CN103485764B - 一种钻孔测斜仪的校准装置和校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角度的校准仪器，属于检测领域。一种钻孔测斜仪的校准装置，其特征在于包括：角度编码器，作为主校准装置，及固定安装待测钻孔测斜仪的样品夹具；所述角度编码器卧式设置，与样品夹具之间通过承载转轴座连接，所述承载转轴座包括两侧各一个轴承，一侧的第一轴承连接角度编码器，另一侧的第二轴承连接样品夹具，且使角度编码器与样品夹具同转轴同角度转动；转角驱动机构，用于驱动角度编码器转动。本发明采用抱合式的同步主轴联接大大提高了同轴精度，使装置稳定性可靠性得到了加强，使从转角驱动机构传动到承载转轴座后的输出角位移基本没有量值损失，校准灵敏度得到了很大提高，而且还降低了装置的配置成本，大大提高了性价比。

Description

一种钻孔测斜仪的校准装置和校准方法

技术领域

本发明涉及钻孔测斜仪，尤其涉及一种钻孔测斜仪的校准装置和校准方法。

背景技术

我国对钻孔测斜仪研究起步于80年代初，由南京水利科学院研制成功电阻应变片式钻孔测斜仪样机开始，逐步发展到1986年航天部33所与北京水科院联合研制成功伺服加速度计式钻孔测斜仪,允许误差达到±150"；随后，航天部702所开发研究成功高精度钻孔测斜仪，最大允许示值误差达到±30"，90年代国内已经具备生产多种类型（原理）的土工测试的倾斜仪。2008年中国地质科学院研制了智能存储式磁敏钻孔测斜仪。在这几十年的发展期间，钻孔测斜仪的倾角示值分辨率和稳定性都得到了提高，但溯源标准器和溯源方法（检定规程或校准规范）的研究却严重滞后。

钻孔测斜仪是一种基于水准器原理的计量仪器，内置加速度传感器经过两次对时间的积分，精确测得角度变化量，用于测量一圆柱孔对于水平面的倾斜角及倾角变化中的圆柱孔间的夹角。示值为输出模拟量电信号，经过转换后才能对应角度变化值。

如附图1所示，钻孔测斜仪是一种基于加速度传感器的倾斜角度测量仪，其原理是将加速度传感器安装于长管状套筒内，其敏感轴与传感器轴呈垂直关系，敏感轴与水平面的夹角θ为倾斜角，从平面几何关系上可以知道，加速度传感器铅垂重力方向与探头轴线方向的夹角相等。由此，加速度计敏感轴与水平面夹角的微量变化可以直接反映深埋于地下的套筒轴线与铅垂重力方向的夹角微量变化。

目前，我院对送检的钻孔测斜仪已经开展检测工作，目前的状况与上海建筑科学研究院所采用的方法是一致的，为达到校准最高精度等级的受检仪器，采用的都是“宽座角度块加合像水平仪”组合法。由于受宽座角度块数量限制，即：仅仅对量程范围－30°～＋30°中的五个校准点进行示值误差测量：0°、5°、10°，而无法对量程范围－30°～＋30°中的任意位置点进行校准，而且最大允许误差和灵敏度水平不高，无法真正满足校准仪器精度的领先要求。

美国材料与试验协会发布的ASTM D7299-2006：Standard Practice forVerifying Performance of a Vertical Inclinometer Probe（验证垂直测斜仪探头性能的标准实施规程），文中提及倾角溯源标准器是高精度分度盘，以及可调角度的支架系统。比较国内外钻孔测斜仪器的测量技术指标，最大允许误差和灵敏度水平基本相同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钻孔测斜仪的校准装置和校准方法，解决现在的校准仪器和校准方法只能达到选定的校准点进行校准，而不能做到任意点校准的问题，而且校准灵敏度不高的缺陷。

技术方案

一种钻孔测斜仪的校准装置，其特征在于包括：

角度编码器，作为主校准装置，及固定安装待测钻孔测斜仪的样品夹具；

所述角度编码器卧式设置，与样品夹具之间通过承载转轴座连接，所述承载转轴座包括两侧各一个轴承，一侧的第一轴承连接角度编码器，另一侧的第二轴承连接样品夹具，且使角度编码器与样品夹具同转轴同角度转动；

