CN102607600A - 滑动式测斜仪简易标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了滑动式测斜仪简易标校方法，通过制作滑动式测斜仪简易标校装置、标定滑动式测斜仪简易标校装置夹角、调平滑动式测斜仪简易标校装置和标校等步骤实现测斜仪的标校。本发明标校过程简单，操作性强，数据处理方法更科学合理，用户可以现场对仪器进行校核或标定；本发明能满足工程测量精度，具有较高的实用性；本发明标校装置采用将两块侧板和下板焊接成一整体的三脚支架结构，同时选用8#槽钢为侧板的材料，使在正常使用情况下侧板的形变几乎为零，同时保证了两块侧板之间的夹角始终保持不变，从根本上消除了两块侧板之间的夹角的变化对测量结果的影响。

Description

滑动式测斜仪简易标校方法

技术领域

本发明涉及滑动式测斜仪简易标校方法，属于工程测量仪器标校技术领域。

背景技术

近年来，随着国内防灾减灾、基础建设工程项目的大量增加，滑动式测斜仪(以下称测斜仪)作为一种高精度的工程测量仪器得到广泛使用。与此同时对测斜仪的性能和使用方法也提出了更高的要求，主要表现在：1)对仪器工程测量的精度(准确度)要求越来越高；2)仪器的工程测量效率成为左右用户购买的指标之一。由于测斜仪参数具有随时间的蠕变性，部分参数可能会偏离初始值，从而影响产品测量数据的精度。为了保证仪器的精度，每年至少要标校一次。现阶段测斜仪标校的方法就是将仪器送回生产厂家进行标校，用户尚无简便可靠的方法进行现场标校，其中有如下问题：对测斜仪的标校不仅需要花费大量的时间，而且价格昂贵，长距离的运输情况下还会增加精密仪器损坏的风险。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种操作简便快捷、成本低、使用方便、能满足工程测量精度、适用于用户现场标校的滑动式测斜仪简易标校方法。

本发明的技术解决方案是：滑动式测斜仪简易标校方法，通过以下步骤实现：

第一步，制作滑动式测斜仪简易标校装置，

滑动式测斜仪简易标校装置包括上定位件、下定位件、侧板、限板、底板、下板、水平仪、旋转手柄和锁紧手柄，两块侧板与下板通过焊接形成三角支架结构，上定位件和下定位件分别固定安装在侧板上部和下部，下定位件的下部固定安装限板，水平仪安装在下板的中心位置，水平仪的安装面和两块侧板与下板的焊接面平行，下板的三个角上各安装一个旋转手柄，用于调节水平仪，下板通过锁紧手柄与底板连接，其中所述的上定位件和下定位件结构一致，为一侧有凸台的类长方体结构，类长方体结构上加工一个上下贯通的圆通孔，在圆通孔的十字形交叉的位置上对称加工长方形导槽；

第二步，标定滑动式测斜仪简易标校装置夹角2θ即两侧板之间夹角；

第三步，调平滑动式测斜仪简易标校装置；

第四步，标校，

A4.1、将待标校测斜仪测头的安装在滑动式测斜仪简易标校装置一侧的上下定位件内，测头导轮组卡在上下定位件的长方形导槽内，待标校测斜仪测头通电进行测量得到测量数据U_a1+；

A4.2、将测头取下后再次安装在滑动式测斜仪简易标校装置的同一位置上测量，重复若干次得到第一组测量数据U_ai+；

A4.3、将测头取下后，旋转180°后安装在滑动式测斜仪简易标校装置同一侧，测量得到测量数据U_a1-；

A4.4、同步骤A4.2得到第二组测量数据U_ai-；

A4.5、同理将测头安装在滑动式测斜仪简易标校装置另一侧，得到第三、第四组测量数据U_bi+和U_bi-；

A4.6、对每一组测量数据进行处理，去除每组中的最大和最小值后，求取每组剩余数据的平均值，得到

和

并求取每组剩余数据的标准差，若标准差大于标准差阈值ε，则返回相应步骤重新测量得到该组数据，若标准差小于等于标准差阈值ε，则转入步骤A4.7；

A4.7、利用公式组(1)和平均值

和

得到待标校测斜仪测头的标度因数K和零偏值A₀，

$K=\frac{({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}+}-{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}-})+({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}+}-{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}-})}{4\sin \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

