CN112902920B - 一种倾斜度测量仪及倾斜度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倾斜度测量仪及倾斜度测量方法，所述倾斜度测量仪包括：传感换能单元，固定在待测物待测面上，用于检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将所述倾斜度变化量转换为电压变化信号；调制放大单元用于对所述电压变化信号进行整流滤波处理，并进行调制放大，形成电压模拟信号；模数转换单元用于将所述电压模拟信号转换为数字信号；数据处理单元用于将所述数字信号转换为倾斜度角度数值并存贮记录；数据显示单元显示出所述倾斜度角度数值。通过各单元的配合可实现自动实时监控待测物待测面的倾斜度，免除大量人工和数据处理的工作量，可以更快捷地为待测物待测面的垂直度控制提供反馈信息。

Description

一种倾斜度测量仪及倾斜度测量方法

技术领域

本发明涉及倾斜度测量领域，特别是涉及一种倾斜度测量仪及倾斜度测量方法。

背景技术

在工程建设中，高耸构筑物(譬如，大跨度桥梁的高桥墩)垂直度的控制对于确保工程建筑的整体稳定性至关重要。另外，为确保构筑外形符合设计要求，在施工过程中也需要对构筑物外表面的倾斜角度进行监控测量。目前，在桥墩施工过程中普遍采用全站仪测量方法控制高桥墩的倾斜度，而全站仪的使用步骤复杂，使用过程中需要给仪器打伞，并带上遮阳罩，以避免影响观测精度，在杂乱环境下测量时，仪器要有专人守护，当仪器架设在光滑的表面时，需要用细绳(或细铅丝)将三脚架三个脚联起来，以防滑倒，日常还需要对光学元件进行清理，而且使用全站仪进行角度测量需要顺次对准相应的两个目标进行测量，测量不同位置的角度时需要随时移动全站仪，测量过程中还时刻需要有人工操作，在场地条件复杂、桥墩高度普遍偏高的工况下，用全站仪测量桥墩倾斜度费工费时，难以满足实时监控、指导施工的需求。简便、快捷的倾斜测量和实时监控对于高桥墩施工质量控制非常必要，也非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种倾斜度测量仪及倾斜度测量方法，可自动实时监控待测物体待测面的倾斜度，免除大量人工和数据处理的工作量，可以更快捷地为待测物体待测面的垂直度控制提供反馈信息。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种倾斜度测量仪，所述倾斜度测量仪包括：

传感换能单元，固定在待测物待测面上，用于检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将所述倾斜度变化量转换为电压变化信号；

调制放大单元，与所述传感换能单元连接，用于对所述电压变化信号进行整流滤波处理，并进行调制放大，形成电压模拟信号；

模数转换单元，与所述调制放大单元连接，用于将所述电压模拟信号转换为数字信号；

数据处理单元，与所述模数转换单元连接，用于将所述数字信号转换为倾斜度角度数值；

数据显示单元，与所述数据处理单元连接，用于显示所述倾斜度角度数值；

供电单元，分别与所述传感换能单元、所述调制放大单元、所述模数转换单元、所述数据处理单元以及所述数据显示单元连接，用于分别为所述传感换能单元、所述调制放大单元、所述模数转换单元、所述数据处理单元以及所述数据显示单元供电。

可选地，所述传感换能单元包括：

差动式电容传感器，用于检测待测物待测面的倾斜度变化量；

检测电路，分别与所述差动式电容传感器以及所述调制放大单元连接，用于为所述差动式电容传感器提供正弦波载频信号，并检测获得因所述倾斜度变化量产生的电压变化信号，并将所述电压变化信号发送至所述调制放大单元。

可选地，所述差动式电容传感器包括：

支架，固定在待测物待测面上；所述支架为矩形框架；

第一定极板，固定在所述支架与待测物接触的内侧壁上；

第二定极板，固定在所述支架另一个内侧壁上；所述第一定极板与所述第二定极板平行设置；

动极板，与所述支架的顶部连接，且设置在所述第一定极板与所述第二定极板之间；

当所述第一定极板和所述第二定极板随所述支架处在铅直状态时，所述动极板到所述第一定极板之间的距离与所述动极板到所述第二定极板之间的距离相等；当所述第一定极板和所述第二定极板随所述支架发生倾斜时，所述动极板到所述第一定极板及所述第二定极板之间的距离发生变化；