转角驱动机构，用于驱动角度编码器转动。

进一步，所述承载转轴座包括一个中心主轴，为穿过第一轴承的中心和第二轴承的中心，所述中心主轴连接样品夹具的一侧的轴孔为喇叭口向外的锥孔。

所述第一轴承和第二轴承采用深沟球轴承，通过调整端盖厚度消除轴承与中心主轴配合之间的轴向间隙。

所述样品夹具采用一组可以开合的V型座和V型盖板，所述V型座固定联接锥棒，所述联接锥棒连接所述中心主轴的锥孔，联接锥棒与锥孔的锥度相匹配。

进一步，还包括同轴拨盘，设置在转角驱动机构和角度编码器之间，用于在转角驱动机构的主动的转轴和角度编码器的从动的转轴之间仅传递转动扭矩，而将两转轴由于不同轴引起的径向载荷或作用在转轴上的弯矩隔离。

所述同轴拨盘包括分别与转角驱动机构连接的主动拨盘和与角度编码器连接的从动拨盘，在主动拨盘上安装有主动拨块，从动拨盘上安装有对应的从动拨块，所述主动拨块与从动拨块连接在一起，主动拨块在转动方向带动从动拨块，从动拨块带动从动拨盘转动，所述主动拨块与从动拨块为一组拨块，以轴心对应的两组拨块形成一对力偶，所述同轴拨盘上设置有至少两对力偶，其中一组拨块的主动拨块与从动拨块固定连接在一起，其它组拨块的主动拨块与从动拨块为弹性连接。

所述主动拨盘和从动拨盘平行设置，之间间隔略大于或等于一个主动拨块或一个从动拨块的距离，所述主动拨块与对应的从动拨块采用同一水平线或同一竖直线上设置。

进一步，所述转角驱动机构采用机械分度头。

进一步，所述角度编码器采用绝对式编码器，在所述样品夹具旁边设置有扩展平台，能设置溯源装置。

一种应用上述的钻孔测斜仪的校准装置对钻孔测斜仪进行校准的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）取下样品夹具，安装上多面棱体，所述多面棱体的中心轴安装在所述第二轴承中心，使多面棱体与角度编码器输出轴垂直，采用多面棱体与准直仪配合进行重复性实验，针对编码器示值进行对应的精确数据校准，完成对角度编码器的标定；

2）取下多面棱体，安装上样品夹具，将待测钻孔测斜仪竖直穿过样品夹具固定，转角驱动机构驱动角度编码器转动，从而带动样品夹具和固定在样品夹具内的待测钻孔测斜仪同轴同角度转动，所述待测钻孔测斜仪根据转动的角度会有测得转动的角度数据，同时，角度编码器也会有转动的角度数据，将两者进行比较，就能对所述待测钻孔测斜仪进行校准。

有益效果

本发明的校准装置采用角度编码器作为主校准装置，针对角度编码器的主轴不能承载大径向力和大弯矩载荷，设计了双侧各一个轴承的承载转轴座，采用抱合式的同步主轴联接大大提高了同轴精度，使装置稳定性可靠性得到了加强，减小了轴承装配的径向跳动，使从转角驱动机构传动到承载转轴座后的输出角位移基本没有量值损失；加上同轴拨盘的配合，采用冗余自由度的机械结构，解决了目前预置角度都是经验丰富的技术人员通过控制手指轻敲的方向和力度进行人工定位的问题，使微调拨盘达到秒级定位功能。

附图说明

图1为钻孔测斜仪的原理示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的同轴拨盘示意图。

图4为本发明的承载转轴座剖视示意图。

其中：1-转角驱动机构，2-同轴拨盘，3-角度编码器，4-承载转轴座，5-钻孔测斜仪，6-扩展平台，7-样品夹具，8-花岗岩平台，9-主动拨盘，10-主动拨块，11-固定连接的从动拨块，12-弹性连接的从动拨块，13-第一轴承，14-第二轴承，15-中心主轴，16-轴承端盖，17-法兰轴套，18-法兰轴套锁紧螺母，19-轴承支架，20-等高块。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

针对现在溯源中的灵敏度不高，而钻孔测斜仪的精度提升的问题，希望能将溯源装置提升到：1）校准钻孔测斜仪（最高精度等级样品）示值误差的测量扩展不确定度为：U=10″，k=2；2）转台角度可调范围：±30°。

因此设计了新的溯源装置，结构参考附图2所示的实施例，转角驱动机构1为一套既能够提供准确微动角度定位的机械装置，驱动机构输出可驱动转轴角的微量角度变化（正向和反向），利用同轴拨盘2的自由度冗余原理，可以有效地卸载由于不同轴装配而引起的驱动轴径向应力，角度编码器3固定联接在承载轴承座4上，角度编码器3作为主标准器，其特点是经济实用、性价比高，主轴角位移测量最大允许误差达到2.5″，从满足分度技术指标上分析，其设计原理完全可满足校准允许误差为±10″的高精度等级钻孔测斜仪。

