CN111829481B - 一种阵列式测斜仪及扭转角修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式测斜仪及扭转角修正方法，阵列式测斜仪包括依次级联的若干节测斜仪、等间距设置在阵列式测斜仪上的扶正器、处理器；其中，测斜仪包括测量杆、柔性连接器、三轴加速度传感器；相邻两节测斜仪之间通过柔性连接器连接；扶正器，用于在将所述阵列式测斜仪安装在测斜管中时，调整阵列式测斜仪在测斜管中的相对位置；三轴加速度传感器，用于采集其对应测斜仪的三轴加速度分量数据；处理器，用于接收三轴加速度分量数据并进行处理得到测斜仪的变形数据，通过扭转角修正算法对阵列式测斜仪的扭转角进行修正以保证姿态拟合的准确性。可以对扭转角进行测量及修正，提高阵列式测斜仪的测量精度及准确性，保证姿态拟合的准确性。

Description

一种阵列式测斜仪及扭转角修正方法

技术领域

本发明涉及岩土工程中对边坡深部变形监测技术领域，特别涉及一种阵列式测斜仪及扭转角修正方法。

背景技术

阵列式测斜仪利用内置传感器，结合适当的算法感知自身的空间姿态位置变化，适用于深度测斜、挠度监测、隧道收敛性等应用的监测，广泛应用于大坝、桥梁、道路、隧道、基坑、边坡等的连续变形监测，用于监测结构体在不同深度下的水平方向、竖直方向上的位移变化和桥梁、道路的挠度分析，以及隧道的收敛特性分析等，阵列式测斜仪中包括多节设备，采用级联的方式连接，分为多个测量单元。但是在实际生产中，受限于加工工艺等因素的影响，不可避免的会在节与节之间产生扭转，使得监测结果产生偏差，影响施工中信息的准确性。阵列式测斜仪在应用时，特别是设备长度比较长时，需要对扭转角进行修正，现有技术是在设备内部增加地磁传感器，但是由于磁力计存在易受外界磁场干扰、设备内部的电信号同样也会产生电磁干扰、需要定期校准等缺陷，为此本发明提出了一种阵列式测斜仪及对该阵列测斜仪在安装前进行扭转角测量并进行修正的方法。

发明内容

本发明旨在至少一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种阵列式测斜仪，可以对扭转角进行测量及修正，提高阵列式测斜仪的测量精度及准确性，保证姿态拟合的准确性。

本发明的第二个目的在于提出一种阵列式测斜仪的扭转角修正方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种阵列式测斜仪，包括依次级联的若干节测斜仪、等间距设置在所述阵列式测斜仪上的扶正器、处理器；其中，

所述测斜仪包括测量杆、柔性连接器、三轴加速度传感器；相邻两节测斜仪之间通过柔性连接器连接；

所述扶正器，用于在将所述阵列式测斜仪安装在测斜管中时，调整阵列式测斜仪在测斜管中的相对位置；

所述三轴加速度传感器，用于采集其对应测斜仪的三轴加速度分量数据；

所述处理器，用于接收所述三轴加速度分量数据并进行处理得到测斜仪的变形数据，通过扭转角修正算法对阵列式测斜仪的扭转角进行修正以保证姿态拟合的准确性。

根据本发明的一些实施例，所述扶正器套设在所述阵列式测斜仪上，包括圆环套设部和若干个凸起部；所述若干个凸起部沿所述圆环套设部的周向等间距设置。

根据本发明的一些实施例，所述三轴加速度分量数据包括：X轴分量accx、Y轴分量accy、Z轴分量accz。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种阵列式测斜仪的扭转角修正方法，应用于上述的阵列式测斜仪，包括：

S1、将阵列式测斜仪沿水平方向分成N个测斜分段，阵列式测斜仪的顶部设置在左侧，从左至右依次对所述测斜分段进行编号，编号由大到小，各个测斜分段的长度相等；

S2、通过测量夹具夹紧第N测斜分段和第N-1测斜分段的所对应的相邻两节的测斜仪时，将相邻两节的测斜仪中各自的三轴加速度传感器测得的三轴加速度分量数据作为第一组数据；

S3、在测得第一组数据后，测量夹具相对阵列式测斜仪移动一个测斜分段的长度，依次获取测量夹具夹紧相邻两节测斜仪时，相邻两节测斜仪中各自的三轴加速度传感器测得的三轴加速度分量数据，得到N-1组数据；

S4、根据N-1组数据，计算当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角，并对所述扭转角进行修正。

根据本发明的一些实施例，所述根据N-1组数据，计算当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角，并对所述扭转角进行修正，算法包括：

在第一组数据中，根据公式：

γ＝atan2(accy,accx)