所述检测电路分别与所述第一定极板、所述第二定极板及所述动极板连接，所述检测电路通过所述第一定极板和所述第二定极板为所述差动式电容传感器提供正弦波载频信号，并通过所述动极板与所述第一定极板以及所述第二定极板检测因所述倾斜度变化量产生的电压变化信号。

可选地，所述差动式电容传感器还包括：

簧片，为柔性导体薄片，所述簧片的上端固定在所述支架内的顶部，所述动极板与所述簧片下端相连，悬挂在所述支架内的顶部。

可选地，所述数据处理单元还用于存贮记录所述倾斜度角度数值。

可选地，所述数据处理单元为STM32MCU芯片。

可选地，所述倾斜度测量仪还包括：

数据传输单元，与所述数据处理单元连接，用于将所述倾斜度角度数值发送至终端设备；所述供电单元还与所述数据传输单元连接，所述供电单元还用于为所述数据传输单元供电。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种倾斜度测量方法，所述倾斜度测量方法包括：

当待测物发生偏转倾斜时，传感换能单元检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将所述倾斜度变化量转换为电压变化信号；

调制放大单元对所述电压变化信号进行整流滤波处理，并进行调制放大，形成电压模拟信号；

模数转换单元将所述电压模拟信号转换为数字信号；

数据处理单元将所述数字信号转换为倾斜度角度数值并存贮记录；

通过数据显示单元显示出所述倾斜度角度数值。

可选地，所述倾斜度测量方法还包括：

通过数据传输单元将所述倾斜度角度数值发送至终端设备。

可选地，所述“当待测物发生偏转倾斜时，传感换能单元检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将所述倾斜度变化量转换为电压变化信号”，具体包括：

传感换能单元包括差动式电容传感器以及检测电路；通过检测电路为差动式电容传感器提供正弦波载频信号；

当待测物待测面发生偏转倾斜时，差动式电容传感器的动极板到两个定极板之间的距离发生变化，导致差动式电容传感器的电容量发生变化；

检测电路检测获取差动式电容传感器因所述电容量变化产生的电压变化信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所提供的倾斜度测量仪及倾斜度测量方法通过传感换能单元检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将所述倾斜度变化量转换为电压变化信号；调制放大单元对所述电压变化信号进行整流滤波处理，并进行调制放大，形成电压模拟信号；模数转换单元将所述电压模拟信号转换为数字信号；数据处理单元将所述数字信号转换为倾斜度角度数值并存贮记录；数据显示单元显示出所述倾斜度角度数值。通过各单元的配合可自动实时监控待测物待测面的倾斜度，免除大量人工和数据处理的工作量，可以更快捷地为待测物待测面的垂直度控制提供反馈信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案和具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他类似的图件。

图1为本发明倾斜度测量仪的模块结构示意图；

图2为传感换能单元的结构示意图；

图3为差动式电容传感器组成部件位置关系图；

图4为平行极板电容器的工作原理图；

图5(a)为差动式电容传感器支架直立时的示意图；

图5(b)为差动式电容传感器支架倾斜时的示意图；

图6为本发明倾斜度测量仪安装面的倾斜度测量示意图；

图7为本发明垂直于倾斜度测量仪安装面的倾斜度测量示意图；

图8为实施例桥墩墩段监控测量局部坐标系和测点布置示意图。

符号说明：

1-传感换能单元，10-差动式电容传感器，101-支架，102-第一定极板，103-第二定极板，104-动极板，105-簧片，11-检测电路，2-调制放大单元，3-模数转换单元，4-数据处理单元，5-数据显示单元，6-数据传输单元，7-供电单元，8-终端设备，a-极板，b极板，c-电力线，S-极板面积，d-极板间距，α-角度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域一般技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种倾斜度测量仪及倾斜度测量方法，通过传感换能单元检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将所述倾斜度变化量转换为电压变化信号；调制放大单元对所述电压变化信号进行整流滤波处理，并进行调制放大，形成电压模拟信号；模数转换单元将所述电压模拟信号转换为数字信号；数据处理单元将所述数字信号转换为倾斜度角度数值并存贮记录；数据显示单元显示出所述倾斜度角度数值。通过各单元的配合可自动实时监控待测物待测面的倾斜度，免除大量人工和数据处理的工作量，可以更快捷地为待测物待测面的垂直度控制提供反馈信息。

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明倾斜度测量仪包括：传感换能单元1、调制放大单元2、模数转换单元3、数据处理单元4、数据显示单元5、数据传输单元6和供电单元7。