角度编码器的不足之处是：主轴不能承载大径向力和大弯矩载荷，而用于校准的钻孔测斜仪重量达到10kg，故角度编码器主轴不能直接承受悬臂联接样品引起的大弯矩载荷。由此，设计了一组由承载转轴座4及样品夹具7所组成的编码器卸载机构，使角度编码器主轴在不受大径向力弯矩干扰的情况下，输出仅由主轴扭矩引起的角位移测量值。被校样品——钻孔测斜仪5定位安装在样品夹具7上；扩展平台6的作用为放置准直仪，用于周期检定/校准卧式状态的角度编码器，以确保准确的角度量值溯源。整个装置的组装基准面建立在花岗岩平台8的上工作面上，花岗岩平台本身的大重量为整套装置提供了稳定的基座。

本装置具体包括：

1）转角驱动机构

采用实验室现有的机械分度头，该机构能够灵敏准确地输出微小的角位移，灵敏度达到1″。

机械减速分度机构的中心孔为内锥孔结构，经测量锥度为3°，需要设计一个与之相配合的外锥轴，配磨工艺及表面热处理后表面硬度达到HRC75。

2）同轴拨盘

同轴拨盘的作用是将主动轴和从动轴之间仅传递转动扭矩，而将两轴由于不同轴引起的径向载荷或作用在轴上的弯矩隔离。如附图3参考示意，四组主动拨块10分别固定联接在主动拨盘9上，主动拨盘9输出的扭矩通过力臂点传递到从动拨盘上，与主动拨块10接触的从动拨块分为两种，一为固定连接的从动拨块11，另一为弹性连接的从动拨块12，固定连接的从动拨块11起到主动拨盘9直接驱动从动拨盘的作用，从动拨盘上的弹性连接的从动拨块12则是起到正向、逆向跟动时消除间隙的作用。当主动、从动拨盘存在同轴度偏差时，由于主动拨盘9上主动拨块与从动拨块之间没有约束径向滑移自由度，所以在传递转动力矩过程中允许微量径向侧滑。这种结构克服了驱动输出因安装过程存在微量同轴度偏差（主动拨盘和从动拨盘）而产生的主动、从动两轴的径向力，避免驱动机构机械联接卡滞，甚至导致编码器光栅码盘的损坏（编码器轴为从动轴）。

3）角度编码器

角度编码器可分为绝对式编码器和增量式编码器，本发明采用的为绝对式编码器，测量范围是0°-360°。当绝对式编码器轴旋转时，位置代码（二进制码或BCD码）就能一一对应输出，从代码大小的变更便可以判断正反方向和所处的位置，绝对式编码器有一个绝对零位代码，当断电重新开机后，仍能准确读出关机位置的代码，并准确地找到零位代码。

4）承载转轴座机构组

如附图2参考，承载转轴座的作用是独立承担被校对象钻孔测斜仪加载后产生对主轴的弯矩，避免加载到编码器主轴上造成编码器的损坏。

本发明设计安装有两个轴承，能同时承受弯矩和扭矩。机械结构参考承载转轴座剖面示意图即附图4，设计承载转轴座的中心主轴15一端为圆柱轴孔，装配固定后不再随意插拔，因此能保证装配时的同轴精度，另一端与样品夹具7连接的轴孔为1:8锥孔，因为对待测钻孔倾斜仪进行校准，经常需要进行更换，在更换过程中，极易因为径向受力影响同轴度，设计为锥孔，不仅方便装配，而且不会影响同轴精度；两端的轴承分别配置深沟球轴承GB/T27660000型，轴承外圈由法兰轴套和螺母组成的内孔机构定位，调整两端的轴承端盖16厚度消除轴承与中心主轴15配合之间的轴向间隙。轴承支架19采用球墨铸铁材料翻砂浇注加工，整体支架底部设计等高块20，在装配联接调整阶段，需再次磨削调整等高块20的厚度，通过设计工艺的先后程序，才能控制内锥孔主轴和编码器主轴的绝对等高。

5）钻孔测斜仪及其夹具组

样品夹具7为一组可以开合的V型座和V型盖板，V型座固定连接样品夹具7和承载转轴座4联接锥棒（锥度与中心主轴的锥孔1:8对应），通过加工机床的定位工艺，保证锥棒轴线与被校钻孔测斜仪轴线的垂直度满足设计要求。

