CN107655456A - 一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置和方法，该装置包括有电源、圆弧形电阻和摆锤，所述圆弧形电阻固定设置，所述圆弧形圆心位置设置有固定点，所述摆锤通过一段长度大于R的线连接至固定点，R为圆弧形对应圆的半径，所述线上设置有导电的接触电极，所述圆弧形电阻在圆弧形所在平面垂直于水平面时与接触电极导电接触，所述圆弧形电阻的两端分别设置第一、第二电极，所述电源分别连接第一、第二电极。本发明可根据圆弧形电阻两段电阻的比例计算倾角数据，对电阻元件参数一致性要求不高，成本低，且适用于大批量生产应用。本发明作为一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置和方法可广泛应用于工程检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及工程检测领域，尤其是一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置和方法。
背景技术
深层水平位移监测是二级及以上监测安全等级工程必测项目，广泛应用与基坑、隧道、边坡、地基、轨道交通、尾矿、大坝工程的安全监测中。就建筑基坑而言，根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)表4.2.1，一、二级建筑基坑，深层水平位为应测，三级建筑基坑为宜测；根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911-2013)表4.2.1，监测安全等级为一、二级，深层水平位为应测项目，监测安全等级三级为选测。因此，深层水平位移的应用广泛，是工程监测不可或缺的监测项目之一。
现有深层水平位移的测量方法分为活动式和固定式。所有的测量原理均为测量单点倾角变化，通过假定或测量某点的水平位移量，累加得到整体的水平位移，如图1，左侧竖直的为基准线，右侧的曲线为变形后曲线，阴影部分为测斜仪，计算公式为：ΔSi＝(θi-θi-1).L，其中ΔSi为深度i处水平位移变化量，θ为深度i处重复测量的倾角变化量，L为量测间隔。
因此，各类测量设备主要差别在于倾斜角度测量方法不同，现有解决方案主要有以下几种：
A倾角传感器：利用倾角传感器直接测量单点倾角变化；
B加速度计测量：测斜仪探头采用两个受力平衡的伺服加速度计测量倾斜，1个加速度计测量测斜仪测轮所在平面的倾斜，为正倾斜；另一个加速计测量与测斜仪测轮所在平面相垂直的平面的倾斜。加速度计的测斜是根据重力场投影原理进行倾角测量。
现有深层水平位移的实现，主要依靠倾角传感器及加速度计测量，倾角传感器在活动式测斜装置中，精度及稳定性受温度、振动等因素影响较大；而加速度计测量原理装置大部门为进口设备，使用成本较高。例如一种磁敏电阻型倾角传感器(CN2466604Y)，其中采用磁敏电阻无接触地测量倾斜角度，但其结构中仍采用轴承结构，难以消除摩擦力的影响，无法保证低成本实现高精度；例如气体摆式倾角传感器(CN2160886Y)，其采用热敏电阻，要求电阻温度系数大、稳定性好，同样无法保证低成本实现高精度；而现有技术中电解液式倾斜仪则是利用浸入电解液的电极深度随倾斜角改变的原理来工作，电解液可能挥发对其浓度或电解液体积造成变化，从而影响测量精度，因此对密封性要求高，从而增加其硬件成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种用于监测的低成本、高精度摆锤电阻式测斜装置。
为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：提供一种用于监测的低成本、高精度摆锤电阻式测斜方法。
本发明所采用的技术方案是：一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置，包括有电源、圆弧形电阻和摆锤，所述圆弧形电阻固定设置，所述圆弧形圆心位置设置有固定点，所述摆锤通过一段长度大于R的线连接至固定点，R为圆弧形对应圆的半径，所述线上设置有导电的接触电极，所述圆弧形电阻在圆弧形所在平面垂直于水平面时与接触电极导电接触，所述圆弧形电阻的两端分别设置第一电极和第二电极，所述电源的输出端与第一电极连接，所述电源的输入端与第二电极连接。
进一步，还包括有电压采样电路，所述电压采样电路包括有第一采样模块和第二采样模块，所述第一采样模块用于采样第一电极与接触电极之间的电压，所述第二采样模块用于采样第二电极与接触电极之间的电压。
进一步，还包括有通信电路，所述第一采样模块的信号输出端连接至通信电路的第一信号输入端，所述第二采样模块的信号输出端连接至通信电路的第二信号输入端。
进一步，所述通信电路采用有线通信电路或无线通信电路。
进一步，所述电源为恒压源或恒流源。
进一步，所述线由导电材料制成。
本发明所采用的另一技术方案是：一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜方法，包括有以下步骤：
将圆弧形电阻的两端与电源连接，所述圆弧形电阻的圆弧形所在平面与水平面垂直放置；
在圆弧形电阻对应的圆心位置设置固定点，固定点上设置有连接摆锤的线，线上设置有与圆弧形电阻接触的接触电极；
测量圆弧形电阻一端与接触电极之间的电压V1以及圆弧形电阻另一端与接触电极之间的电压V2；
根据V1与V2的比值和倾角的比例关系计算得到倾角数据。
进一步，所述根据V1与V2的比值和倾角的关系计算得到倾角数据这一步骤，具体为：R＝K*V1/V2，其中R为倾角数据，K为校准系数。
本发明的有益效果是：本发明装置在圆弧形电阻设置第一电极和第二电极以及在摆锤连线上设置接触电极，相当于一个根据倾角方向自动调整电阻值的滑动变阻器，根据圆弧形电阻两段电阻的比例即可精确计算倾角数据，因此对电阻元件参数一致性要求不高，成本低，且适用于大批量生产。
本发明的另一有益效果是：本发明方法在圆弧形电阻设置第一电极和第二电极以及在摆锤连线上设置接触电极，相当于一个根据倾角方向自动调整电阻值的滑动变阻器，根据圆弧形电阻两段电阻的比例即可精确计算倾角数据，因此对电阻元件参数一致性要求不高，成本低，且适用于大批量生产。