$A_0=({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}+}+{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}-}+{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}+}+{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}-})/4$

其中θ为滑动式测斜仪简易标校装置夹角的一半。

所述第二步中滑动式测斜仪简易标校装置的夹角2θ取值范围为30±5°。

所述下定位件比上定位件长45～55mm。

所述侧板为薄板结构，采用8#槽钢制成，在上部和下部各加工两个凹槽用于定位安装上定位件和下定位件。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明标校装置采用将两块侧板和下板焊接成一整体的三脚支架结构，同时选用8#槽钢为侧板的材料，使在正常使用情况下侧板的形变几乎为零，同时保证了两块侧板之间的夹角始终保持不变，从根本上消除了两块侧板之间的夹角的变化对测量结果的影响；

(2)本发明标校过程简单，操作性强，数据处理方法更科学合理，用户可以现场对仪器进行校核或标定；

(3)本发明能满足工程测量精度，具有较高的实用性，与回厂标校相比，本发明简易标校方法相对于分度头率定技术的精度不高于0.01％，简易标校后仪器的测量精度不大于0.1％F·S；

(4)本发明标校装置采用在下板上安装水平仪，水平仪的安装面和两块侧板与下板的焊接面平行，在使用旋转手柄调平水平仪后，即可进行标校，采用本发明校准测斜仪测头时，保证了测头的导轮平面处于垂直位置，减小导轮平面不垂直对于测量引起的误差；

(5)本发明标校装置采用锁紧手柄把焊接后的三角支架结构固定在底板上，进一步提高了滑动式测斜仪简易标校装置的稳定性；

(6)本发明标校装置下定位件长度比上定位件的长度长，保证测头的扭转弹簧依次固定在定位件上，减小多个弹簧同时作用时对装置稳定性的影响；

(7)本发明标校装置结构简单合理，加工容易，安装便捷，成本较现有原厂校准设备大大降低，且方便用户对仪器进行简易现场标校，经标校后仪器测量精度达到使用要求，仪器无需返厂标校，可提高工程测量数据的精度；