6）转台装置的溯源

角度编码器一般在不受大弯矩、大轴向力的情况下，安装工位可以是竖轴（主轴在铅垂方向上），也可以是卧轴（主轴在水平面上）。

标定角度编码器采用23面棱体和准直仪组合测量方法，准直仪安装在扩展平台6上，本发明的钻孔测斜仪校准位置处于卧轴旋转状态，因此：将多面棱体固定联接工作台面（即样品夹具旋转面）上，运动呈竖直平面旋转方式（即：俯仰旋转），利用准直仪和多面棱体组合，针对分度台的格值进行对应的精确数据标定。考虑到装夹钻孔测斜仪工位与承载位置的一致性，在标定仪器过程中，将23面棱体设计安装在承载位置上是最为直接合理的方案。校准结果不确定度分析利用A类不确定度统计方法，由于其中已经包括了多项由于机械装配误差或承载弯矩引起的不确定度分量，可以更准确直接地反映校准装置的计量性能。

钻孔测斜仪校准装置进行校准的重复性实验：

选用绝对式编码器，所以任何旋转角度位置都可以置零，故稳定性实验是在一次装夹多面棱体条件下进行的。

实验步骤如下：采用“23面棱体+准直仪”方案对编码器进行重复性实验，将23面棱体安装在钻孔测斜仪装夹同侧位置，真实模拟钻孔测斜仪校准实验的实际工位。

以下为实验数据：选择23面棱体中的1-3和1-10两个位置面分别作为实验对象，其理论值分别为31°18′16″和140°52′10″（环境温度：20.1℃，环境湿度：55%）

装置重复性实验记录表

实验表明，钻孔校准装置中编码器分度台示值重复性为1″，小于装置设计预估的测量不确定度U=3″，k=2。

进而对本发明的校准装置进行准确度验证，实验如下：

钻孔测斜仪校准装置编码器分度台采用两组不同的23面棱体（经检定三等合格的棱体标准器）进行编码器示值实验比对。

对比表如下：

校准结果对比表

根据En比对实验公式：

$\mathrm{En}=\frac{|a_1-a_2|}{\sqrt{U_1^2+U_2^2}}$

比对后发现，数据最大误差绝对值|a₁-a₂|=2″，即

最大值： $\mathrm{En}=\frac{|a_1-a_2|}{\sqrt{U_1^2+U_2^2}}=0.47$

经过实验数据比对结果表明，本发明的装置达到并超越了希望达成的准确度目标。装置在经过标定后，就可以使用本装置进行钻孔测斜仪的日常校准工作了。

本发明的装置采用了以下几点：1）采用了高精度卧轴精密分度装置及水平测量系统作为本装置标准器核心部件；

2）设计了转台基座稳定、结构刚性可靠、灵敏度符合要求的卧轴旋转工作台以及样品定位、装夹系统；

3）设计预留了卧轴精密分度装置周期检定时的多面棱体、准直仪安装工位，便于卧轴承载分度台的标准角值校准；

4）多面棱体固定联接工作台面上，工作台运动呈卧轴旋转状态，利用准直仪和多面棱体组合，对分度台的格值进行精确数据标定。

主要解决了以下两点重点困难：1）24位编码器作为高精度等级角度主标准器的不足之处是不抗震不能承受大载荷，必须进行承载轴承组合结构设计加工。如何实现编码器和承载轴承之间的两轴精密配合且可靠地同轴联接问题。

2）现在在精密角度测量中，由于编码器不具备自行定位并锁定功能，一直采用的是依靠人工手动旋转拨盘，即使经验丰富的技术人员也需要经过正反多次才能定位。如何实现任意角度稳定定位的问题。

在本发明中，采用了两端轴承抱合中心主轴的同步主轴联接设计取代单一的长距离的串联结构，使两者的联接同轴度达到0.005mm，将轴承装配的径向跳动控制在μ级水平，使得装置的稳定性可靠性得到了加强，传动角位移基本没有量值损失（实验表明编码器出厂指标中的示值允许误差为±2.0″，装配到承载转轴座后的输出角位移量值允许误差为±2.5″）。

对第2个难点，设计了同轴拨盘结构，采用冗余自由度的机械结构，解决了预置角度准确操作的问题，实验结果定位灵敏度达到1″。原因在主动轴和从动轴之间，从动拨盘跟随主动拨盘转动，仅传递转动扭矩，而其他自由度不加任何限制，能够同步精确输出角位移量，使微调拨盘达到秒级定位功能。安装过程中，可以允许主动、从动拨盘存在0.02mm的同轴度偏差，即允许传递转动机构存在微量径向侧滑，从而避免了苛刻的安装工艺要求。（当同轴度调整要求小于0.01mm量级时，制造成本和安装难度将成倍增加）

