一种长颈自动伸缩测量杆技术领域
本发明涉及一种伸缩杆，具体讲是一种能够自由伸缩测量的长颈杆。
背景技术
目前，应用到伸缩杆的地方有很多，如测高仪、摄影支架、盲人杆等都会用到伸缩
原理。伸缩杆因具有收缩体积小便于携带与收藏，而展开即满足使用长度要求的特点，在生
活中和工作中应用广泛。使用者需要使用时就拉伸一定的长度，不需要使用时就收回，可以
有效达到体积小、使用灵活、方便携带等效果。林木树高是测算林木材积和生物量必要的因
子，在森林计测中，树高一般用测高器测定，这些测高器测量原理一般是利用相似三角形和
三角函数原理，利用这种原理的测量仪器必须要在通视的情况下，看到树体的最顶端，才能
测其树高，而自动伸缩杆由于具有细长的体型更适合于通视条件不好的环境下使用。
长期以来自动伸缩杆的自由伸缩的灵活度，以及杆拉伸后的稳定程度一直的关键
问题。目前常见的伸缩杆结构，一种是利用套杆之间的阻尼件实现各杆件相互展开或收缩
后的定位；一种是利用套杆端部设置的定位件实现各杆件展开或收缩后的定位。无论何种
方式的结构，此伸缩杆的展收均需手动操作，使用中需反复调整伸缩杆所需长度，自动化程
度不高，因而存在使用费时费力的不便情况。另外也不能自动计算杆的伸缩长度。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种结构简单、自动升降，且能够自动计
算伸缩长度的伸缩杆，能够实现数字化测量，且快速无级伸缩。
本发明解决以上技术问题所采用的技术方案如下：一种长颈自动伸缩测量杆，包
括一伸缩杆，所述伸缩杆包括底座和至少两层相互嵌套的中空套管，其中最外层套管为固
定，其余各层为可伸缩；
可伸缩的所述套管的伸缩通过如下结构实现：在所述伸缩杆中心设置一金属杆，
所述金属杆顶部连接一步进电机，所述步进电机带动连接一齿轮，所述齿轮与套管内壁上
的齿条啮合，除最外层套管外，其余各层套管壁内壁上都设置有所述齿条；在所述伸缩杆中
心还设置一弹簧杆，所述弹簧杆支撑并拉拽所述金属杆，使齿轮始终靠向套管内壁的所述
齿条；
伸缩杆中设置有控制电路，所述控制电路控制连接步进电机。
进一步地，所述金属杆和弹簧杆都设置于最内层套管的中心，但是这样金属杆的
倾斜力度会较小。优选地是，除最外层所述套管外，在其余各层套管壁的同一纵截面上都开
设有一条通长的缝隙，金属杆底端固定于底座上，向上由外到内依次斜穿越过各层套管壁
上的缝隙，伸入到最内层套管的中心，这样有利于金属杆倾斜靠向套管，也有利于套管伸缩
而金属杆并不影响它。
进一步地，在每相邻两层套管之间对应设置有限位机构，限位机构为一组弹珠与
珠孔的组合：即在相应的外层套管上端设置弹珠，在相应的内层套管下端设置珠孔；珠孔为
通透孔，齿轮能够旋进和旋出所述珠孔中；当相邻两层套管拉伸时，外层套管上端的弹珠弹
到相应的内层套管下端的珠孔中；当相邻两层所述套管回缩时，齿轮将弹珠顶出珠孔。
再进一步地，除了仅在最外层套管壁上端设置弹珠，仅在最内层套管壁下端设置
珠孔外，其余各层套管上端和下端均分别设置弹珠和珠孔；且在同一节套管上，弹珠和珠孔
分别位于齿条的上端和下两端，与齿条处于同一条直线上，且珠孔下端延续有齿条。
进一步地，所述弹珠包括一弹片和一钢珠，弹片朝上固定在套管的内壁上，钢珠固
定在弹片的顶端下侧，设置于弹片下侧的好处是容易弹进珠孔中。
进一步地，所述齿轮的齿尖为球形，以减小齿端与珠孔壁之间的摩擦，也利于轮齿
滚出珠孔。
进一步地，所述控制电路中包括有MCU处理器、Wifi、蓝牙、存储器、压力传感器、滑
动变阻器，以及在所述伸缩杆外部设置有上升按键、下降按键、数据传送按键和显示屏，各
所述按键向内分别对应连接一个压力传感器，各压力传感器分别对应连接一个滑动变阻
器，控制电路的通断以及电阻值的大小。
进一步地，所述MCU处理器通过上升按键、下降按键控制所述步进电机的转向和频
率，并计算所述步进电机的步进数。
进一步地，所述MCU处理器通过数据传送按键读取测量数据，并在所述显示屏上显
示。
所以本发明与已有技术相比，显著的有益效果体现在：
