旋转角度或减少提升高度H来提高测量精度，但同时也增加了测量时间。在尽量短的时间内不影响测量结果条件下选定合适旋转角度和提升高度H达到最优的测量精度。
3.3硬件设计
单片机模块系统结构图如所示。按键输入参数设定值，如步进电机的旋转角度、如超声测距发送信号等。主控芯片采用高性价比的嵌入式微处理器AT89C2051.主控芯片发送PWM信号控制步进电机做旋转运动。在选择超声传感器的频率时，由于选择工作频率为15MHz超声传感器，该频率远小于单片机模块的晶振频率（focs=16MHz），所以，晶振产生的频率需要经过分频处理后才能供超声传感器使用。超声信号通过发送电路发出时，计数器停止时，计算出某一个方向的半径，然后药壶体积测量原理继续检测计算数据，最终，将数据通过RS232传送到上位机保存或通过LCD液晶显示。
4结语
药壶体积测量仪器与传统的测量方法，可更精确地测量出药壶的体积。超声测距时，温度以某一个确定值来处理的，但实际在药壶某一部分测试时，温度是不均匀；即使在里面安装温度传感器也只是测量出某一个部分的温度，因此，该仪器的设计仍有待改进。