具体地，所述传感换能单元1固定在待测物待测面上，所述传感换能单元1用于检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将所述倾斜度变化量转换为电压变化信号。

所述调制放大单元2与所述传感换能单元1连接，所述调制放大单元2用于对所述电压变化信号进行整流滤波处理，并进行调制放大，形成电压模拟信号。

所述模数转换单元3与所述调制放大单元2连接，所述模数转换单元3用于将所述电压模拟信号转换为数字信号。

所述数据处理单元4与所述模数转换单元3连接，所述数据处理单元4用于将所述数字信号转换为倾斜度角度数值。具体地，所述数据处理单元还用于存贮记录所述倾斜度角度数值。在本实施例中，所述数据处理单元4为STM32MCU芯片。

所述数据显示单元5与所述数据处理单元4连接，所述数据显示单元5用于显示所述倾斜度角度数值。

所述供电单元7分别与所述传感换能单元1、所述调制放大单元2、所述模数转换单元3、所述数据处理单元4以及所述数据显示单元5连接，所述供电单元7用于分别为所述传感换能单元1、所述调制放大单元2、所述模数转换单元3、所述数据处理单元4以及所述数据显示单元5供电。

进一步地，本发明倾斜度测量仪还包括数据传输单元6。具体地，所述数据传输单元6与所述数据处理单元4连接，所述数据传输单元6用于将所述倾斜度角度数值发送至终端设备8；所述供电单元7还与所述数据传输单元6连接，所述供电单元7还用于为所述数据传输单元6供电。

进一步地，如图2和图3所示，所述传感换能单元1包括差动式电容传感器10以及检测电路11。

其中，所述差动式电容传感器10用于检测待测物待测面的倾斜度变化量。

所述检测电路11分别与所述差动式电容传感器10以及所述调制放大单元2连接，所述检测电路11用于为所述差动式电容传感器10提供正弦波载频信号，并检测获得因所述倾斜度变化量产生的电压变化信号，并将所述电压变化信号发送至所述调制放大单元2。

具体地，所述差动式电容传感器10包括：支架101、第一定极板102、第二定极板103以及动极板104。

其中，所述支架101为矩形框架，固定在待测物待测面的表面；

所述第一定极板102固定在所述支架101与待测物接触一侧的内侧壁上；

所述第二定极板103固定在所述支架101的另一个内侧壁上；所述第一定极板102与所述第二定极板103平行设置；

所述动极板104与所述支架101的顶部连接，且所述动极板104设置在所述第一定极板102与所述第二定极板103之间；

当所述第一定极板102和所述第二定极板103随所述支架101处在铅直状态时，所述动极板104到所述第一定极板102之间的距离与所述动极板104到所述第二定极板103之间的距离相等；当所述第一定极板102和所述第二定极板103随所述支架101发生倾斜时，所述动极板104到所述第一定极板102及所述第二定极板103之间的距离发生变化；

所述检测电路11分别与所述第一定极板102、所述第二定极板103及所述动极板104连接，所述检测电路11通过所述第一定极板102和所述第二定极板103为所述差动式电容传感器提供正弦波载频信号，并通过所述动极板104与所述第一定极板102以及所述第二定极板103检测因所述倾斜度变化量产生的电压变化信号。

进一步地，所述差动式电容传感器10还包括簧片105。所述簧片105为柔性导体薄片，所述簧片105的上端固定在所述支架101内的顶部，所述动极板104与所述簧片105下端相连，悬挂在所述支架101内的顶部。所述动极板104可以自由摆动，从而动极板104不随支架101的倾斜而偏离铅直状态。

更进一步地，所述倾斜度测量仪还包括数据传输单元6。所述数据传输单元6与所述数据处理单元4连接，所述数据传输单元6用于将所述倾斜度角度数值发送至终端设备8；所述供电单元7还与所述数据传输单元6连接，所述供电单元7还用于为所述数据传输单元6供电。

此外，本发明还提供一种倾斜度测量方法，所述倾斜度测量方法包括：

当待测物发生偏转倾斜时，传感换能单元1检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将倾斜度变化量转换为电压变化信号；

调制放大单元2对所述电压变化信号进行整流滤波处理，并进行调制放大，形成电压模拟信号；

模数转换单元3将所述电压模拟信号转换为数字信号；

数据处理单元4将所述数字信号转换为倾斜度角度数值并存贮记录；

通过数据显示单元5显示出所述倾斜度角度数值。

进一步地，所述倾斜度测量方法还包括：

通过数据传输单元6将所述倾斜度角度数值发送给终端设备8。

更进一步地，所述“当待测物发生偏转倾斜时，传感换能单元1检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将倾斜度变化量转换为电压变化信号”，具体包括：

