CN104132645A - 一种建筑坡度检测器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种建筑坡度检测器，其包括：一外框、一垂直摆、一测力装置和一计算显示模块；所述外框包裹所述垂直摆、所述测力装置和所述计算显示模块；所述垂直摆一端固定在所述外框上，另一端可以来回摆动；所述测力装置测量所述垂直摆摆动到最高位置时的受力；所述计算显示模块镶嵌在所述外框上，一面露出所述外框，对接收到的所述压力信号进行计算，计算出所述垂直摆静止时对所述压力传感器的压力，并将计算结果转换为坡度显示出来。这样，提供了一种建筑坡度检测器，通过计算摩擦力造成的阻力比，排除了摩擦力对计算结果的影响，提高了测量精度，减小了系统误差；可以在摆杆还在摆动时确定坡度检测器的倾斜角度，提高了测量速度。

Description

一种建筑坡度检测器

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种建筑坡度检测器。

背景技术

正当前工农业基建工作中对坡度测量仪器的需求很迫切。通常的坡度测量仪器利用重力使指针下端自然垂直，从而通过指针与外框中标注的角度对应测定坡度。为了提高测量的精度，坡度测量仪器的指针一般采用轻质材料，且指针很细，只在下端固定一重物。但是这种坡度测量仪器有两个缺点：

一是指针比较灵敏，每次测量坡度时，指针都会来回摇摆不定，需要一定时间等待指针静止后才能读取坡度值，这就增加了坡度测量的时间；

二是指针轻质，但是指针与外框的固定部分与指针之间会有摩擦力，这样指针静止时并不是处于垂直状态，而是在重力与摩擦力的双重作用下保持静止，这就给最后的测量结果带来较大的误差。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和试验终于提出了一种建筑坡度检测器。

发明内容

本发明的目的在于用以克服上述技术缺陷，提供一种建筑坡度检测器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于：提供一种建筑坡度检测器，其包括：一外框、一垂直摆、一测力装置和一计算显示模块；

所述外框包裹所述垂直摆、所述测力装置和所述计算显示模块；

所述垂直摆一端固定在所述外框上，另一端可以来回摆动；

所述测力装置测量所述垂直摆摆动到最高位置时的受力；其包括固定在所述外框上的两个压力传感器，所述压力传感器测量所述垂直摆施加的压力，并将压力信号传输给所述计算显示模块，所述压力与所述受力大小相同；

所述计算显示模块镶嵌在所述外框上，一面露出所述外框，对接收到的所述压力信号进行计算，计算出所述垂直摆静止时对所述压力传感器的压力，并将计算结果转换为坡度显示出来；

所述垂直摆静止时对所述压力传感器的压力的计算公式为：

$F_j=\frac{\underset{k=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\∫\mathrm{\δ}\left(N_k\right)d{N}_k}{\underset{k=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\∫\mathrm{\δ}\left(N_k\right){\mathrm{dN}}_k}\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{j/2}{\mathrm{\Σ}}}(x_{2i-1}-x_{2i})}{\left|\underset{i=1}{\overset{j/2}{\mathrm{\Σ}}}(x_{2i-1}-x_{2i})\right|}\right)$

公式中，f_k和N_k由下述各式确定：

$m_j=\frac{\underset{i=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\frac{x_i+x_{i-1}}{x_{i-1}+x_{i-2}}}{j-2}$

$f_j=\frac{x_{j-2}+x_{j-1}}{2}(1+\frac{m_j}{x_{j-2}+2x_{j-1}+x_j})$

$m_k=|f_k-\frac{\underset{i=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i}{j-2}|$

上式中，i、k表示压力信号的序号，j表示当前接收到的压力信号序号的最大值，x_i、x_i-1、x_i-2、x_2i、x_2i-1、x_j、x_j-1、x_j-2表示第i次、第i-1次、第i-2次、第2i次、第2i-1次、第j次、第j-1次、第j-2次接收到的压力信号，m_j表示第j次接收到压力信号后计算的阻力比，f_k、f_j、f_i表示第k次、第j次、第i次接收到压力信号时计算的垂直摆静止时对压力传感器的压力近似值，M_k为压力近似值f_k对应的差值，N_k为压力近似值f_k对应的鉴别值，表示差值M_k的小数部分，表示差值M_k的整数部分，δ(N_k)表示单位冲激函数,F_j表示第j次接收到压力信号时垂直摆静止时对压力传感器的压力值。

