CN106885584A - 测斜仪综合误差测试装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测斜仪的综合误差技术指标测试装置及测试方法。测量原理为将测斜仪测头放入导槽内，通过电机驱动将测头沿导槽提升一段距离，通过球栅尺实现对测头滑动距离的精确测量，利用电子自准直仪发出的光经过五棱镜折转到固定在测斜仪测头的反光镜上，反射光经过五棱镜再折转至电子自准直仪上，得到测斜仪测头的精确角度偏移，通过自准直仪和测斜仪连续测量的间距得到实际的精确相对位移，测斜仪测量的位移与该值比较，得出综合误差；本发明填补了实验室检测测斜仪综合误差的空白，并且设备简单，操作方便，检测准确。

Description

测斜仪综合误差测试装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测试装置及测量方法，尤其涉及一种用于对测斜仪的综合误差技术指标测试的装置及方法，属于测试测量领域。

背景技术

随着近年来国内边坡、基坑工程项目的大量增加，测斜仪得到广泛使用。测斜仪是一种高精度的倾斜角度测量仪，用于获得深部位移信息，专门用于岩土地基位移测量的仪器，适用于各种岩土地基横向和纵向位移的测量。测斜仪以加速度计为核心敏感元件的，一般是由测头、控制电缆和读数仪等部件构成，国内外主流测斜仪的分辨力一般为0.02mm，相当于测头倾角分辨力为8″。工作原理是当测头从测孔底部按控制电缆步距拉升至测孔顶部，可得到每个测量间距的水平位移，累加后，即可获得测孔顶部相对于底部的水平位移。测斜仪的测量方法通常按照角度测量仪器进行测试，国内外测斜仪厂家一般给出角度测量精度指标。但是由测斜仪工作原理，它的工作过程和角度测量仪器是不同的，需要考虑测斜仪在岩土工程测量中的工况：即测头放置在测斜管中，由控制电缆提升，导轮沿着测斜管滑动。这种工况下“传感器误差”，“控制电缆提升”、“导轮滚动”等各种因素都对测斜仪测量精度造成影响，也是用户最关心的指标，即“测斜仪综合误差(total error)”，以“误差值/测孔深度”形式给出，该指标一般由大量的工程实测数据分析得来，目前未见实验室测试手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够完成测斜仪综合误差测试的实验室装置及测量方法，充分考虑测斜仪作为位移和角度复合测量的特点，是一种可对测斜仪的综合误差技术指标进行测试的装置。测量原理如下：将测斜仪测头放入导槽内，通过电机驱动将测头沿导槽提升一段距离，通过球栅尺实现对测头滑动距离的精确测量，利用电子自准直仪发出的光经过五棱镜折转到固定在测斜仪测头的反射镜上，反射光经过五棱镜再折转至电子自准直仪上，得到测斜仪测头的精确角度偏移，通过自准直仪得到实际的精确相对位移，测斜仪测量的位移与该值比较，得出综合误差。

本发明采用的技术方案如下：

一种测斜仪综合误差测试装置，包括：测斜仪工况模拟装置1、测头滑动距离测量装置2和倾角测量装置3，

所述测斜仪工况模拟装置1，用于容纳测斜仪测头5，供其上下滑动模拟工作状态；

所述测头滑动距离测量装置2，用于测量测斜仪测头5的滑动距离；

倾角测量装置3，用于测量测斜仪测头5的精确角度偏移。

所述测斜仪综合误差测试装置还包括平台4，所述测斜仪工况模拟装置1固定在平台4上，且倾角可调，使测斜仪工况模拟装置1能够调节测斜仪测头5的工作倾角，来模拟实际工况中测斜管的倾斜。

所述测斜仪工况模拟装置1包括测试架11和提升装置12；所述测试架11的主体由带导槽111的槽体112构成，所述导槽111为测斜仪测头5的导轮51提供滚动轨道；所述提升装置12包括驱动装置和连接装置，所述驱动装置通过连接装置带动测斜仪测头5沿导槽111滑动。

所述测试架11还设有底板13和斜拉板筋14；所述槽体112底端与底板13固定连接，顶端通过斜拉板筋114与底板13其它部位固定连接，形成三角支撑；所述底板13通过推拉螺栓15与所述平台4活动连接；