附图说明
图1为测斜原理图；
图2为本发明装置的结构示意图；
图3为本发明装置测量状态示意图；
图4为本发明方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图2，一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置，包括有电源1、圆弧形电阻2和摆锤3，所述圆弧形电阻3固定设置，所述圆弧形圆心位置设置有固定点4，所述摆锤3通过一段长度大于R的线5连接至固定点4，R为圆弧形对应圆的半径，所述线5上设置有导电的接触电极6，所述圆弧形电阻2在圆弧形所在平面垂直于水平面时与接触电极6导电接触，所述圆弧形电阻2的两端分别设置第一电极和第二电极，所述电源1的输出端与第一电极连接，所述电源1的输入端与第二电极连接。
参照图3，当装置倾斜时使圆弧形电阻2也倾斜，此时的线5在摆锤3的作用下保持竖直，此时线5上的接触电极6与圆弧形电阻2导电接触，从接触点将圆弧形电阻2分为两段不同长度，因此圆弧形电阻2上这两段的电阻不同，通过检测两段电阻的电压即可得到两段电阻长度的比例值，通过比例值与倾斜角度的比例关系即可计算出倾斜角度的具体值。
通常在批量元件中，元件之间的参数会存在一定误差，而使用高精度元件的成本又相对较高；本发明中采用圆弧形电阻，从而能够通过圆弧形电阻上两段电阻的比例来计算倾斜角度，只要保证圆弧形电阻由均匀材料制成即可保证计算结果的准确性，即使两个圆弧形电阻之间的参数存在误差，也不会对计算结果造成影响。
进一步作为优选的实施方式，还包括有电压采样电路，所述电压采样电路包括有第一采样模块和第二采样模块，所述第一采样模块用于采样第一电极与接触电极之间的电压，所述第二采样模块用于采样第二电极与接触电极之间的电压；直接在装置中内置电压采样电路，从装置外部可直接获取采样数据。
进一步作为优选的实施方式，还包括有通信电路，所述第一采样模块的信号输出端连接至通信电路的第一信号输入端，所述第二采样模块的信号输出端连接至通信电路的第二信号输入端；由于设置了通信电路，无需使用者手动处理，利于设备自动化运行。
进一步作为优选的实施方式，所述通信电路采用有线通信电路或无线通信电路；例如通过RS485总线传输数据或通过GPRS通信模块传输数据，适用于大批量使用，布置监测网。
进一步作为优选的实施方式，所述电源为恒压源或恒流源。
进一步作为优选的实施方式，所述线由导电材料制成，此时导电材料制成的线本身作为接触电极。
参照图4，一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜方法，包括有以下步骤：
将圆弧形电阻的两端与电源连接，所述圆弧形电阻的圆弧形所在平面与水平面垂直放置；
在圆弧形电阻对应的圆心位置设置固定点，固定点上设置有连接摆锤的线，线上设置有与圆弧形电阻接触的接触电极；
测量圆弧形电阻一端与接触电极之间的电压V1以及圆弧形电阻另一端与接触电极之间的电压V2；
根据V1与V2的比值和倾角的比例关系计算得到倾角数据。
初始状态时，调整V1与V2的比值为1，此时状态如图2所示，圆弧形电阻2的左右两段电阻对称，此时装置为竖直状态，将其固定安装。
进一步作为优选的实施方式，所述根据V1与V2的比值和倾角的关系计算得到倾角数据这一步骤，具体为：R＝K*V1/V2，其中R为倾角数据，K为校准系数。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置，其特征在于：包括有电源、圆弧形电阻和摆锤，所述圆弧形电阻固定设置，所述圆弧形圆心位置设置有固定点，所述摆锤通过一段长度大于R的线连接至固定点，R为圆弧形对应圆的半径，所述线上设置有导电的接触电极，所述圆弧形电阻在圆弧形所在平面垂直于水平面时与接触电极导电接触，所述圆弧形电阻的两端分别设置第一电极和第二电极，所述电源的输出端与第一电极连接，所述电源的输入端与第二电极连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置，其特征在于：还包括有电压采样电路，所述电压采样电路包括有第一采样模块和第二采样模块，所述第一采样模块用于采样第一电极与接触电极之间的电压，所述第二采样模块用于采样第二电极与接触电极之间的电压。
3.根据权利要求2所述的一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置，其特征在于：还包括有通信电路，所述第一采样模块的信号输出端连接至通信电路的第一信号输入端，所述第二采样模块的信号输出端连接至通信电路的第二信号输入端。
4.根据权利要求3所述的一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置，其特征在于：所述通信电路采用有线通信电路或无线通信电路。
5.根据权利要求1所述的一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置，其特征在于：所述电源为恒压源或恒流源。
6.根据权利要求1所述的一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜装置，其特征在于：所述线由导电材料制成。
7.一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜方法，其特征在于，包括有以下步骤：
将圆弧形电阻的两端与电源连接，所述圆弧形电阻的圆弧形所在平面与水平面垂直放置；
在圆弧形电阻对应的圆心位置设置固定点，固定点上设置有连接摆锤的线，线上设置有与圆弧形电阻接触的接触电极；
测量圆弧形电阻一端与接触电极之间的电压V1以及圆弧形电阻另一端与接触电极之间的电压V2；
根据V1与V2的比值和倾角的关系计算得到倾角数据。
8.根据权利要求7所述的一种用于监测的高精度摆锤电阻式测斜方法，其特征在于：所述根据V1与V2的比值和倾角的比例关系计算得到倾角数据这一步骤，具体为：R＝K*V1/V2，其中R为倾角数据，K为校准系数。
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