传感换能单元1包括差动式电容传感器10以及检测电路11；通过检测电路11为差动式电容传感器10提供正弦波载频信号；

当待测物待测面发生偏转倾斜时，差动式电容传感器10的动极板104到两个定极板之间的距离发生变化，导致差动式电容传感器10的电容量发生变化；

检测电路11检测获取差动式电容传感器10因所述电容量变化产生的电压变化信号。

以下为本发明倾斜度测量仪的测量传感原理：

(1)平行极板电容器的工作原理

本发明倾斜度测量仪采用电容式传感器作为传感元件，将待测构筑物的倾斜变化转换为电容量的变化。平行极板电容器的测量传感原理如图4所示。

忽略电容器边缘效应，图4所示平行极板电容器的电容量C按下式计算：

其中，S为电容器极板面积；d为极板间距；ε为极板间电介质的介电常数，ε＝ε₀ε_r，其中ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数。工程中，如果待测物理量的变化能够引起电容器的S、d、ε三个参量中任何一个发生变化，就可以利用传感器电容量变化导致的电压信号变化实现对待测物理量的量测。

(2)差动式电容传感器的传感原理

如图5(a)和图5(b)所示，本发明倾斜度测量仪采用可改变极距d的差动式电容传感器。在图4所示的两个平行极板之间增加一个可以移动的平行极板，将原来的极板间距d分割为两个可变的极板间距d₁、d₂，倾斜度测量仪的倾斜状态变化驱动可移动极板，改变极板之间的间距d₁、d₂，从而引起与倾斜状态变化相关联的电容量变化。

如图5(a)和图5(b)所示，差动式电容器的第一定极板102和第二定极板103固定在支架101的侧壁上，动极板104通过柔性簧片105与支架101相连。如图5(a)所示，当第一定极板102和第二定极板103随支架101处在直立状态(固定极板与水平面的夹角为90°)时，动极板104恰好位于两个定极板正中间，此时，动极板104到第一定极板102和第二定极板103的距离相等，即d₁＝d₂＝d₀。与两个极板间距d₀对应的电容值C₀为：

如图5(b)所示，当支架101发生倾斜时，差动式电容传感器支架101的倾斜度变化Δα(逆时针变化为正，顺时针变化为负)，第一定极板102和第二定极板103也随支架101同步倾斜，由于动极板104与支架101内顶部之间由柔性簧片105连接，所以动极板104不随支架101倾斜，而是保持原来的铅垂状态。这样，就导致动极板104与第一定极板102之间的距离减小了Δd，动极板104与第二定极板103之间的距离增加了Δd，即，d₁＝d₀-Δd，d₂＝d₀+Δd。上述传感器支架101的倾斜以及电容器极板间距的变化，建立了传感器倾斜度变化Δα与传感器电容极板间距变化Δd的一一对应关系Δα～Δd。将d₁、d₂分别代入式(1)替换式中的d，并考虑式(2)，可得：

当(Δd/d₀)<<1时，式(3)和式(4)可展开为如下的级数形式：

式(3′)-式(4′)得：

令ΔC＝C₁-C₂，并略去对电容变化贡献微小的高次项(高阶无穷小量)，可得：

由式(6)可见，差动式电容传感器电容变化量ΔC与动极板位移量Δd之间的关系可以看作是线性关系，由此带来的误差，即略去(Δd/d₀)³及其以上的高次项对电容变化量ΔC带来的误差，非常小；另外，还可以看出，双极距电容传感器对于极板间距变化Δd的灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。

图5(a)、图5(b)和式(6)说明了差动式电容传感器电容变化反映支架倾斜变化的传感原理。当传感器(支架101)发生偏转倾斜时，动极板104与第一定极板102及第二定极板103的相对位置(极板间距)就会发生变化，位置变化量Δd引起电容量ΔC的变化。由电容C、电压U以及电容器极板所带电量Q之间的关系(U＝Q/C)可知，电容C的变化ΔC会引起电路中电压U的变化ΔU，这样，通过式(6)，就可以建立起电容器输出电压变化量ΔU与电容器极板间距变化量Δd之间的关系ΔU～Δd，进而利用传感器倾斜度变化Δα与传感器电容极板间距变化Δd的一一对应关系Δα～Δd建立起电容器输出电压变化量ΔU与电容器支架倾斜度变化量Δα之间的关系ΔU～Δα。根据电路中电压的变化与传感器倾斜角度变化的对应关系ΔU～Δα，即可对物体(表面)的倾斜度α进行量测。这就是本发明倾斜度测量仪采用差动式电容传感器测量倾斜角度的物理基础。