较佳的，所述垂直摆包括：一固定轴、一摆杆、一摆锤和一圆孔；所述固定轴水平固定在所述外框上，其中间穿过所述摆杆的一端；所述摆杆为一长杆，其一端被所述固定轴固定在所述外框上，绕所述固定轴的径向转动，另一端连接所述摆锤；所述摆锤固定在所述摆杆的底端；所述圆孔位于所述摆杆的下部。

较佳的，所述圆孔的中心与所述垂直摆的重心重合。

较佳的，所述测力装置还包括：弹簧和一导轨；所述弹簧套在所述导轨上，一端与所述压力传感器连接，一端在所述导轨上滑动；所述导轨为圆弧状，其穿过所述圆孔，且位于所述摆杆的径向转动平面上，约束所述摆杆在所述径向转动平面上摆动。

较佳的，所述导轨的半径等于所述摆杆上所述固定轴与所述圆孔之间的距离。

较佳的，所述压力传感器承压部分与所述导轨垂直，与所述弹簧垂直。

较佳的，所述计算显示模块包括：一电源、一计算显示器和一传输线；所述电源为所述计算显示模块和所述压力传感器提供电能；所述计算显示器接收所述压力信号、计算出所述坡度并显示出来；所述传输线将电能传输给所述压力传感器并将所述压力传感器的所述压力信号传输给所述计算显示器。

较佳的，所述弹簧数量为两个，其分别与两个所述压力传感器相连接，分布在所述摆杆的两侧且与所述摆杆接触但不连接。

较佳的，所述摆杆静止于所述导轨的中心时，所述摆杆两侧的所述弹簧均处于自然伸长的状态。

较佳的，所述摆杆经过所述导轨中点并向右侧摆动后，左侧的所述弹簧与所述摆杆分离，保持自然伸长的状态；所述摆杆经过所述导轨中点并向左侧摆动后，右侧的所述弹簧与所述摆杆分离，保持自然伸长的状态。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：提供了一种建筑坡度检测器，通过计算摩擦力造成的阻力比，排除了摩擦力对计算结果的影响，提高了测量精度，减小了系统误差；可以通过三个压力信号计算出摆杆静止时对压力传感器的压力，进而在摆杆还在摆动时确定坡度检测器的倾斜角度，提高了测量速度；运算过程简单，节约了程序资源；通过差值来确定鉴别值，简化了运算过程，进一步节约了运算时间与程序资源，从而进一步提高坡度检测器的测量速度。

附图说明

图1为本发明建筑坡度检测器的正视结构示意图；

图2为本发明建筑坡度检测器的侧视结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1所示为本发明建筑坡度检测器的正视结构示意图，其中，建筑坡度检测器包括：外框1、垂直摆2、测力装置3和计算显示模块4。

外框1将垂直摆2、测力装置3和计算显示模块4包裹在内。

垂直摆2一端固定在外框1上，一端可以在重力的作用下绕固定部来回摆动，最终静止在垂直线上，其包括：固定轴21、摆杆22、摆锤23和圆孔24。固定轴21水平固定在外框1上，其中间穿过摆杆22的一端，使摆杆22只能绕固定轴21的径向转动，从而测量检测器倾斜的角度；摆杆22为一轻质长杆，其一端被固定轴1固定在外框1上，只能绕固定轴21的径向转动，另一端固定摆锤23；摆锤23固定在摆杆22的底端；圆孔24位于摆杆22的下部，且圆孔24的中心与整个垂直摆2的重心重合，这样可以减少整个坡度检测器的误差。

测力装置3测量垂直摆2在摆动到最高位置时的受力，其包括：压力传感器31、弹簧32和导轨33。导轨33是半径为摆杆22上固定轴21与圆孔24之间直线距离的圆弧，其穿过圆孔24，且位于摆杆22的径向转动平面上，这样圆孔24只能在导轨33上来回滑动，进而约束摆杆22的摆动方向一直保持在摆杆22的径向转动平面上；弹簧32套在导轨33上，一端与所述压力传感器连接，一端在所述导轨上滑动，导轨33能约束弹簧只能在导轨33上滑动；压力传感器31一部分固定在外框1上，一部分与导轨33相连，测量垂直摆2的推力，其承压部分与导轨33保持垂直，进而与弹簧32保持垂直，这样能减少测量的弹簧32对压力传感器31的压力的误差，提高测量的精度。垂直摆2的推力与受力的大小相等，方向相反。