1、本发明是一种长度可调节的伸缩杆，通过电机带动的齿轮齿条结构可以自由调
整杆上套管的伸缩量，长短可调。同时杆式仪器外形简单，伸缩自如且便于携带。
2、该伸缩杆可以多级调节，因此长度可以相对更长，堪称为“长颈”。
3、该伸缩杆可以测量长度(高度)，测量原理不是像树木测量仪那样基于相似三角
形和三角函数原理，而是直接将仪器通过电机的步进数折算，比较好确定，而且也解决了手
臂相对位移造成误差的问题，还可以随着林木倾斜方向来测量，适合于林木测量。
4、该伸缩杆上设置控制电路和显示屏，不仅可以控制电机的步进，而且还可以直
接将杆的伸缩量计算出来，显示在屏上，直接达到测量的目的。
5、该伸缩杆的自由伸缩靠电机带动的齿轮和在套管内壁上设置的齿条来完成，可
以实现无极调节，且通过金属杆的支撑和弹簧杆的拉拽，使齿轮能始终靠近套管壁，是一种
新型设计。
6、在管间限位上，本发明设计了一组弹珠和珠孔的配合方式，在锁紧时依靠弹片
的弹力将弹珠自然弹进珠孔，当解锁时，巧妙地利用齿轮的拨动力将弹珠拨出，解决了管内
部无法手动解锁的问题，且充分利用了齿轮的作用。
7、本发明集自动伸缩和测量为一体，智能化程度高，且成本低，外形简单。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得
显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图
中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明整体外形图。
图2为本发明剖视图。
图3为图2中A部局部放大视图。
图4为伸缩杆仰视图，展示杆上的缝隙以及齿条轨道。
图5为图2中B部局部放大图。
图6为弹珠结构图。
图7为齿轮的齿尖图。
图8为内部电路连接图。
图中标号：1-底座，2-套管，3-控制电路，4-金属杆，5-弹簧杆，6-齿轮，7-齿条，8-
缝隙，9-弹珠，10-珠孔，11-摄像头，31-MCU处理器，32-Wifi，33-存储器，34-滑动变阻器，
35-压力传感器，36-上升按键，37-下降按键，38-数据传送按键，39-显示屏，40-USB接口，
91-弹片，92-钢珠。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，
并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并
不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同
变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
本发明为杆式仪器，可手持操作，也可将其固定在某一固着物上操作，具有自伸缩
功能。如图1、2所示，该伸缩杆底部是一底座1，上部是至少两层的套管2，多层套管中除最外
一层为固定外，其余都可伸缩；杆外部设置操作按键，可拴绳或不拴。伸缩杆是一种电动可
自动升降的杆，因此内部有电路板，电路板上设置控制电路3。
伸缩杆至少由两层直径不同的中空套管2组成，各层套管环环相套。其中，较佳的
是最外一层套管与底座之间通过螺纹式旋接，或者一体制作，或者以其他方式连接，将底座
包围在内，外部只看到套管，这样不仅可以固定底座而且还美观；其他不同直径的各套管2
依次层层活动套接，因此可以伸缩。一般来讲各套管都是等长设计的，这样方便加工，完全
缩回后也等高，比如设计伸缩杆总长为20米，则可用每节长为1米的套管共20节，缩短后总
长也只有1米，方便携带，全部伸长后总长度20米，可以伸到20米的高度。伸缩杆采用碳素材
料，具有耐腐蚀性，润滑性，高温强度，耐热性，耐热冲击性，低热膨胀，低弹性和可加工性等
优点。
进一步讲，伸缩杆中各层套管的伸缩，可以有多种方式实现，如通过下述结构实现
自动伸缩：
如图2～5所示，在伸缩杆里部设置一金属杆4和一弹簧杆5，金属杆4底部固定在底