本发明倾斜度仪的工作原理如下：

本发明所公开的倾斜度测量仪采用了差动式电容传感的方式，仪器整体尺寸较小，集成了传感换能、调制放大、模数转换、数据处理、数据显示、数据传输和供电等模块，可实时采集、实施处理、实时显示所测定的倾斜角度数值。倾斜度测量仪采用低功耗设计，内置锂电池供电，在摄氏温度-10～45℃的干燥环境中，可以保证仪器持续工作15个小时以上。

传感换能单元1配置了两个感应两个正交方向倾斜度变化的差动式电容传感器10，将倾斜度测量仪安装面以及与安装面正交的平面的倾斜度变化(Δα，Δβ)分别转换为电压变化信号ΔU_X、ΔU_Y；调制放大单元2接收传感换能单元1输出的电压变化信号，经整流滤波、调制放大后形成电压模拟信号；模数转换单元3将调制放大单元2输出的电压模拟信号转换为数字信号；数据处理单元4采用单片机将上述数字信号转换为倾斜度角度数值(ΔU_X→α，ΔU_Y→β)，并存贮记录；数据显示单元5把数据处理单元4得到的倾斜度角度数值显示出来，供用户查看；数据传输单元6把数据处理单元4得到的倾斜角度数值发送给其他终端设备；供电单元7为倾斜度测量仪各个功能模块供电。

本发明倾斜度测量仪的核心构件是将待测物待测面的倾斜变化转换为电压变化信号的差动式电容传感器。如图5(a)和图5(b)所示，差动式电容传感器10主要由两个定极板102、103和夹在其中的一个动极板104构成。在第一定极板102和第二定极板103上加上一个32.768kHz的载频电压信号(频率为32768Hz的正弦波载频信号)，当动极板104位置变化时，第一定极板102、第二定极板103与动极板104之间就会产生反映电容量变化的32.768kHz调幅电压波动信号(含有32768Hz高频载波的电压波动信号)，经过整流滤波，便可得到与倾斜角度变化成比例变化的电压模拟信号。

本发明倾斜度测量仪的结构及电路设计如下：

如图3所示，本发明所提供的倾斜度测量仪的核心单元是传感换能单元1，其中关键构件是图2所示的差动式电容传感器10，包括两个定极板102、103和一个动极板104。

本发明所提供的倾斜度测量仪电路采用STM32嵌入式设计，含24位A/D模数转换、STM32MCU处理、LCD显示屏幕控制等模块。由传感换能单元1检测获取、通过调制放大单元2调制放大的电压模拟信号经24位A/D模数转换成为数字信号后，进入嵌入式MCU进行处理，最后在LCD显示屏上显示倾斜度数值。

本发明倾斜度测量仪的功能特点和技术指标：

(1)仪器标定

如图5(a)和图5(b)所示，当倾斜度测量仪(支架101)发生倾斜偏转(偏离垂直于水平面的直立姿态)时，动极板104位置就会发生变化，动极板104位置的变化导致极板间距变化，从而引起电容量的变化。如图3所示，差动式电容传感器10将所感知的电容变化量ΔC转换为电压变化量ΔU，并输出给检测电路11。

由式(1)可知，电容量C与极板间距d呈反比关系；由电容C与电量Q、电压U的关系(C＝Q/U)可知，电容C与电压U也呈反比关系。根据以上两方面的关系可以推出，电容器两端电压U与电容极板间距d呈正比关系，因此，电容传感器两端的电压变化量ΔU与极板间距变化量Δd也呈正比。另外，电容极板间距变化量Δd与倾斜度测量仪(支架)的倾斜偏转(偏转角Δα)直接相关，偏转角Δα越大，极板间距的变化量Δd越大，由此可以推出，电压变化量ΔU与偏转角Δα也呈正比关系。令电压变化量ΔU与偏转角Δα之间的比例系数为k，则有：

ΔU＝k·Δα (7)

设式(7)中的偏转角Δα由下式计算：

Δα＝α-α₀ (8)