所述驱动装置包括步进电机121、联轴器122、角接触球轴承123、轴承套124和绕线轴125，并依次连接；所述连接装置包括钢丝(126)和滑轮(127)，所述钢丝(126)一端与绕线轴125连接，另一端通过滑轮127与测斜仪测头5连接；所述步进电机121带动绕线轴125转动，从而拉动钢丝126并带动测斜仪测头5提升。

所述测头滑动距离测量装置2为球栅数显，包括球栅尺21和读数头22，所述球栅尺21固定在测斜仪工况模拟装置1上，所述读数头22固定在测斜仪测头5上。

所述倾角测量装置3包括准直仪31、五棱镜32和反射镜33，

所述准直仪31是测量光源，发出的入射光经五棱镜32和反射镜33反射回准直仪31，通过测量反射光在准直仪31CCD上的坐标，从而给出测斜仪测头(5)的精确角度偏移；

所述五棱镜32安装在所述槽体112底部，用于将入射光方向折转90°，使入射光沿测斜仪测头轴向向上；同样将反射光方向折转90°，使其进入准直仪31；

所述反射镜33安装在测斜仪测头5上，用于反射沿测斜仪测头轴向向上的入射光；

所述准直仪31、五棱镜32和反射镜33都分别设有调节装置，用于初始校正。

一种测斜仪综合误差测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将测斜仪测头放置在带有导槽的测斜仪工况模拟装置中，调整测斜仪测头的工作倾角处于位置A；

步骤2，控制测斜仪侧条沿导槽向上提升，通过测头滑动距离测量装置和倾角测量装置测量并得到位置A下的基准累计位移值ΔA_total；所述测斜仪测头向上提升过程中，采用分段提升和测量，并对所述测斜仪测头进行正反两次测量；每次测斜仪测头提升的距离由槽体长度、测头总长度和测量段N确定，相当于为实际工况提供了N个测量点，每个测试段用来表征实际工况中向上提升L＝500mm的距离。

其中，L为测头导轮间距基准，一般为500mm；θ_Ai为A位置下倾角测量装置给出的每个测量段的倾角，并且为正反两次测量的平均值；N为测量段数；

步骤3，通过测斜仪测头测量并得到位置A下的初测累计位移值Δ′A_total；

其中，L_A1i为A位置测斜仪正方向测量的位移读数；L_A2i为A位置测斜仪反方向测量的位移读数；

步骤4，调整测斜仪测头的工作倾角处于位置B；

步骤5，控制测斜仪测头沿导槽向上提升，通过测头滑动距离测量装置和倾角测量装置测量并得到位置B下的基准累计位移值ΔB_total；

其中，θ_Bi为B位置下倾角测量装置给出的每个测量段的倾角，并且为正反两次测量的平均值；

步骤6，通过测斜仪测头测量并得到位置B下的累计位移值Δ′B_total；

其中L_B1i为B位置测斜仪正方向测量的位移值；L_B2i为B位置测斜仪反方向测量的位移值；

步骤7，根据步骤2、3、5、6得到的测量结果，计算得到测斜仪的综合误差E，则测孔(N×L)深度下的综合误差：

E＝(Δ′_total-Δ_total) (5)

其中，Δ'_total＝Δ'B_total-Δ'A_total，Δ_total＝ΔB_total-ΔA_total。

本发明的优点在于：

(1)提供了一种高精度的测斜仪综合误差测试仪器和测试方法，填补了技术空白，使在实验室或生产过程中测量测斜仪综合误差成为可能。

(2)本发明采用光学准直仪以及球栅数显分别对测斜仪测头在导槽内的倾角变化和测头滑动距离进行测量并获得基准数据，测头滑动距离精度控制在十微米级，每测量段位置定位精确，倾角测量分辨力和重复性精度可达角秒级，具有操作方便、精度高等特点。

