CN107677251A - 工程用全方位倾斜仪 - Google Patents

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吕瀚
胡云亮
夏界宁
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Abstract

本发明涉及工程用全方位倾斜仪，包括：分度台、36个角度变换器及电桥测量电路板；36个角度变换器水平设置在分度台顶部的测量平台上；每个角度变换器沿测量平台的中心径向分布；相邻角度变换器之间的夹角为10°；角度变换器包括：内部注满测量液体介质的玻璃导管、两块薄膜胶片及两块压力应变片；玻璃导管两端的开口分别通过薄膜胶片密封；压力应变片紧贴设置在薄膜胶片上；电桥测量电路板设置有36个差动电桥测量电路；差动电桥测量电路的测量通道与对应角度变换器的两个压力应变片连接。该工程用全方位倾斜仪操作简便，工作效率高，能进行倾斜方位角测量，倾斜角度测量量程大。

Description

工程用全方位倾斜仪
技术领域
本发明涉及监测仪器技术领域，特别涉及工程用全方位倾斜仪。
背景技术
随着我国经济建设的不断发展，高层建筑在我国日益增多，高层建筑施工和使用过程中的安全问题日渐突出。高层建筑的倾斜问题，对建筑物危害较大，对建筑物的使用寿命有直接影响。倾斜在达到建筑设计指标极限以上时，会危及建筑物的安全运营。因此，必须对高层建筑进行倾斜监测，这已成为城市建设建筑物施工和使用过程中的一个必不可少的工作。
新出版实施的《JGJ8—2007建筑变形测量规范》规定，当从建筑或构件的外部观测主体倾斜时，宜选用下列经纬仪观测法:投点法，测水平角法，前方交会法，也可利用相对沉降量间接确定建筑整体倾斜。大量的生产实践说明，三种经纬仪观测方法有一个共同的缺点，即工作量较大，测量一个位置的倾斜往往需要2次设站，严重影响了工作效率。另外，这些常规方法还有一些其他的缺点，例如观测方向选取比较随意，带有一定的近似性，造成结果不是很严密等。利用相对沉降量间接确定建筑整体倾斜对于结构比较简单的建筑物具有一定的作用，但是由于现代建筑物大多具有较高的高度，并且结构比较复杂，使得该方法的适用范围不是很广。
现有技术中的高层建筑倾斜测量设备的工作效率较低，倾斜角度测量范围小，仅能进行水平面单一方向的倾斜测量，无法实现水平面方位角的测量。
发明内容
本发明提供了一种工程用全方位倾斜仪，解决了或部分解决了现有技术中高层建筑倾斜测量设备的工作效率较低，测量结果精确度不够高的技术问题，实现了操作简便，工作效率高，能进行倾斜方位角测量，倾斜角度测量量程大的技术效果。
本发明提供的工程用全方位倾斜仪，包括：
分度台；
36个角度变换器，水平设置在所述分度台顶部的测量平台上；每个所述角度变换器沿所述测量平台的中心径向分布；相邻所述角度变换器之间的夹角为10°；所述角度变换器包括：内部注满测量液体介质的玻璃导管、两块薄膜胶片及两块压力应变片；所述玻璃导管两端的开口分别通过所述薄膜胶片密封；所述压力应变片紧贴设置在所述薄膜胶片上；
电桥测量电路板，设置有36个差动电桥测量电路；所述差动电桥测量电路的测量通道与对应所述角度变换器的两个所述压力应变片连接。
作为优选，所述分度台顶部的测量平台的顶面设置有36个与所述角度变换器对应的分度槽；
所述角度变换器的底部通过固定卡连接一固定垫片；所述角度变换器及所述固定垫片设置在所述分度槽内；
所述分度槽内对应所述固定垫片的两端分别设置有微调旋钮，拧动所述微调旋钮能调节所述角度变换器的竖直高度及水平度。
作为优选，所述角度变换器及所述固定垫片水平设置在所述分度槽内；
所述分度槽设置有接线槽；
所述压力应变片与所述电桥测量电路板的连接线设置在所述接线槽内。
作为优选，所述角度变换器还包括：
两块薄膜玻璃片；所述薄膜玻璃片将所述压力应变片及所述薄膜胶片密封固定在所述玻璃导管的端部开口上。