其中，α₀为倾斜度测量仪所测量的平面(被测平面)处于铅直状态时的基准角，即，α₀＝90°；α为被测平面的倾角(倾斜度)。当α>90°时，Δα>0；当α<90°时，Δα<0。基准角α₀、倾角(倾斜度)α以及偏转角之间的关系如图6和图7所示。

通过标定(校准)实验，确定系数k，即可将电容器两端的电压变化量换算为倾斜度测量仪(支架)的偏转角度，从而实现倾斜度测量的目的。由于各个倾斜度测量仪成品所使用的元器件存在个体差异，因此每个倾斜度测量仪都需要做单独的标定(校准)。

标定实验的具体方法如下：

将被标定的倾斜度测量仪安装在倾斜台上，确定倾斜度测量仪(支架)的铅垂姿态，此时倾斜度测量仪的定极板位于铅垂面内，定极板与水平面的夹角(倾斜度)α＝α₀＝90°，如图5(a)所示。设α₀＝90°为倾斜度测量仪倾斜度测量值的基准值。如图5(b)所示，倾斜度测量仪支架向左偏转(逆时针旋转)，偏转角记为正(+Δα)，对应的倾斜度为α＝α₀+Δα；倾斜仪支架向右偏转(顺时针旋转)，偏转角记为负(-Δα)，对应的倾斜度为α＝α₀-Δα。考虑到倾斜度测量仪倾斜过大会导致动极片显著偏离与定极板的平行状态，从而给电压U与倾角α之间的关系带来不可接受的非线性误差，因此，限定倾斜度测量仪的偏转角Δα≤10°，即，限定倾斜度测量仪倾斜度α的测量值范围为80°～100°。

待标定的倾斜度测量仪在倾斜台上的铅垂姿态确定好之后，测量倾斜度基准状态(α₀＝90°)对应的电容器输出电压值U₀。然后，按0.5°的角度间隔改变倾斜台的倾角，分别标定向左倾斜和向右倾斜的各个倾斜度采样值α对应的输出电压值U_α。左倾斜的倾斜度范围为α∈[80°，90°)，对应的输出电压值范围为U_α∈[U₈₀，U₉₀)；右倾斜的倾斜度范围为α∈(90°，100°]，对应的输出电压值范围为U_α∈(U₉₀，U₁₀₀]。补上倾斜度的基准状态(α₀，U₀)＝(90°，U₉₀)，就构成了以0.5°为间隔的标定数据序列：{(α，U_α)|α∈[80°，100°]，U_α∈[U₈₀，U₁₀₀]；且α＝90°±0.5n，n＝0，1，2，…，20}。

通过标定实验，获得标定数据序列{(α，U_α)|α∈[80°，100°]，U_α∈[U₈₀，U₁₀₀]；且α＝90°±0.5n，n＝0，1，2，…，20}的实验值，按式(7)对这些实验数据进行统计回归分析，即可获得比例系数k。利用比例系数k编写数据处理程序，由数据处理单元4对经模数转换单元3得到的测量数据进行分析处理，即可获得传感换能单元1感知到的被测面的倾斜度，并向数据显示电路发出指令，即可使数据显示单元5显示出α∈[80°，100°]区间内的倾斜度值。

(2)仪器的功能特点

倾斜度角度测量结果显示直观、分辨率较高，尺寸小巧，内置锂电池，功耗低，在测点上的固定安装简便，自带绿色激光源(能够发射有效距离10m的激光作为测点布置的目测参考)。

在高桥墩施工中，对矩形横截面桥墩的四个侧面进行倾斜度测量，能够快速、准确地测量桥墩的倾斜(垂直度)，并将桥墩侧面的倾斜角度显示在仪器的液晶屏上。仪器设计还预留了蓝牙接口，可进一步增加蓝牙数据传输功能，将测量结果传输给手机APP等其他终端设备。

(3)仪器技术指标

本发明所提供的倾斜度测量仪的技术指标列于表1中。

表中所述的“测量角度分量”——“相互正交的两个铅垂平面的倾斜度，即，倾斜面与水平面的夹角α”的具体含义如图6和图7所示。请注意，图中所示的“仪器安装面”与仪器的背面贴合连接，这样，倾斜度测量仪即可按图示的方式测定出受测平面的倾斜度α。

表1倾斜度测量仪技术指标一览表

本发明所提供的倾斜度测量仪的具体实施效果：

依托西南山区某高速公路大跨度高桥墩工程，将所研发的4台倾斜度测量仪试验样机安装在高桥墩混凝土浇筑支护模板上，对混凝土浇筑过程中矩形横截面桥墩4个侧面的倾斜变化进行测量，并采用传统的全站仪测量方法进行对比测量。