本发明采用“编码器+承载轴承组合”的方案，可以替代价格昂贵的光栅分度头方案，利用低成本、高精度等级的24位秒级光栅角度编码器作为主标准器，虽编码器本身不能承载大负荷弯矩，但通过同步主轴和承载轴承机构的设计加工，就可装配成为卧轴可承载精密分度台，从而替代高成本的秒级光栅分度头，编码器解决方案成本约为分度头方案的1/4，而准确度还相对高，使这一原理的校准装置的配置性价比得到了很大提高。

本发明解决了现在的校准仪器和校准方法不能做到任意点校准的问题，而且校准灵敏度得到了很大提高，而且还降低了装置的配置成本，大大提高了性价比。

Claims (7)

1.一种钻孔测斜仪的校准装置，其特征在于包括：

角度编码器，作为主校准装置，及固定安装待测钻孔测斜仪的样品夹具；

所述角度编码器卧式设置，与样品夹具之间通过承载转轴座连接，所述承载转轴座包括两侧各一个轴承，一侧的第一轴承连接角度编码器，另一侧的第二轴承连接样品夹具，且使角度编码器与样品夹具同转轴同角度转动；

转角驱动机构，用于驱动角度编码器转动；

所述承载转轴座包括一个中心主轴，为穿过第一轴承的中心和第二轴承的中心，所述中心主轴连接样品夹具的一侧的轴孔为喇叭口向外的锥孔；所述样品夹具采用一组可以开合的V型座和V型盖板，所述V型座固定联接锥棒，所述联接锥棒连接所述中心主轴的锥孔，联接锥棒与锥孔的锥度相匹配；

还包括同轴拨盘，设置在转角驱动机构和角度编码器之间，用于在转角驱动机构的主动的转轴和角度编码器的从动的转轴之间仅传递转动扭矩，而将两转轴由于不同轴引起的径向载荷或作用在转轴上的弯矩隔离。

2.如权利要求1所述的钻孔测斜仪的校准装置，其特征在于：所述第一轴承和第二轴承采用深沟球轴承，通过调整端盖厚度消除轴承与中心主轴配合之间的轴向间隙。

3.如权利要求1所述的钻孔测斜仪的校准装置，其特征在于：所述同轴拨盘包括分别与转角驱动机构的输出轴连接的主动拨盘和与角度编码器的输入轴连接的从动拨盘，在主动拨盘上安装有主动拨块，从动拨盘上安装有对应的从动拨块，所述主动拨块与从动拨块连接在一起，主动拨块在转动方向带动从动拨块，从动拨块带动从动拨盘转动，所述主动拨块与从动拨块为一组拨块，以轴心对应的两组拨块形成一对力偶，所述同轴拨盘上设置有至少两对力偶，其中一组拨块的主动拨块与从动拨块固定连接在一起，其它组拨块的主动拨块与从动拨块为弹性连接。

4.如权利要求3所述的钻孔测斜仪的校准装置，其特征在于：所述主动拨盘和从动拨盘平行设置，之间间隔略大于或等于一个主动拨块或一个从动拨块的距离，所述主动拨块与对应的从动拨块采用同一水平线或同一竖直线上设置。

5.如权利要求1所述的钻孔测斜仪的校准装置，其特征在于：所述转角驱动机构采用机械分度头。

6.如权利要求1所述的钻孔测斜仪的校准装置，其特征在于：所述角度编码器采用绝对式编码器，在所述样品夹具旁边设置有扩展平台，能设置溯源装置。

7.一种应用如权利要求1所述的钻孔测斜仪的校准装置对钻孔测斜仪进行校准的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)取下样品夹具，安装上多面棱体，所述多面棱体的中心轴安装在所述第二轴承中心，使多面棱体与角度编码器输出轴垂直，采用多面棱体与准直仪配合进行重复性实验，针对编码器示值进行对应的精确数据校准，完成对角度编码器的标定；

2)取下多面棱体，安装上样品夹具，将待测钻孔测斜仪竖直穿过样品夹具固定，转角驱动机构驱动角度编码器转动，从而带动样品夹具和固定在样品夹具内的待测钻孔测斜仪同轴同角度转动，所述待测钻孔测斜仪根据转动的角度会有测得转动的角度数据，同时，角度编码器也会有转动的角度数据，将两者进行比较，就能对所述待测钻孔测斜仪进行校准。