(3)本发明测斜仪工况模拟装置与平台采用活动连接，可以灵活调整测斜仪测头和槽体的工作倾角，能够很好的模拟测斜仪实际工况。

(4)本发明采用步进电机对测斜仪测头进行提升控制，控制精度高，操作省时省力。

附图说明

图1是测斜仪综合误差测试装置整体示意图；

图2是测斜仪综合误差测试装置正面示意图；

图3是测斜仪综合误差测试装置背面示意图；

图4是槽体、导槽和测头连接关系示意图；

图5是电机及其安装结构示意图；

图6是五棱镜及其安装结构示意图；

图7反射镜及其安装结构示意图。

图中标号说明：

1—测斜仪工况模拟装置；11—测试架；12—提升装置；13—底板；14—斜拉板筋；15—推拉螺栓；111—导槽；112—槽体；121—步进电机；122—联轴器；123—角接触球轴承；124—轴承套；125—绕线轴；126—钢丝；127—滑轮；

2—测头滑动距离测量装置；21—球栅尺；22—读数头；23—读数头固定装置；

3—倾角测量装置；31—准直仪；32—五棱镜；33—反射镜；34—五棱镜调节装置；35—五棱镜固定装置；36—反射镜固定装置；37—反射镜调节装置；

4—平台；

5—测斜仪测头；51—导轮。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明专利做进一步说明。

参见图1及图2，是本发明的测斜仪综合误差测试装置的实施例，包括平台4、光学电子准直仪31、光学五棱镜32、测试架11、待测测斜仪测头5、滑轮127、球栅尺21、球栅读数头22、反射镜33，测试架11的主体部分为带有导槽111的槽体112。

平台4为综合误差测试装置提供稳固基础，使用水平仪将平台4调至水平。光学电子准直仪31放置于平台4上。光学五棱镜32固定在槽体112底部，用于将光学电子准直仪31的水平入射光改变90°方向为垂直入射光。测试架11固定在平台4上，待测测斜仪测头5放置于导槽111中，球栅尺21固定在导槽111的槽体上，球栅读数头22固定在测斜仪测头5上，随待测斜仪测头5上一起滑动。测斜仪测头5上的控制电缆绕于滑轮127上。

参见图3，是本发明的测斜仪综合误差测试装置的背面示意图，包括电机121、斜拉筋板14、底板13和推拉螺栓15。测试架11通过底板13和推拉螺栓15固定在平台4上，调节推拉螺栓15可改变测试架11的倾角，相当于模拟实际测孔产生了位移。

参见图4，是槽体、导槽和测头连接关系示意图，包括测斜仪测头5、槽体112、测斜仪测头5的导轮51、导槽111。测斜仪测头5通过导轮51放入槽体112的导槽111中。

参见图5，是本发明的电机及其安装结构示意图，包括电机121、联轴器122、角接触球轴承123、轴承套124。电机121通过联轴器122、角接触球轴承123、轴承套124固定在综合误差测试架上。

参见图6，是五棱镜及其安装结构示意图，包括槽体112、五棱镜32、五棱镜固定装置35。五棱镜32通过固定装置35，固定在槽体112底部，通过调节五棱镜调节装置34可以调节五棱镜32的位置。

参见图7，是反射镜及其安装结构示意图，包括槽体112、读数头固定装置23、球栅尺21、球栅读数头22、反射镜33、反射镜固定装置36。球栅尺21固定在槽体112上。球栅读数头22通过读数头固定装置23固定在测斜仪测头5上。反射镜33通过反射镜固定装置36也固定在测斜仪测头5上。

测试时，准直仪31将一个十字线图像以平行光束(准直光)的形式经五棱镜32投射到反射镜33上，该反射镜33将其光束反射回去，经五棱镜32反射回准直仪31，形成自准直图像。如果反射镜33与光轴垂直，则光束将反射回其自身。如果测头带动反射镜33倾斜一个角度θ，则其反射光将以角度2θ反射回来。准直仪为平行光，其测角结果不受距离的影响。测斜仪测头5的每个测量段的倾角可分别由其自身和准直仪31读取。