作为优选，所述薄膜胶片的中心与所述玻璃导管的开口中心重合；
所述压力应变片固定在所述薄膜胶片的中心；
所述玻璃导管的长度为20cm，内径为1cm；
所述压力应变片设置成面积S为0.5mm的矩形；
所述测量液体介质为蒸馏水。
作为优选，所述分度台的底部设置有三个调平螺母；
所述测量平台的顶面设置有调平气泡；
其中，调节所述调平螺母使所述测量平台位于水平位置，此时所述调平气泡位于所述测量平台的中心。
作为优选，所述分度台包括：底板、圆管支架及钣金罩；
三个所述调平螺母设置在所述底板的底部；
所述圆管支架垂直固定在所述底板的中心；
所述测量平台固定在所述圆管支架的顶部；
所述测量平台为圆形板，中心与所述圆管支架的轴线重合；
所述钣金罩垂直固定在所述底板的边沿，将所述底板与所述测量平台之间的空间封闭。
作为优选，所述电桥测量电路板设置在所述底板上；
所述钣金罩开设有插孔；
所述插孔上固定有航空插头；
所述航空插头一端与所述电桥测量电路板连接，另一端与所有所述压力应变片连接。
作为优选，所述电桥测量电路板的每一个所述差动电桥测量电路的测量通道上都设置有前置信号放大器电路。
作为优选，所述工程用全方位倾斜仪设置有36个所述角度变换器；
所述电桥测量电路板设置有36个所述差动电桥测量电路。
本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了由分度台、36个角度变换器及电桥测量电路板组成的工程用全方位倾斜仪；将36个角度变换器水平设置在分度台顶部的测量平台上，且使每个角度变换器沿测量平台的中心径向分布，相邻角度变换器之间的夹角为10°；角度变换器包括：内部注满测量液体介质的玻璃导管、两块薄膜胶片及两块压力应变片；玻璃导管两端的开口分别通过薄膜胶片密封；压力应变片紧贴设置在薄膜胶片上；电桥测量电路板设置有36个差动电桥测量电路；差动电桥测量电路的测量通道与对应角度变换器的两个压力应变片连接。通过两个压力应变片组成的差动电桥测量电路，可以直接获得电桥的输出；当每一个电桥测量电路的输出都为0时，表示测量平台及每一个角度变换器都位于水平位置；而当部分或全部的电桥测量电路的输出不为0时，表示测量平台及每一个角度变换器处于倾斜位置，其中，选取输出的数值最大的角度变换器的输出结果ΔV，再结合测量液体介质的密度ρ、重力加速度g、压力应变片的面积S、压力应变片压力与电阻值之间转换系数K及所述玻璃导管内的水柱高程Δh，根据倾斜角度关系式：β＝arcsin(ΔV/(2*ρ*g*Δh*S*K))求取获得角度变换器的倾斜角度β，该测量结果具有较高的测量精确度。这样，有效解决了现有技术中高层建筑倾斜测量设备的工作效率较低，量程小，和无法进行水平面方位定向的技术问题，实现了操作简便，工作效率高，测量范围大，能进行动态方位角测量的技术效果。
附图说明
图1为本发明提供的工程用全方位倾斜仪的结构主视图；
图2为图1的结构俯视图；
图3为图1的二分之一截面示意图；
图4为图1中角度变换器的局部放大示意图。
(图示中各标号代表的部件依次为：1分度台、2角度变换器、3电桥测量电路板、4测量平台、5调平气泡、6玻璃导管、7圆管支架、8底板、9钣金罩、10航空插头、11调平螺母、12微调旋钮、13薄膜胶片、14压力应变片、15薄膜玻璃片、16固定垫片)
具体实施方式
本申请实施例提供的工程用全方位倾斜仪，解决了或部分解决了现有技术中高层建筑倾斜测量设备的工作效率较低，量程小，和无法进行水平面方位定向的技术问题，通过设置由分度台、36个角度变换器及电桥测量电路板组成的工程用全方位倾斜仪；将36个角度变换器水平设置在分度台顶部的测量平台上，且使每个角度变换器沿测量平台的中心径向分布，相邻角度变换器之间的夹角10°；并依次对36个角度变换器进行编号，从正东方开始标为1号，依次顺时针对余下角度变换器进行标号；角度变换器包括：内部注满测量液体介质的玻璃导管、两块薄膜胶片及两块压力应变片；玻璃导管两端的开口分别通过薄膜胶片密封；压力应变片紧贴设置在薄膜胶片上；电桥测量电路板设置有36个差动电桥测量电路；差动电桥测量电路的测量通道与对应角度变换器的两个压力应变片连接；实现了操作简便，工作效率高，能进行倾斜方位角测量，倾斜角度测量量程大的技术效果。