计算显示模块4镶嵌在外框1上，一面露出，对接收到的压力数据进行计算，并根据计算结果得出倾斜角度，将倾斜角度在露出的面上显示出来，倾斜角度即为坡度；其包括：传输线41、计算显示器42和电源43；电源43为计算显示模块4和压力传感器31提供电能；计算显示器42计算出倾斜角度并显示出来；传输线41将电能传输给压力传感器31并将压力传感器31的压力信号传输给计算显示器。

弹簧32为两个，分别与两个压力传感器31相连接，分布在摆杆22的两侧分别与摆杆22接触但不连接；摆杆22在坡度检测器水平放置时，摆杆22静止于导轨33的中心，此时，摆杆22两侧的弹簧32都处于自然伸长的状态，施加给对应的压力传感器31的压力为零；若摆杆22向导轨33中点的左侧摆动，则右侧的弹簧32会与摆杆22分离，仍然处于自然伸长的状态，左侧的弹簧32会在摆杆22的作用下压缩，施加给对应的压力传感器31压力；同理，若摆杆22向导轨33中点的右侧摆动，则左侧的弹簧32会与摆杆22分离，仍然处于自然伸长的状态，右侧的弹簧32会在摆杆22的作用下压缩，施加给对应的压力传感器31压力。

摆杆22来回摆动，若摆杆22经过导轨33的中心在左右来回摆动，则摆杆22经过导轨33的中心时，左右两侧的弹簧32均自然伸长，对相应的压力传感器31的压力均为0。摆杆22过导轨33的中心，向左侧摆动，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力逐渐增大，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力保持为0；摆杆22到达最高点时，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力达到最大值，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力保持为0；摆杆22回摆，直至到导轨33的中心，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力逐渐减小，直至为0，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力保持为0。摆杆22过导轨33的中心，向右侧摆动，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力逐渐增大，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力保持为0；摆杆22到达最高点时，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力达到最大值，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力保持为0；摆杆22回摆，直至到导轨33的中心，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力逐渐减小，直至为0，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力保持为0。

摆杆22来回摆动，若摆杆22不经过导轨33的中心，只在左侧来回摆动，则右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力保持为0，左侧的弹簧32向左侧摆动，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力逐渐增大；摆杆22到达最高点时，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力达到最大值；摆杆22回摆，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力逐渐减小，摆杆22到达最靠近导轨33的中心时，左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力达到最小值，若此时摆杆22恰好到达导轨33的中心，则最小值为0。

摆杆22来回摆动，若摆杆22不经过导轨33的中心，只在右侧来回摆动，则左侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力保持为0，右侧的弹簧32向右侧摆动，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力逐渐增大；摆杆22到达最高点时，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力达到最大值；摆杆22回摆，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力逐渐减小，摆杆22到达最靠近导轨33的中心时，右侧的弹簧32对相应的压力传感器31的压力达到最小值，若此时摆杆22恰好到达导轨33的中心，则最小值为0。

计算显示模块4通过摆杆22来回摆动时对两侧的压力传感器31的压力计算摆杆22静止时对两侧的压力传感器31的压力，进而确定摆杆22相对于坡度检测器中轴线的倾斜角度，此倾斜角度就是坡度。坡度检测器在水平位置时，其中轴线与垂直线重合，也与静止的摆杆22重合；倾斜后，静止的摆杆22在重力的作用下，与垂直线重合，摆杆22与中轴线的角度在数值上等于坡度检测器的倾斜角度，也即是坡度检测器检测的放置位置的坡度。

检测坡度时，计算显示模块4从摆杆22开始摆动时开始接收压力传感器31的信号，以从左侧的压力传感器31接收的第一个压力信号为起点，记为x₁，以后会从左右两侧的压力传感器31交替接收压力信号，分别记为x₂、x₃,…,同时计算显示模块4在接收到第三个压力信号时开始计算，摆杆22静止时对压力传感器31的压力F_j的计算公式为：

$F_j=\frac{\underset{k=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\∫\mathrm{\δ}\left(N_k\right)d{N}_k}{\underset{k=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\∫\mathrm{\δ}\left(N_k\right){\mathrm{dN}}_k}\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{j/2}{\mathrm{\Σ}}}(x_{2i-1}-x_{2i})}{\left|\underset{i=1}{\overset{j/2}{\mathrm{\Σ}}}(x_{2i-1}-x_{2i})\right|}\right)---\left(1\right)$