(8)使用本发明不仅节省大量的人力，经费以及时间，还减少了长距离的运输情况下精密仪器损坏的风险。

附图说明

图1为本发明滑动式测斜仪简易标校装置结构示意图；

图2为本发明滑动式测斜仪简易标校装置结构示意图(去除底板和锁紧手柄的立体图)；

图3为本发明滑动式测斜仪简易标校装置上定位件主视图；

图4为本发明滑动式测斜仪简易标校装置上定位件侧视图；

图5为本发明滑动式测斜仪简易标校装置上定位件俯视图；

图6为本发明滑动式测斜仪简易标校装置侧板主视图；

图7为本发明滑动式测斜仪简易标校装置侧板侧视图；

图8为图7的C-C方向剖视图；

图9为本发明标校原理示意图；

图10为本发明标校简易图结构图；

图11为本发明流程图；

图12为本发明标校过程流程图。

具体实施方式

下面就结合具体实例和附图对本发明做进一步介绍。

本发明标校过程如图11所示，通过以下步骤实现测斜仪标校。

1、制作滑动式测斜仪简易标校装置

滑动式测斜仪简易标校装置如图1、2所示，包括上定位件1、下定位件2、侧板3、限板4、底板5、下板6、水平仪7、旋转手柄8和锁紧手柄9。两块侧板3和下板6焊接成一体，焊接后两块侧板的夹角2θ固定不可变化，焊接后形成稳固的三角支架形状；上定位件1和下定位件2通过沉头螺钉固定安装在侧板3上，装配完成后的两个定位件用来固定测斜仪测头的两组导轮，两个定位件和侧板通过限位尺寸和形位公差来保证测斜仪测量基准“两线一面”(即两侧导轮组的外公切线构成两线，导轮组构成的平面是测斜仪的测量平面)；限板4与下定位件2通过沉头螺钉连接固定起到对测斜仪的导轮的限位作用；水平仪7与下板6通过端面定位并用螺钉连接固定，水平仪7的安装面和两块侧板3与下板6的焊接面平行，起到传递基准的作用；下板6的三个角上各安装一个旋转手柄8，调节旋转手柄8，可使水平仪7的气泡处于观测窗口的正中心，使装置实现水平，(调节旋转手柄时，整个三角支架结构放置在底板5上，调节水平时，已考虑了底板和下板的不水平，调节完成后，只需拧紧锁紧手柄固定装置和底板，三个锁紧手柄的位置呈中心对称的结构，其拧紧的力对水平仪的影响很小，可忽略不计。)此项操作的作用保证安装测头后的导轮平面处于垂直位置，消除导轮平面不垂直对于测量引起的误差；旋转手柄8调节完成后，用锁紧手柄9把三角支架结构固定在底板5上，提高整个滑动式测斜仪简易标校装置的稳定性。

上定位件1如图3、4、5所示，为一侧有凸台的类长方体结构，类长方体结构上加工一个上下贯通的圆通孔，在圆通孔的十字形交叉的位置上对称加工长方形导槽11，上定位件1通过凸台上加工的安装定位孔12安装在侧板3上。下定位件2的结构与上定位件1结构一致，在长度上有区别，下定位件2的长度比上定位件长45～55mm，保证测头的扭转弹簧依次固定在定位件上，减小多个弹簧同时作用时对装置稳定性的影响；同时在下定位件2的下表面加工用于安装限板4的螺纹连接孔。上、下定位件的长方形导槽用来定位安装测斜仪测头的导轮。

侧板3如图6、7、8所示，为薄板结构(一般不厚于5mm)，在上部和下部各加工两个凹槽31用于定位安装上定位件1和下定位件2。两块侧板3与下板6焊接后形成的夹角2θ范围为30±5°，此值在加工装配完成后就固定不变了，出厂时需要精确测量该值。

2、标定滑动式测斜仪简易标校装置夹角2θ即两侧板之间夹角

本发明利用石英挠性加速度计输出公式U＝Ksinθ+A₀为依据来进行标校，如图9所示，根据对称两个位置A、B(对应于滑动式测斜仪简易标校装置两块侧板的位置)的测试结果只是角度由正变为负的关系，已知对称位置之间的夹角2θ，和对称两个位置的输出U，便可求出需校准的参数：零偏A₀和标度因数K。

根据公式U＝Ksin(θ+β)+A可知，标度因数K的准确性与固定夹角θ、中心线与重力线的偏差角β有关。固定夹角θ的变化对测量结果的影响较大，本发明采取了一系列的措施降低θ对测量结果的影响，具体措施如下：

1)滑动式测斜仪简易标校装置选用8#槽钢为侧板的材料，下板选用厚度为10mm的碳素钢，底板选用厚度为20mm的碳素钢，在正常使用情况下侧板的形变几乎为零。同时为了保证滑动式测斜仪简易标校装置在使用中，A、B两个位置的夹角始终保持不变，将滑动式测斜仪简易标校装置设计为焊接式一体结构；

2)精确测量出滑动式测斜仪简易标校装置的固定夹角2θ(此项在滑动式测斜仪简易标校装置出厂前已测量完成，测量固定夹角的数值用于现场标校使用)。具体标定过程如下：

将标度因数和零偏已准确测量的标准测头放入滑动式测斜仪简易标校装置的左边导槽后，将测头通电并进行测量，得到U_a+，将测头取出并旋转180°放入滑动式测斜仪简易标校装置的同一边导槽后，读取测量数据记录为U_a-。由于标准测头标度因数K和零偏A₀已经准确的标定出，把U_a+和U_a-代入公式：U＝Ksinθ+A₀，有：