参见附图1和3，本发明提供的工程用全方位倾斜仪，包括：分度台1、36个角度变换器2及电桥测量电路板3；作为优选，参见附图2，电桥测量电路板3设置有36个差动电桥测量电路。36个角度变换器2水平设置在分度台1顶部的测量平台4上；每个角度变换器2沿测量平台4的中心径向分布；相邻角度变换器2之间的夹角10°；参见附图4，角度变换器2包括：内部注满测量液体介质的玻璃导管6、两块薄膜胶片13及两块压力应变片14；玻璃导管6两端的开口分别通过薄膜胶片13密封；压力应变片14紧贴设置在薄膜胶片13上。电桥测量电路板3设置有36个差动电桥测量电路；差动电桥测量电路的测量通道与对应角度变换器2的两个压力应变片14连接。电桥测量电路板3的每一个差动电桥测量电路的测量通道上都设置有前置信号放大器电路。
其中，依次对36个角度变换器进行编号，从正东方开始标为1号，依次顺时针对余下角度变换器进行标号；通过两个压力应变片14组成的差动电桥测量电路，可以直接获得电桥的输出；当每一个电桥测量电路的输出都为0时，表示测量平台4及每一个角度变换器2都位于水平位置；而当部分或全部的电桥测量电路的输出不为0时，表示测量平台4及每一个角度变换器2处于倾斜位置，其中，选取输出的数值最大的角度变换器2的输出结果ΔV，再结合测量液体介质的密度ρ、重力加速度g、压力应变片的面积S、压力应变片压力与电阻值之间转换系数K及玻璃导管6内的水柱高程Δh，根据倾斜角度关系式：β＝arcsin(ΔV/(2*ρ*g*Δh*S*K))求取获得角度变换器2的倾斜角度β，该测量结果具有较高的测量精确度。
进一步的，参见附图4，分度台1顶部的测量平台4的顶面设置有36个与角度变换器2对应的分度槽；角度变换器2的底部通过固定卡连接一固定垫片16；角度变换器2及固定垫片16设置在分度槽内；分度槽内对应固定垫片16的两端分别设置有微调旋钮12，拧动微调旋钮12能调节角度变换器2的竖直高度及水平度。角度变换器2及固定垫片16水平设置在分度槽内；分度槽设置有接线槽；压力应变片14与电桥测量电路板3的连接线设置在接线槽内。
进一步的，参见附图4，角度变换器2还包括：两块薄膜玻璃片15；薄膜玻璃片15将压力应变片14及薄膜胶片13密封固定在玻璃导管6的端部开口上。薄膜胶片13的中心与玻璃导管6的开口中心重合；压力应变片14固定在薄膜胶片13的中心；玻璃导管6的长度为20cm，内径为1cm；压力应变片14设置成面积S为0.5mm的矩形；测量液体介质为蒸馏水。
进一步的，参见附图1，分度台1的底部设置有三个调平螺母11；测量平台4的顶面设置有调平气泡5；其中，调节调平螺母11使测量平台4位于水平位置，此时调平气泡5位于测量平台4的中心。
进一步的，参见附图3，分度台1包括：底板8、圆管支架7及钣金罩9；三个调平螺母11设置在底板8的底部；圆管支架7垂直固定在底板8的中心；测量平台4固定在圆管支架7的顶部；测量平台4为圆形板，中心与圆管支架7的轴线重合；钣金罩9垂直固定在底板8的边沿，将底板8与测量平台4之间的空间封闭。电桥测量电路板3设置在底板8上；钣金罩9开设有插孔；插孔上固定有航空插头10；航空插头10一端与电桥测量电路板3连接，另一端与所有压力应变片14连接。
下面通过具体实施例来详细说明本申请提供的工程用全方位倾斜仪的结构特征和工作原理：
该工程用全方位倾斜仪包括：分度台1、36个角度变换器2及电桥测量电路板3。