应用该综合误差测量装置，采用如下步骤进行测量：

步骤1，将测斜仪测头5放置在带有导槽111的测斜仪工况模拟装置1中，调整测斜仪测头5的工作倾角处于位置A，并对测量装置的各个部件进行初始校准。具体的：

a)对采用水平仪对平台4进行调平；

b)将控制电缆绕于滑轮127上。取一段细钢丝126，钢丝126的一端固定在控制电缆上，另一端驱动装置的绕线轴125上；

c)对测头滑动距离测量装置2进行初始校准，包括将球栅读数头22固定在测斜仪测头5上，使测斜仪测头5提升的距离可通过球栅数显装置直接读数；

d)对倾角测量装置3进行初始校准，包括调节光学电子准直仪31的俯仰角，使得准直仪入射光进入五棱镜32，调节五棱镜调节装置34，使得准直仪入射光进入反射镜33，调节反射镜调节装置37，使得反射光返回至准直仪，并处于坐标原点。

步骤2，控制测斜仪测头5沿导槽111向上提升，测斜仪测头5提升距离由槽体112长度，测头总长度和测量段N确定，并通过测头滑动距离测量装置2和倾角测量装置3测量并得到位置A下的基准累计位移值ΔA_total。

其中，L为测头导轮间距基准，，一般为500mm；θ_Ai为A位置下倾角测量装置给出的每个测量段的倾角，并且为正反两次测量的平均值；N为测量段数；

步骤3，通过测斜仪测头5测量并得到位置A下的累计位移值Δ′A_total；

其中，L_A1i为A位置下测斜仪正方向测量的位移读数；L_A2i为A位置下测斜仪反方向测量的位移读数；

步骤4，再次调节反射镜调节装置37，使得反射光返回至准直仪，并处于坐标原点，然后调整推拉螺栓15使测斜仪测头5的工作倾角处于位置B；

步骤5，重复步骤3，并通过测头滑动距离测量装置2和倾角测量装置3测量并得到位置B下的基准累计位移值ΔB_total；

其中，θ_Bi为B位置下倾角测量装置给出的每个测量段的倾角，并且为正反两次测量的平均值；

步骤6，通过测斜仪测头5测量并得到位置B下的累计位移值Δ′B_total；

其中L_B1i为B位置测斜仪正方向测量的位移值；L_B2i为B位置测斜仪反方向测量的位移值；

步骤7，根据步骤2、3、5、6得到的测量结果，计算得到测斜仪的综合误差E，则测孔(N×L)深度下的综合误差：

E＝(Δ′_total-Δ_total) (5)

其中，Δ'_total＝Δ'B_total-Δ'A_total，Δ_total＝ΔB_total-ΔA_total。

以上实施例仅用于说明本发明专利的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明专利的精神和范围，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (9)

1.一种测斜仪综合误差测试装置，其特征在于包括：测斜仪工况模拟装置(1)、测头滑动距离测量装置(2)和倾角测量装置(3)，

所述测斜仪工况模拟装置(1)，用于容纳测斜仪测头(5)，供其上下滑动模拟工作状态；

所述测头滑动距离测量装置(2)，用于测量测斜仪测头(5)的滑动距离；

倾角测量装置(3)，用于测量测斜仪测头(5)的精确角度偏移。

2.根据权利要求1所述的一种测斜仪综合误差测试装置，其特征在于还包括平台(4)，所述测斜仪工况模拟装置(1)固定在平台(4)上，且倾角可调。

3.根据权利要求2所述的一种测斜仪综合误差测试装置，其特征在于所述测斜仪工况模拟装置(1)包括测试架(11)和提升装置(12)；所述测试架(11)的主体由带导槽(111)的槽体(112)构成，所述导槽(111)为测斜仪测头(5)的导轮(51)提供滚动轨道；所述提升装置(12)包括驱动装置和连接装置，所述驱动装置通过连接装置带动测斜仪测头(5)沿导槽(111)滑动。

4.根据权利要求3所述的一种测斜仪综合误差测试装置，其特征在于：

所述测试架(11)还设有底板(13)和斜拉板筋(14)；所述槽体(112)底端与底板(13)固定连接，顶端通过斜拉板筋(14)与底板(13)其它部位固定连接，形成三角支撑；所述底板(13)通过推拉螺栓(15)与所述平台(4)活动连接；