U_a+＝K sinθ₁+A₀

U_a-＝K sin(-θ₁)+A₀

可求出忽略β角影响的左侧导槽位置的θ₁值。

U_b+＝K sinθ₂+A₀

U_b-＝K sin(-θ₂)+A₀

同样的方法可以得出滑动式测斜仪简易标校装置的右边导槽的位置θ₂值。

由于滑动式测斜仪简易标校装置的夹角固定，其位置A和位置B之间的固定夹角2θ＝θ₁+θ₂。

3、调平滑动式测斜仪简易标校装置

为减小β对标校精度的影响，滑动式测斜仪简易标校装置通过水平仪进行水平找正。根据标度因数的计算公式可知，测头测量的A、B两个位置相对于重力垂线的对称性，即计算公式中的β，当cosβ越趋于1时，标度因数的计算值越接近于它的真实值，因此在现场标校测量时，应尽可能的保证A、B两个位置相对于重力垂线的对称性。

为保证A、B两个位置相对于重力垂线的对称性，将“三点水平调整法”应用于本发明上，也就是在下板的中心加工一基准面，该基准面与两侧板与下板的焊接面平行，在下板的中心基准面上安装精度为2的水平仪。在标校之前应先调整装置的水平，根据三点确定一个平面的原理，调整下板上的三个旋转手柄，使水平仪气泡处于观测窗口的正中心，使本发明的装置实现水平，使安装测头后的导轮平面处于垂直位置，减小导轮平面不垂直对于测量引起的误差，因此，滑动式测斜仪简易标校装置在校准测斜仪测头时可以忽略β角的影响。

具体调平过程如下：

1)调整下板6上的三个旋转手柄8，使水平仪7气泡处于观测窗口的正中心，使滑动式测斜仪简易标校装置实现水平；

2)将滑动式测斜仪简易标校装置三脚支架结构通过锁紧手柄9固定在底板5上。

4、标校

标校过程如图12所示，以下结合具体标校实例进行详细说明。

(1)如图10所示，将待标校测斜仪测头01的安装在滑动式测斜仪简易标校装置04左侧的上下定位件内，电缆组件02和电缆盘组件03为测斜仪的部件，测头导轮组卡在上下定位件的长方形导槽内，待标校测斜仪测头通电进行测量得到测量数据U_a1+(具体数据见表1，下同)；

(2)将测头取下后再次安装在滑动式测斜仪简易标校装置的左侧同一位置上测量，重复若干次得到第一组测量数据U_ai+(此例以10个测量数据为一组，测量数据越多，标校结果越精确，具体数据见表1，下同)；

(3)将测头取下后，旋转180°后安装在滑动式测斜仪简易标校装置左侧，测量得到测量数据U_a1-；

(4)将测头取下后，再次安装在滑动式测斜仪简易标校装置的左侧同一位置上测量，重复若干次得到第二组测量数据U_ai-；

(5)同上述(1)～(4)将测头安装在滑动式测斜仪简易标校装置右侧，得到第三、第四组测量数据U_bi+和U_bi-；

表1

(6)对每一组测量数据进行处理，去除每组中的最大和最小值后，求取剩余数据的标准差，若标准差大于标准差阈值ε，则重新测量一组数据，若标准差小于等于标准差阈值ε，则认为数据满足要求，求取每组剩余数据的平均值，得到

和

标准差阈值ε选择越小，标校结果越精确，本例中标准差阈值ε选为10^-3，具体结果如下：

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}+}=0.5076981$

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}-}=-0.48986$

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}+}=0.5060455$

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}-}=-0.488286.$

(7)利用公式和平均值和

得到测头的标度因数K和零偏值A₀。

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}+}=K\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β})+A_0;$

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}-}=-K\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β})+A_0;$

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}+}=K\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\β})+A_0;$

${\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}-}=-K\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\β})+A_0;$

$({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}+}-{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}-})+({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}+}-{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}-})=2K\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β})+2K\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\β})=4K\sin \mathrm{\θ\β}\cos$

$A_0=({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}+}+{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}+}+{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}-}+{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}-})/4$

其中θ为滑动式测斜仪简易标校装置夹角的一半，在步骤2中已标定，此例中为14.943495，β为滑动式测斜仪简易标校装置中心线与重力线的偏差角，根据步骤3此值可以忽略不计，具体结果如下：