为控制高桥墩的垂直度(倾斜度)和墩形，在高桥墩的不同高度上设置了一系列测控段，通过监控测量随时为工程施工反馈桥墩测控段不同侧面的实际坐标、倾斜度与设计坐标、倾斜度的偏差信息，以便在施工过程中采取动态调整，从而保证高桥墩的垂直度和墩形满足工程设计要求。现以依托工程右幅2-2桥墩施工过程中62.0～66.5m高度段墩形监控测量为例，对比传统的全站仪和本发明的倾斜度测量仪对同一高度段墩形外表面的倾斜度测量，说明本发明的倾斜度测量仪相对于传统测量技术的优点。

(1)测控墩段局部观测坐标系及观测点布置

为保证工程施工的墩形满足设计要求，在施工过程中布置了对桥墩各个侧面控制点位置和倾斜度(倾角)的实时监控测量，图8所示为墩形监控测量墩段的局部坐标系和测点布置示意图。实时监控测量局部坐标系(X，Y，Z)为右手系，其中，坐标平面X-Y为水平面，Z轴与铅垂方向一致，指向上；Y轴与大桥轴线方向平行(纵向)，指向公路里程增加的方向；X轴垂直于大桥轴线方向(横向)，指向右。

示例桥墩段横截面为矩形，在高度为62.0～66.5m的墩段上，设计要求墩段的四个侧面为直立面(倾角α＝90°)，墩段横截面矩形在大桥轴线方向(纵向，Y轴方向)的设计边长为4m，垂直于大桥轴线方向(横向，X轴方向)的设计边长为6.5m。如图8所示，在墩段混凝土浇筑模板的各个角点和各个侧面上下边的中点布设了全站仪监控测量点，在四个侧面的中心点上安装了倾斜度测量仪，实时监测四个侧面的倾斜角度。

(2)测控墩段测点坐标及墩段侧面倾斜度设计值

示例测控墩段全站仪监控测量点的坐标设计值以及各个侧面倾斜度设计值列于表2中。

表2依托工程大桥右幅2-2桥墩62.0～66.5m高度段监控测量点坐标和侧面倾斜度设计要求

表2依托工程大桥右幅2-2桥墩62.0～66.5m高度段监控测量点坐标和侧面倾斜度设计要求(续表)

(3)全站仪和倾斜度测量仪监控测量的比较

针对测控墩段四个侧面倾斜度的监控测量，全站仪测量各个侧边倾斜度的方法如下：

测量每个侧面上、下边中点的坐标——前面，测点2、2′；后面，测点6、6′；左面，测点8、8′；右面，测点4、4′。

计算上、下边中点坐标的差值(ΔX＝X-X′，ΔY＝Y-Y′，ΔZ＝Z-Z′>0)。

计算各个侧面偏离直立状态的偏转角Δα。对墩段前、后面，利用上、下边中点Y坐标的差值ΔY与Z坐标的差值ΔZ之比的绝对值|ΔY/ΔZ|换算墩段侧面的偏转角Δα，Δα＝arctan(|ΔY/ΔZ|)；对墩段左、右面，利用上、下边中点X坐标的差值ΔX与Z坐标的差值ΔZ之比的绝对值|ΔX/ΔZ|换算墩段侧面的偏转角Δα，Δα＝arctan(|ΔX/ΔZ|)。

根据墩段各个侧面上、下边中点差值的正负取值，确定墩段侧面偏转角Δα的正负取值。定义——墩段侧面上边相对向墩段外偏，偏转角Δα为负；墩段侧面上边相对向墩段内偏，偏转角Δα为正。于是，对于墩段前面(2-2′)，ΔY>0，侧面外倾，Δα<0；ΔY<0，侧面内倾，Δα>0。对于墩段后面面(6-6′)，ΔY>0，侧面内倾，Δα>0；ΔY<0，侧面外倾，Δα<0。对于墩段左面(8-8′)，ΔX>0，侧面内倾，Δα>0；ΔX<0，侧面外倾，Δα<0。对于墩段右面(4-4′)，ΔX>0，侧面外倾，Δα<0；ΔX<0，侧面内倾，Δα>0。