角度变换器2由两个压力应变片14(方形，面积0.5MM)、固定垫片16、微调旋钮12、无缝玻璃导管6(长20CM，直径1CM，该玻璃导管6注满蒸馏水)构成。无缝玻璃导管6的两端各设置一个微调旋钮12，通过旋动两个微调旋钮来12调节倾斜角度以及垂直方向的高度，从而使角度变换器2对应的电桥测量电路的输出值为0。无缝玻璃导管6的两端分别由薄膜胶片13进行封装，压力应变片14贴在薄膜胶片13外侧，压力应变片14的连接线通过分度台1上的接线槽引出。无缝玻璃导管6的两端通过薄膜玻璃片15进行密封固紧处理。
分度台1由底板8、圆管支架7、钣金罩9、测量平台4、三个调平螺母11、调平气泡5组成；测量平台4呈圆形态，以10度为间隔均分为36等分，每隔10度设置一分度槽，用来安装角度变换器2，分别从正东方开始对角度变化器进行编号，编号依次从正东方1号一直到最后36号，方位角度测量范围360°，分辨率为10°。调平螺母11与调平气泡5相配合，用于进行分度台1整个系统调平。整个分度台1安装有36个角度变换器2，每个角度变换器2有两路A和B压力应变片14的应力电阻输出，对应一个电桥测量电路，因此，在电桥测量电路板3有36通道电桥测量电路，并对应36路相互隔离的前置信号放大器电路，通过航插与外部72个压力应变片14连接。
电桥测量电路板3共有36路独立的差动电桥电路并每一路分别配有低噪声前置信号放大器进行信号调理以及放大或衰减。
该工程用全方位倾斜仪的工作原理：
无缝玻璃导管6两端分为A面和B面，在整体结构中，A面朝外，B面朝内，压力应变片14分别表贴于A面与B面的薄膜胶片13的外侧。RA和RB分别为薄膜A面和薄膜B面的压力应变片14的电阻值，分别作为差动电桥的两臂，电桥的标准供电电压为VT，电桥输出为VA-VB。
同一角度变换器2的两端压力应变片14所对应的输出电阻的阻值分别为RA和RB，与R1和R2构成一差动式全桥测量电路(R1和R2均为万分之一精度金属电阻)，其中，参考电压为VREF。桥式电路输出为VOut＝VA-VB。
在初始状态下，当角度变换器处于水平态时：
VA＝VB＝V0，
FA＝FB＝F0＝K*RA＝K*RB,
此时Vout＝VA-VB＝0(其中，V0和F0分别为角度变换器2在水平态下，A和B两端分别对应的电桥电压输出以及应力输出)。
当角度变换器2处于倾斜状态时，假设倾斜角度为β(一般均以朝A端方向倾斜)。
此时，A端压力应变片14承受的水柱压力为：
FA＝ΔFA+F0＝ρ*g*Δh*sinβ*S+F0，FA＝K*RA(其中：K为该压力应变片14的压力与电阻值之间转换系数,ΔFA为A端所承受的压力变化增量，Δh为水柱高程)，
此时A端电桥输出电压：VA＝V0+ΔR/(RA+ΔR)*VREF，
此时B端电桥输出电压：VB＝V0-ΔR/(RB+ΔR)*VREF，
此时桥式电路输出为：ΔV＝VA-VB＝2*ΔR/(RA+ΔR)*VREF，
倾斜角度为：β＝arcsin(ΔV/(2*ρ*g*Δh*S*K))。(Δh为水柱高程单位变化量)
理论上玻璃导管6的倾斜角度可以监测0～90度。在实际监测过程中，高层建筑或者基坑等建筑倾斜角度大于30度时，已经能通过目测观察到很明显的倾斜，因此，在本方案中定义仪器的测量倾斜度范围0～30度。
本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了由分度台1、36个角度变换器2及电桥测量电路板3组成的工程用全方位倾斜仪；将36个角度变换器2水平设置在分度台1顶部的测量平台4上，且使每个角度变换器2沿测量平台4的中心径向分布，相邻角度变换器2之间的夹角为10°；分别从正东方开始对角度变化器进行编号，编号依次从正东方1号一直到最后36号，方位角度测量范围360°，分辨率为10°；角度变换器2包括：内部注满测量液体介质的玻璃导管6、两块薄膜胶片13及两块压力应变片14；玻璃导管6两端的开口分别通过薄膜胶片13密封；压力应变片14紧贴设置在薄膜胶片13上；电桥测量电路板3设置有36个差动电桥测量电路；差动电桥测量电路的测量通道与对应角度变换器2的两个压力应变片14连接，通过两个压力应变片14形成的差动电桥测量电路，可以直接获得电桥