K＝1.93112476，A₀＝0.0088994，

简易标校后测头的测量精度为0.00395≤0.1％F·S。

同一测斜仪测头回厂标校得到的标度因数K’＝1.93102、零偏值A0’＝0.0090723，回厂标校的测量精度为0.00600≤0.1％F·S，(k-k’)/k’＝0.005425％≤0.01％。(本发明简易标校相对于分度头率定技术的精度不高于0.01％。也就是(k-k’)/k’不高于0.01％，简易标校后仪器的测量精度：不大于0.1％F·S。)

标定测斜仪测头的过程可以通过软件实现，将标校算法集成在现场智能终端，数据输入现场智能终端后，即可得到测头相对应的标度因数和零偏值。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.滑动式测斜仪简易标校方法，其特征在于通过以下步骤实现：

第一步，制作滑动式测斜仪简易标校装置，

滑动式测斜仪简易标校装置包括上定位件(1)、下定位件(2)、侧板(3)、限板(4)、底板(5)、下板(6)、水平仪(7)、旋转手柄(8)和锁紧手柄(9)，两块侧板(3)与下板(6)通过焊接形成三角支架结构，上定位件(1)和下定位件(2)分别固定安装在侧板(3)上部和下部，下定位件(2)的下部固定安装限板(4)，水平仪(7)安装在下板(6)的中心位置，水平仪(7)的安装面和两块侧板(3)与下板(6)的焊接面平行，下板(6)的三个角上各安装一个旋转手柄(8)，用于调节水平仪(7)，下板(6)通过锁紧手柄(9)与底板(5)连接，其中所述的上定位件(1)和下定位件(2)结构一致，为一侧有凸台的类长方体结构，类长方体结构上加工一个上下贯通的圆通孔，在圆通孔的十字形交叉的位置上对称加工长方形导槽；

第二步，标定滑动式测斜仪简易标校装置夹角2θ即两侧板(3)之间夹角；

第三步，调平滑动式测斜仪简易标校装置；

第四步，标校，

A4.1、将待标校测斜仪测头的安装在滑动式测斜仪简易标校装置一侧的上下定位件内，测头导轮组卡在上下定位件的长方形导槽内，待标校测斜仪测头通电进行测量得到测量数据U_a1+；

A4.2、将测头取下后再次安装在滑动式测斜仪简易标校装置的同一位置上测量，重复若干次得到第一组测量数据U_ai+；

A4.3、将测头取下后，旋转180°后安装在滑动式测斜仪简易标校装置同一侧，测量得到测量数据U_a1-；

A4.4、同步骤A4.2得到第二组测量数据U_ai-；

A4.5、同理将测头安装在滑动式测斜仪简易标校装置另一侧，得到第三、第四组测量数据U_bi+和U_bi-；

A4.6、对每一组测量数据进行处理，去除每组中的最大和最小值后，求取每组剩余数据的平均值，得到

和

并求取每组剩余数据的标准差，若标准差大于标准差阈值ε，则返回相应步骤重新测量得到该组数据，若标准差小于等于标准差阈值ε，则转入步骤A4.7；

A4.7、利用公式组(1)和平均值

和

得到待标校测斜仪测头的标度因数K和零偏值A₀，

$K=\frac{({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}+}-{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}-})+({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}+}-{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}-})}{4\sin \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

$A_0=({\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}+}+{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{ai}-}+{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}+}+{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{bi}-})/4$

其中θ为滑动式测斜仪简易标校装置夹角的一半。

2.根据权利要求1所述的滑动式测斜仪简易标校方法，其特征在于：所述第二步中滑动式测斜仪简易标校装置的夹角2θ取值范围为30±5°。

3.根据权利要求1所述的滑动式测斜仪简易标校方法，其特征在于：所述的下定位件(2)比上定位件(1)长45～55mm。

4.根据权利要求1所述的滑动式测斜仪简易标校方法，其特征在于：所述的侧板(3)为薄板结构，采用8#槽钢制成，在上部和下部各加工两个凹槽(31)用于定位安装上定位件(1)和下定位件(2)。

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