依次求出第N测斜分段及第N-1测斜分段的中间角γ(n)、γ(n-1)；

则第N-1测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角：

β(n-1)＝|γ(n)-γ(n-1)|

同理，依次计算得到β(n-1)、β(n-2)、β(n-3)、β3、β2、β1的值，规定第N测斜分段的扭转角β(n)＝0；

当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角α为将当前测斜分段之前计算得到的扭转角进行累加；

根据公式对当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角α进行修正；

其中，

为在一次测量中一测斜分段的X轴分量accx和Y轴分量accy；M为预设修正矩阵；

为修正后的X轴分量accx和Y轴分量accy，α为当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的阵列式测斜仪的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的扶正器的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的测斜管的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的阵列式测斜仪的扭转角修正方法的流程图；

图5是根据本发明一个实施例的关于阵列式测斜仪建立的坐标系。

附图标记：

测量杆1、柔性连接器2、三轴加速度传感器3、测量夹具4、扶正器5、凸起部51、圆环套设部52、测斜管6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参考图1至图5来描述本发明实施例提出的一种阵列式测斜仪及扭转角修正方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种阵列式测斜仪，包括依次级联的若干节测斜仪、等间距设置在所述阵列式测斜仪上的扶正器5、处理器；其中，

所述测斜仪包括测量杆1、柔性连接器2、三轴加速度传感器3；相邻两节测斜仪之间通过柔性连接器2连接；

所述扶正器5，用于在将所述阵列式测斜仪安装在测斜管6中时，调整阵列式测斜仪在测斜管6中的相对位置；

所述三轴加速度传感器3，用于采集其对应测斜仪的三轴加速度分量数据；

所述处理器，用于接收所述三轴加速度分量数据并进行处理得到测斜仪的变形数据，通过扭转角修正算法对阵列式测斜仪的扭转角进行修正以保证姿态拟合的准确性。

上述技术方案的工作原理及有益效果：阵列式测斜仪包括依次级联的若干节测斜仪，每一节测斜仪可以看成是一个测斜分段，阵列式测斜仪可以看成是若干个测斜分段，一方面能够提高阵列式测斜仪的韧性，避免大的局部变形损坏节点；另一方面，分成多个测斜分段，能够更精准的定位变形发生的位置，有利于拟合变形形状，提高阵列式测斜仪整体的测量精度；扶正器5，用于在将所述阵列式测斜仪安装在测斜管6中时，调整阵列式测斜仪在测斜管6中的相对位置；便于将阵列式测斜仪垂直安装在测斜管6中。处理器接收所述三轴加速度分量数据并进行处理得到测斜仪的变形数据，通过扭转角修正算法对阵列式测斜仪的扭转角进行修正，可以对扭转角进行测量及修正，提高阵列式测斜仪的测量精度及准确性，保证姿态拟合的准确性。

如图2-3所示，根据本发明的一些实施例，所述扶正器5套设在所述阵列式测斜仪上，包括圆环套设部52和若干个凸起部51；所述若干个凸起部51沿所述圆环套设部52的周向等间距设置。

上述技术方案的工作原理及有益效果：扶正器5通过圆环套设部52套设在阵列式测斜仪上，在将阵列式测斜仪安装在测斜管6中时，凸起部51设置在测斜管6的凹槽中，起到导向的作用，便于安装，安装精度高，测斜管6的常用规格为70mm。

根据本发明的一些实施例，所述三轴加速度分量数据包括：X轴分量accx、Y轴分量accy、Z轴分量accz。

图4是根据本发明一个实施例的阵列式测斜仪的扭转角修正方法的流程图；如图4所示，本发明第二方面实施例提出了一种阵列式测斜仪的扭转角修正方法，应用于上述的阵列式测斜仪，包括：

S1、将阵列式测斜仪沿水平方向分成N个测斜分段，阵列式测斜仪的顶部设置在左侧，从左至右依次对所述测斜分段进行编号，编号由大到小，各个测斜分段的长度相等；

S2、通过测量夹具4夹紧第N测斜分段和第N-1测斜分段的所对应的相邻两节的测斜仪时，将相邻两节的测斜仪中各自的三轴加速度传感器3测得的三轴加速度分量数据作为第一组数据；

S3、在测得第一组数据后，测量夹具4相对阵列式测斜仪移动一个测斜分段的长度，依次获取测量夹具4夹紧相邻两节测斜仪时，相邻两节测斜仪中各自的三轴加速度传感器3测得的三轴加速度分量数据，得到N-1组数据；

S4、根据N-1组数据，计算当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角，并对所述扭转角进行修正。