公式中，f_k和N_k由下述各式确定：

$m_j=\frac{\underset{i=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\frac{x_i+x_{i-1}}{x_{i-1}+x_{i-2}}}{j-2}---\left(2\right)$

$f_j=\frac{x_{j-2}+x_{j-1}}{2}(1+\frac{m_j}{x_{j-2}+2x_{j-1}+x_j})---\left(3\right)$

$m_k=|f_k-\frac{\underset{i=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i}{j-2}|---\left(4\right)$

上式中，i、k表示压力信号的序号，j表示当前接收到的压力信号序号的最大值，也是最晚接收到的压力信号的序号，x_i、x_i-1、x_i-2、x_2i、x_2i-1、x_j、x_j-1、x_j-2表示第i次、第i-1次、第i-2次、第2i次、第2i-1次、第j次、第j-1次、第j-2次接收到的压力信号，m_j表示第j次接收到压力信号后计算的阻力比，f_k、f_j、f_i表示第k次、第j次、第i次接收到压力信号时计算的摆杆22静止时对压力传感器的压力近似值，M_k为压力近似值f_k对应的差值，N_k为压力近似值f_k对应的鉴别值，表示差值M_k的小数部分，表示差值M_k的整数部分，δ(N_k)表示单位冲激函数,F_j表示第j次接收到压力信号时的计算的摆杆22静止时对压力传感器的压力值。

其基本思路是，将摆杆22在摆动时受到的摩擦力视为大小相似的阻力，相邻三个压力信号可以确定一次阻力比初值，多个阻力比初值的平均数视为阻力比；根据阻力比计算摆杆22静止时对压力传感器的压力近似值；计算出各个压力近似值与其均值的差的绝对值作为差值，最接近差值的整数视为相应压力近似值的鉴别值；通过单位冲激函数的积分保留鉴别值为0的压力近似值，这些压力近似值的均值即为摆杆22静止时对压力传感器31的压力的绝对值；左侧的压力传感器31的压力信号与右侧的压力传感器31的压力信号的差值与其绝对值的比，结果确定摆杆22静止时对压力传感器31的压力的正负，若为正，则摆杆22静止时位于导轨中心的左侧，若为负，则摆杆22静止时位于导轨中心的右侧。

上述计算方法，通过计算摩擦力造成的阻力比，排除了摩擦力对计算结果的影响，提高了测量精度，减小了系统误差；可以通过三个压力信号计算出摆杆22静止时对压力传感器31的压力，进而在摆杆22还在摆动时确定坡度检测器的倾斜角度，提高了测量速度；运算过程简单，节约了程序资源；通过差值来确定鉴别值，简化了运算过程，进一步节约了运算时间与程序资源，从而进一步提高坡度检测器的测量速度。

上述公式中的单位冲激函数为：

$\mathrm{\δ}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\∞& t=0\\ 0& t\≠0\end{array}\right.---\left(6\right)$

单位冲激函数的积分为：

$\∫\mathrm{\δ}\left(t\right)\mathrm{dt}=\left\{\begin{array}{cc}1& t=0\\ 0& t\≠0\end{array}\right.---\left(7\right)$

检测坡度时，计算显示模块4从摆杆22开始摆动时开始接收压力传感器31的信号，以从左侧的压力传感器31接收的第一个压力信号为起点，记为x₁，以后会从左右两侧的压力传感器31交替接收压力信号，分别记为x₂、x₃,…,但是也可能出现摆杆22只在导轨33的一侧进行摆动的情况，这时另一侧的压力传感器31压力信号一直为0，此时，应该将摆动的一侧的压力传感器31的压力信号最大值作为本侧的压力传感器的压力信号，最小值作为另一侧的压力传感器的压力信号。

此建筑坡度检测器将摆杆22在摆动时受到的固定轴21对其的摩擦力视为恒定，从而通过计算公式(2)、(3)将摩擦力造成的误差排除，提高了测量坡度的精确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种建筑坡度检测器，其特征在于，包括：一外框、一垂直摆、一测力装置和一计算显示模块；

所述外框包裹所述垂直摆、所述测力装置和所述计算显示模块；

所述垂直摆一端固定在所述外框上，另一端可以来回摆动；

所述测力装置测量所述垂直摆摆动到最高位置时的受力；其包括固定在所述外框上的两个压力传感器，所述压力传感器测量所述垂直摆施加的压力，并将压力信号传输给所述计算显示模块，所述压力与所述受力大小相同；