的输出；当每一个电桥测量电路的输出都为0时，表示测量平台4及每一个角度变换器2都位于水平位置；而当部分或全部的电桥测量电路的输出不为0时，表示测量平台4及每一个角度变换器2处于倾斜位置，其中，选取输出的数值最大的角度变换器的输出结果ΔV，再结合测量液体介质的密度ρ、重力加速度g、压力应变片14的面积S、压力应变片14压力与电阻值之间转换系数K及玻璃导管6内的水柱高程Δh，根据倾斜角度关系式：β＝arcsin(ΔV/(2*ρ*g*Δh*S*K))求取获得角度变换器2的倾斜角度β，该测量结果具有较高的测量精确度。这样，有效解决了现有技术中高层建筑倾斜测量设备的工作效率较低，量程小，和无法进行水平面方位定向的技术问题，实现了操作简便，工作效率高，能进行动态方位角测量，倾斜角度测量范围大的技术效果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种工程用全方位倾斜仪，其特征在于，所述工程用全方位倾斜仪包括：
分度台；
36个角度变换器，水平设置在所述分度台顶部的测量平台上；每个所述角度变换器沿所述测量平台的中心径向分布；相邻所述角度变换器之间的夹角为10°；所述角度变换器包括：内部注满测量液体介质的玻璃导管、两块薄膜胶片及两块压力应变片；所述玻璃导管两端的开口分别通过所述薄膜胶片密封；所述压力应变片紧贴设置在所述薄膜胶片上；
电桥测量电路板，设置有36个差动电桥测量电路；所述差动电桥测量电路的测量通道与对应所述角度变换器的两个所述压力应变片连接。
2.如权利要求1所述的工程用全方位倾斜仪，其特征在于，
所述分度台顶部的测量平台的顶面设置有36个与所述角度变换器对应的分度槽；
所述角度变换器的底部通过固定卡连接一固定垫片；所述角度变换器及所述固定垫片设置在所述分度槽内；
所述分度槽内对应所述固定垫片的两端分别设置有微调旋钮，拧动所述微调旋钮能调节所述角度变换器的竖直高度及水平度。
3.如权利要求2所述的工程用全方位倾斜仪，其特征在于，
所述角度变换器及所述固定垫片水平设置在所述分度槽内；
所述分度槽设置有接线槽；
所述压力应变片与所述电桥测量电路板的连接线设置在所述接线槽内。
4.如权利要求1所述的工程用全方位倾斜仪，其特征在于，所述角度变换器还包括：
两块薄膜玻璃片；所述薄膜玻璃片将所述压力应变片及所述薄膜胶片密封固定在所述玻璃导管的端部开口上。
5.如权利要求1所述的工程用全方位倾斜仪，其特征在于，
所述薄膜胶片的中心与所述玻璃导管的开口中心重合；
所述压力应变片固定在所述薄膜胶片的中心；
所述玻璃导管的长度为20cm，内径为1cm；
所述压力应变片设置成面积S为0.5mm的矩形；
所述测量液体介质为蒸馏水。
6.如权利要求1所述的工程用全方位倾斜仪，其特征在于，
所述分度台的底部设置有三个调平螺母；
所述测量平台的顶面设置有调平气泡；
其中，调节所述调平螺母使所述测量平台位于水平位置，此时所述调平气泡位于所述测量平台的中心。
7.如权利要求6所述的工程用全方位倾斜仪，其特征在于，
所述分度台包括：底板、圆管支架及钣金罩；
三个所述调平螺母设置在所述底板的底部；
所述圆管支架垂直固定在所述底板的中心；
所述测量平台固定在所述圆管支架的顶部；
所述测量平台为圆形板，中心与所述圆管支架的轴线重合；
所述钣金罩垂直固定在所述底板的边沿，将所述底板与所述测量平台之间的空间封闭。
8.如权利要求7所述的工程用全方位倾斜仪，其特征在于，
所述电桥测量电路板设置在所述底板上；
所述钣金罩开设有插孔；
所述插孔上固定有航空插头；
所述航空插头一端与所述电桥测量电路板连接，另一端与所有所述压力应变片连接。
9.如权利要求1所述的工程用全方位倾斜仪，其特征在于，
所述电桥测量电路板的每一个所述差动电桥测量电路的测量通道上都设置有前置信号放大器电路。
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