所述驱动装置包括步进电机(121)、联轴器(122)、角接触球轴承(123)、轴承套(124)和绕线轴(125)，并依次连接；所述连接装置包括钢丝(126)和滑轮(127)，所述钢丝(126)一端与绕线轴(125)连接，另一端通过滑轮(127)与测斜仪测头(5)连接；所述步进电机(121)带动绕线轴(125)转动，从而拉动钢丝(126)并带动测斜仪测头(5)升降。

5.根据权利要求1或3所述的一种测斜仪综合误差测试装置，其特征在于所述测头滑动距离测量装置(2)为球栅数显，包括球栅尺(21)和读数头(22)，所述球栅尺(21)固定在测斜仪工况模拟装置(1)上，所述读数头(22)固定在测斜仪测头(5)上。

6.根据权利要求3所述的一种测斜仪综合误差测试装置，其特征在于所述倾角测量装置(3)包括准直仪(31)、五棱镜(32)和反射镜(33)，

所述准直仪(31)是测量光源，发出的入射光经五棱镜(32)和反射镜(33)反射回准直仪(31)，通过测量反射光在准直仪(31)CCD上的坐标，从而给出测斜仪测头(5)的精确角度偏移；

所述五棱镜(32)安装在所述槽体(112)底部，用于将入射光方向折转90°，使入射光沿测斜仪测头轴向向上；同样将反射光方向折转90°，使其进入准直仪(31)；

所述反射镜(33)安装在测斜仪测头(5)上，用于反射沿测斜仪测头轴向向上的入射光；

所述准直仪(31)、五棱镜(32)和反射镜(33)都分别设有调节装置，用于初始校正。

7.一种测斜仪综合误差测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，将测斜仪测头放置在带有导槽的测斜仪工况模拟装置中，调整测斜仪测头的工作倾角处于位置A；

步骤2，控制测斜仪测头沿导槽向上提升，通过测头滑动距离测量装置和倾角测量装置测量并得到位置A下的基准累计位移值ΔA_total；

步骤3，通过测斜仪测头测量并得到位置A下的初测累计位移值Δ′A_total；

步骤4，调整测斜仪测头的工作倾角处于位置B；

步骤5，控制测斜仪测头沿导槽向上提升，通过测头滑动距离测量装置和倾角测量装置测量并得到位置B下的基准累计位移值ΔB_total；

步骤6，通过测斜仪测头测量并得到位置B下的累计位移值Δ′B_total；

步骤7，根据步骤2、3、5、6得到的测量结果，计算得到测斜仪的综合误差E。

8.根据权利要求7所述的种测斜仪综合误差测量方法，其特征在于在测斜仪测头向上提升过程中，采用分段提升和测量；并对所述测斜仪测头进行正反两次测量。

9.根据权利要求8所述的种测斜仪综合误差测量方法，其特征在于在：

${\mathrm{\ΔA}}_{total}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}L\·{\mathrm{sin\θ}}_{Ai}---\left(1\right)$

其中，L为测头导轮间距基准，一般为500mm；θ_Ai为A位置下倾角测量装置给出的每个测量段的倾角，并且为正反两次测量的平均值；N为测量段数；

${\mathrm{\Δ}}^{\′}{A}_{total}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{1}{2}(L_{A1i}-L_{A2i})---\left(2\right)$

其中，L_A1i为A位置下测斜仪正方向测量的位移读数；L_A2i为A位置下测斜仪反方向测量的位移读数；

${\mathrm{\ΔB}}_{total}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}L\·{\mathrm{sin\θ}}_{Bi}---\left(3\right)$

其中，θ_Bi为B位置下倾角测量装置给出的每个测量段的倾角，并且为正反两次测量的平均值；

${\mathrm{\Δ}}^{\′}{B}_{total}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{1}{2}(L_{B1i}-L_{B2i})---\left(4\right)$

其中L_B1i为B位置下测斜仪正方向测量的位移值；L_B2i为B位置下测斜仪反方向测量的位移值；

则测孔(N×L)深度下的综合误差：

E＝(Δ′_total-Δ_total) (5)

其中，Δ'_total＝Δ'B_total-Δ'A_total，Δ_total＝ΔB_total-ΔA_total。