所述计算显示模块镶嵌在所述外框上，一面露出所述外框，对接收到的所述压力信号进行计算，计算出所述垂直摆静止时对所述压力传感器的压力，并将计算结果转换为坡度显示出来；

所述垂直摆静止时对所述压力传感器的压力的计算公式为：

$F_j=\frac{\underset{k=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\∫\mathrm{\δ}\left(N_k\right)d{N}_k}{\underset{k=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\∫\mathrm{\δ}\left(N_k\right){\mathrm{dN}}_k}\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{j/2}{\mathrm{\Σ}}}(x_{2i-1}-x_{2i})}{\left|\underset{i=1}{\overset{j/2}{\mathrm{\Σ}}}(x_{2i-1}-x_{2i})\right|}\right)$

公式中，f_k和N_k由下述各式确定：

$m_j=\frac{\underset{i=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\frac{x_i+x_{i-1}}{x_{i-1}+x_{i-2}}}{j-2}$

$f_j=\frac{x_{j-2}+x_{j-1}}{2}(1+\frac{m_j}{x_{j-2}+2x_{j-1}+x_j})$

$m_k=|f_k-\frac{\underset{i=3}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i}{j-2}|$

上式中，i、k表示压力信号的序号，j表示当前接收到的压力信号序号的最大值，x_i、x_i-1、x_i-2、x_2i、x_2i-1、x_j、x_j-1、x_j-2表示第i次、第i-1次、第i-2次、第2i次、第2i-1次、第j次、第j-1次、第j-2次接收到的压力信号，m_j表示第j次接收到压力信号后计算的阻力比，f_k、f_j、f_i表示第k次、第j次、第i次接收到压力信号时计算的垂直摆静止时对压力传感器的压力近似值，M_k为压力近似值f_k对应的差值，N_k为压力近似值f_k对应的鉴别值，表示差值M_k的小数部分，表示差值M_k的整数部分，δ(N_k)表示单位冲激函数,F_j表示第j次接收到压力信号时垂直摆静止时对压力传感器的压力值。

2.根据权利要求1所述的建筑坡度检测器，其特征在于，所述垂直摆包括：一固定轴、一摆杆、一摆锤和一圆孔；所述固定轴水平固定在所述外框上，其中间穿过所述摆杆的一端；所述摆杆为一长杆，其一端被所述固定轴固定在所述外框上，绕所述固定轴的径向转动，另一端连接所述摆锤；所述摆锤固定在所述摆杆的底端；所述圆孔位于所述摆杆的下部。

3.根据权利要求2所述的建筑坡度检测器，其特征在于，所述圆孔的中心与所述垂直摆的重心重合。

4.根据权利要求1或2或3所述的建筑坡度检测器，其特征在于，所述测力装置还包括：弹簧和一导轨；所述弹簧套在所述导轨上，一端与所述压力传感器连接，一端在所述导轨上滑动；所述导轨为圆弧状，其穿过所述圆孔，且位于所述摆杆的径向转动平面上，约束所述摆杆在所述径向转动平面上摆动。

5.根据权利要求4所述的建筑坡度检测器，其特征在于，所述导轨的半径等于所述摆杆上所述固定轴与所述圆孔之间的距离。

6.根据权利要求5所述的建筑坡度检测器，其特征在于，所述压力传感器承压部分与所述导轨垂直，与所述弹簧垂直。

7.根据权利要求1或2或3所述的建筑坡度检测器，其特征在于，所述计算显示模块包括：一电源、一计算显示器和一传输线；所述电源为所述计算显示模块和所述压力传感器提供电能；所述计算显示器接收所述压力信号、计算出所述坡度并显示出来；所述传输线将电能传输给所述压力传感器并将所述压力传感器的所述压力信号传输给所述计算显示器。

8.根据权利要求7所述的建筑坡度检测器，其特征在于，所述弹簧数量为两个，其分别与两个所述压力传感器相连接，分布在所述摆杆的两侧且与所述摆杆接触但不连接。

9.根据权利要求8所述的建筑坡度检测器，其特征在于，所述摆杆静止于所述导轨的中心时，所述摆杆两侧的所述弹簧均处于自然伸长的状态。

10.根据权利要求9所述的建筑坡度检测器，其特征在于，所述摆杆经过所述导轨中点并向右侧摆动后，左侧的所述弹簧与所述摆杆分离，保持自然伸长的状态；所述摆杆经过所述导轨中点并向左侧摆动后，右侧的所述弹簧与所述摆杆分离，保持自然伸长的状态。