座1上，上端连接一步进电机，步进电机轴端连接一齿轮6；弹簧杆5一端固定在底座1上，另
一端支撑在金属杆4上，较佳的是支撑在金属杆上端，弹簧杆5既有支撑金属杆4的作用，也
有拉拽金属杆倾斜的作用。
进一步讲，可以在除了最外一层套管以外的各层套管上都开设一条缝隙8，如图4
所示，这些缝隙位于伸缩杆同一纵截面上，足以使金属杆4穿过。金属杆4底部固定在底座1
上，向上由外到内穿越过各层套管上的缝隙8一直伸到最内层套管中，由于金属杆4是由外
向内伸入套管中，所以呈倾斜态，这也使得金属杆4会靠向管壁。所以弹簧杆5应设置在与金
属杆4倾斜方向相对的一侧，一方面有支撑金属杆的作用，另一方面又始终拉拽着金属杆，
使连接在金属杆上面的齿轮始终靠向套管壁。由于金属杆4沿套管缝隙8布设在伸缩杆内，
所以并不影响伸缩杆各层套管的升降。
在每一层套管的内壁上都安装有齿条7(最外一层可不设)，如图3所示，齿条7与齿
轮6能够啮合，电机带动齿轮旋转时可拨动齿条所在的这层套管上升或下降。齿轮6应靠在
套管内壁上端，且齿条7应尽量布满整个套管长度，这样可以保证齿轮拨动齿条时，套管能
尽可能地上升到极限高度。进一步讲，金属杆4连同所带步进电机和齿轮的高度要小于套管
收缩时的高度，目的是在伸缩杆完全缩回后，这部分组合件依然装在伸缩杆中。
在每相邻的两层套管2之间，还对应地设置有限位机构，这种限位机构用以保证当
套管上升到位时被锁住，防止滑落，还能保证下降时能自由解锁。这种限位机构可以是一组
弹珠与珠孔的组合，如图5所示：
可以在套管的顶部向内侧设置一弹珠9，在底部设置一横向通透的珠孔10，平时弹
珠被挤压在两层套管之间，当齿轮拨动齿条带动内层套管向上移动时，当外层套管的弹珠
遇到内层套管的珠孔时，就会失去约束力，因而弹进珠孔内，内、外两层套管因此相互卡住；
当齿轮反向拨动内层套管的齿条欲带动内层套管向下移动时，齿轮的一个齿在旋转时会伸
进内层套管的珠孔中，将珠孔中的弹珠顶出孔中，内、外套管脱离，内层套管因而失去约束，
可以下降。
所有相邻的两层套管之间都可以设置这样的限位机构，因此，除了无需在最外层
套管壁下端设置珠孔、无需在最内层套管壁上端设置弹珠外，中间各层套管的上端和下端
均应分别设置弹珠9和珠孔10。
进一步讲，弹珠9和珠孔10最好与齿条7设置在一条直线上，且珠孔下方应延伸设
有齿条，这样可以使得当齿轮上缘的一个齿顶出弹珠时，下缘的一个齿已能拨及到齿条，在
下缘齿的作用下使得齿条继续下行，从而使卡在珠孔中的轮齿在齿条下行和齿轮旋转的双
重作用下滚出珠孔，不间断齿条的运行也不间断齿轮的旋转。
进一步讲，弹珠9是由一弹片91和一钢珠92组成，如图6所示，弹片91焊接于套管内
壁上，钢珠92焊接于弹片顶端下侧，钢珠位于下侧的好处是容易弹进珠孔中。平时弹珠几乎
呈竖直态夹设在两层套管之间，当弹珠遇到珠孔时，压缩力失去，就弹到珠孔中。
进一步讲，齿轮6的齿尖表面应设计成球面S，如图7所示，以减小齿端与珠孔壁之
间的摩擦，也利于轮齿滚出珠孔10。
由此可见，伸缩杆的升降主要应用了齿轮齿条传动原理。设步进电机沿某一方向
转动时带动齿轮6啮合齿条7向上运动，此时伸缩杆将伸长，齿轮率先带动最内层的套管向
外伸出，当最内层套管上升到顶，最内层套管底部的珠孔10与相邻的次外层套管上端的弹
珠9相碰时，之前受挤压的弹珠就会弹到珠孔中，使得最内层套管无法再上升，至此最内层
套管上升完全，也不会出现在上升后脱落的情况。然后，齿轮再与次外层套管的齿条啮合，
如上所述带动次外层套管再上升，如此下去，直至所需的长度。当步进电机向相反方向转动
时，则实现的是齿轮6啮合的齿条7向下运动，伸缩杆缩回，缩回时，齿轮率先啮合与最外层
套管相邻的次外层套管上的齿条，齿轮旋转时碰触到最外层套管上端的弹珠9时则齿轮的
齿压缩弹珠9，使其缩回，次外层套管则下落；齿轮继续啮合次外层套管上的齿条下落时，当
碰触到次外层套管上端的弹珠时，次外层套管上端的弹珠也缩回，致使次次外层的套管也
下落，如此下去直至伸缩杆完全缩回。
而根据步进电机的步进数，就可计算伸缩杆的伸出长度，总长度应该是：最外一节