上述技术方案的工作原理及有益效果：测量夹具4用于夹紧相邻两节的测斜仪，将从阵列式测斜仪顶部至底部，对测斜分段依次进行标号N,N-1,N-2…1，记录两测斜分段中各自的三轴加速度传感器3测得的三轴加速度分量数据作为一组数据。示例的，阵列式测斜仪中包括7个级联的测斜仪，即7个测斜分段，将第7测斜分段及第6测斜分段中各自的三轴加速度传感器3测得的三轴加速度分量数据作为第一组数据；在测得第一组数据后，测量夹具4相对阵列式测斜仪移动一个测斜分段的长度，即测量夹具4夹取第6测斜分段及第5测斜分段，记录第6测斜分段及第5测斜分段中各自的三轴加速度传感器3测得的三轴加速度分量数据作为第二组数据，同理的，依次测得如表1所示的6组数据。根据6组数据，计算当前测斜分段相对于第7测斜分段的扭转角，并对所述扭转角进行修正。

修正算法如下：

示例的，在第一组数据中，根据公式γ＝atan2(accy,accx)依次求出第N测斜分段及第N-1测斜分段的中间角γ(n)、γ(n-1)；

则第N-1测斜分段相对于第N测斜分段的相对扭转角：

β(n-1)＝|γ(n)-γ(n-1)|

依次计算得到β(n-1)、β(n-2)、β(n-3)、β3、β2、β1的值，规定第N测斜分段的相对扭转角β(n)＝0。

将各测斜仪的相对扭转角相加，得到最终的扭转角。

例如，

α(n)＝β(n)；

α(n-1)＝β(n)+β(n-1)；

α(n-2)＝β(n)+β(n-1)+β(n-2)；

α2＝β(n)+β(n-1)+β(n-2)+…+β2；

α1＝β(n)+β(n-1)+β(n-2)+…+β2+β1；

α(n)、α(n-1)、α(n-2)…α2、α1即当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角，这样测量出的扭转角准确度高。

对扭转角进行修正，算法如下：

阵列式测斜仪用于竖直测量，各测斜分段间的扭转不影响Z轴的数据，故对X轴分量accx和Y轴的分量accy进行修正。

根据公式：

其中，

为某测斜分段在一次测量中所得X轴分量accx和Y轴分量accy；M为预设修正矩阵；

为修正后的X轴分量accx和Y轴分量accy，α为当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角；可以对各个测斜分段间的扭转角进行测量及修正，提高了测斜仪的测量精度及准确性。

表1

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种阵列式测斜仪的扭转角修正方法，所述阵列式测斜仪包括依次级联的若干节测斜仪、等间距设置在所述阵列式测斜仪上的扶正器、处理器；其中，所述测斜仪包括测量杆、柔性连接器、三轴加速度传感器；相邻两节测斜仪之间通过柔性连接器连接；所述扶正器，用于在将所述阵列式测斜仪安装在测斜管中时，调整阵列式测斜仪在测斜管中的相对位置；所述三轴加速度传感器，用于采集其对应测斜仪的三轴加速度分量数据；所述处理器，用于接收所述三轴加速度分量数据并进行处理得到测斜仪的变形数据，通过扭转角修正算法对阵列式测斜仪的扭转角进行修正以保证姿态拟合的准确性；所述三轴加速度分量数据包括：X轴分量accx、Y轴分量accy、Z轴分量accz；其特征在于，包括：

S1、将阵列式测斜仪沿水平方向分成N个测斜分段，阵列式测斜仪的顶部设置在左侧，从左至右依次对所述测斜分段进行编号，编号由大到小，各个测斜分段的长度相等；

S2、通过测量夹具夹紧第N测斜分段和第N-1测斜分段的所对应的相邻两节的测斜仪时，将相邻两节的测斜仪中各自的三轴加速度传感器测得的三轴加速度分量数据作为第一组数据；

S3、在测得第一组数据后，测量夹具相对阵列式测斜仪移动一个测斜分段的长度，依次获取测量夹具夹紧相邻两节测斜仪时，相邻两节测斜仪中各自的三轴加速度传感器测得的三轴加速度分量数据，得到N-1组数据；

S4、根据N-1组数据，计算当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角，并对所述扭转角进行修正。

2.如权利要求1所述的阵列式测斜仪的扭转角修正方法，其特征在于，所述根据N-1组数据，计算当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角，并对所述扭转角进行修正，算法包括：

在第一组数据中，根据公式：

γ＝atan2(accy,accx)

依次求出第N测斜分段及第N-1测斜分段的中间角γ(n)、γ(n-1)；

则第N-1测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角：

β(n-1)＝|γ(n)-γ(n-1)|

同理，依次计算得到β(n-1)、β(n-2)、β(n-3)、、、β3、β2、β1的值，规定第N测斜分段的扭转角β(n)＝0；

当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角α为将当前测斜分段之前计算得到的扭转角进行累加；

根据公式对当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角α进行修正；

其中，

为在一次测量中一测斜分段的X轴分量accx和Y轴分量accy；M为预设修正矩阵；

为修正后的X轴分量accx和Y轴分量accy，α为当前测斜分段相对于第N测斜分段的扭转角。

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