套管的长度+其余各层套管伸出的总长度。伸缩杆内部的控制电路3控制步进电机的正、反
转以及速度。
电路中包含有MCU处理器31、Wifi/蓝牙32、存储器33、滑动变阻器34、压力传感器
35等器件，如图8所示。在最外面套管上安有三个按键，如图1所示，定义为：上升按键36、下
降按键37和数据传送按键38，上升按键、下降按键和数据传送按键下面分别对应连接一个
压力传感器35，各压力传感器又分别对应连接一个滑动变阻器34，组成电路。最外面套管上
还安有显示屏39与控制电路连接，还可设置USB接口40。Wifi用于与外界设备进行无线通
信，或者还可设置蓝牙。
MCU处理器31与步进电机连接，控制步进电机的转向和频率，通过按动某一个按
键，接通相应的电路，来控制电机的转向；通过控制按动力度来改变滑动变阻器滑动的快
慢，控制电机的频率；同时还可通过按动某一按键的时间长短来控制是开关机，还是读取数
据，MCU处理器中预先存储有时间阈值。比如当按动上升按键36时，对应的压力传感器接触
滑动变阻器使该路电路接通，MCU处理器31根据感应信号判别出伸缩杆有上升需求，MCU处
理器发送正脉冲给步进电机，控制步进电机按上升方向旋转，实现伸缩杆上升；改变按压力
度，阻值改变的快，电机的步进速度发生变化，伸缩杆上升速度加快或放慢。当按压下降按
键37时，对应的压力传感器接触对应的滑动变阻器使该路电路接通，MCU处理器31根据感应
信号判别出伸缩杆有下降需求，MCU处理器发送负脉冲给步进电机，控制步进电机按下降方
向旋转，实现伸缩杆缩回；改变按压力度，阻值改变的快，电机的步进速度发生变化，伸缩杆
下降速度加快或放慢。当长按数据传送按键38时(超过时间阈值时)，接通电路或断电；当短
按数据传送按键38时(未超过时间阈值时)，MCU处理器视为取数，并将数据显示在显示屏39
上。
MCU处理器根据步进电机的顺时针转数和逆时针转数，当伸缩杆到达目标位置后，
根据MCU处理器记录的步进次数，可以计算出伸缩杆总位移量。设伸缩杆累计总重量约为
700g，齿轮锯齿的长度约为4.0cm，采用磁极对数为4的电机，通过式P＝T·n·η/9549计算
可得到电机的额定(输出)至少功率为0.034KW，即130W步进电机可以满足工作要求，P是电
机的额定(输出)功率，单位是千瓦(KW)；T是扭矩，单位是牛顿·米(N·m)；n是额定转速，单
位是转每分(r/min)，额定转数一般2p的电机为3000r/min，4p的电机为1500r/min，6p的电
机为1000r/min；η是电机效率，一般取0.8。
因此，通过控制和测量步进电机的步进，完全可以折算出伸缩杆的升降高度，而步
进电机与齿轮相连，所以伸缩杆的升降速度又与齿轮和电机的参数有关。影响伸缩杆上升
(下降)速度有两点：第一点是齿轮的齿距大小，在实现可以带动套管上升(下降)的情况下，
齿距越小，上升(下降)速度越慢；齿距越大，上升(下降)速度越快；第二点是电机的动力大
小，可以通过滑动变阻器电阻大小实现动力的控制，轻按上升按键(下升按键)，电阻变化
慢，伸缩杆1上升(下降)慢些，重按按键，电阻变化快，伸缩杆上升(下降)快一些。
利用上述原理，本发明在使用时，就可按照如下步骤操作：
第一步，长按数据传送按键，开机。
第二步，按动上升按键和下降按键，将伸缩杆调至合适长度。
第三步，短按一下数据传送按键，进行取数，将测量结果传送到显示屏上，测量数
据还可存储。
第三步，取数完毕，长按数据传送按键关闭电源。
进一步讲，该仪器还可安装摄像头11，如图1所示，通过摄像头11获取图像。摄像头
设在伸缩杆最内层套管的顶部，镜头朝向测量目标方向较佳，且最好是镜头与升降杆垂直。
摄像头11与控制电路3相连，开机后，通过显示屏可以实时查看摄像头拍摄的图像，并且可
以看到MCU计算出来的高度。
因此，本发明不仅便携，同时兼具测量、显示以及自动存储功能，针对目前伸缩杆
不能测量，自动化程度低等问题，开发精准计测功能的便携、易用、高效、精准式伸缩杆，是
微型化、智能化的完美集成。