按公式α＝90°+Δα计算出墩段各个侧面的倾斜度α。

利用全站仪对墩段侧面倾斜度进行监控测量的上述过程归纳为表3。对示例测控墩段各个侧面倾斜度全站仪测量的实测坐标数据和各个侧面的倾斜度计算结果示于表4中。

表3桥墩墩段侧面倾斜度监控测量方法一览表

表4依托工程大桥右幅2-2桥墩62.0～66.5m高度段侧表面倾斜度全站仪监测计算结果一览表

表4依托工程大桥右幅2-2桥墩62.0～66.5m高度段侧表面倾斜度全站仪监测计算结果一览表(续表)

表5依托工程大桥右幅2-2桥墩62.0～66.5m高度段侧表面倾斜度倾斜度测量仪监测结果

比较而言，采用本发明所提供的倾斜度测量仪对同一墩段进行监测，免去了一系列的分析计算过程(不必做坐标差值与偏转角Δα之间的换算)，直接由仪器液晶屏显示和记录输出中即可得到测控墩段各个侧面的倾斜度α，如表5所示，测量结果在精度上与全站仪测量结果基本相同。

由以上示例可见，本发明所提供的倾斜度测量仪更擅长于桥墩段侧面倾斜度的测量，在一个测点上就可以测定出测控桥墩段侧面的倾斜度，而且，测控过程由仪器自动完成，免除了大量的人工和数据处理工作量，可以更快捷地为桥墩侧面垂直度控制提供反馈信息，可以真正实现对桥墩侧面倾斜度的实时监控测量。可见，本发明所提供的倾斜度测量仪弥补了以往桥墩施工墩形(桥墩不同墩段侧面倾斜变化)测控的技术困难，体现了本发明所提供的倾斜度测量仪在技术经济层面的必要性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种倾斜度测量仪，其特征在于，所述倾斜度测量仪包括：

传感换能单元，固定在待测物待测面上，用于检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将所述倾斜度变化量转换为电压变化信号；

调制放大单元，与所述传感换能单元连接，用于对所述电压变化信号进行整流滤波处理，并进行调制放大，形成电压模拟信号；

模数转换单元，与所述调制放大单元连接，用于将所述电压模拟信号转换为数字信号；

数据处理单元，与所述模数转换单元连接，用于将所述数字信号转换为倾斜度角度数值；

数据显示单元，与所述数据处理单元连接，用于显示所述倾斜度角度数值；

供电单元，分别与所述传感换能单元、所述调制放大单元、所述模数转换单元、所述数据处理单元以及所述数据显示单元连接，用于分别为所述传感换能单元、所述调制放大单元、所述模数转换单元、所述数据处理单元以及所述数据显示单元供电；

所述传感换能单元包括：

差动式电容传感器，用于检测待测物待测面的倾斜度变化量；

检测电路，分别与所述差动式电容传感器以及所述调制放大单元连接，用于为所述差动式电容传感器提供正弦波载频信号，并检测获得因所述倾斜度变化量产生的电压变化信号，并将所述电压变化信号发送至所述调制放大单元；

所述差动式电容传感器包括：

支架，固定在待测物待测面上；所述支架为矩形框架；

第一定极板，固定在所述支架与待测物接触的内侧壁上；

第二定极板，固定在所述支架另一个内侧壁上；所述第一定极板与所述第二定极板平行设置；

动极板，与所述支架的顶部连接，且设置在所述第一定极板与所述第二定极板之间；

当所述第一定极板和所述第二定极板随所述支架处在铅直状态时，所述动极板到所述第一定极板之间的距离与所述动极板到所述第二定极板之间的距离相等；当所述第一定极板和所述第二定极板随所述支架发生倾斜时，所述动极板到所述第一定极板及所述第二定极板之间的距离发生变化；

所述检测电路分别与所述第一定极板、所述第二定极板及所述动极板连接，所述检测电路通过所述第一定极板和所述第二定极板为所述差动式电容传感器提供正弦波载频信号，并通过所述动极板与所述第一定极板以及所述第二定极板检测因所述倾斜度变化量产生的电压变化信号；

差动式电容传感器的电容量按下式计算：

其中，C为电容量，S为电容器极板面积，d为极板间距，ε为极板间电介质的介电常数，ε＝ε₀ε_r，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；

电容量与极板间距呈反比关系，由电容与电量、电压的关系可知，电容与电压也成反比关系；电容极板间距变化量与支架的偏转角直接相关，偏转角越大，极板间距的变化量越大，由此推出，电压变化量与偏转角也呈正比关系，令电压变化量与偏转角之间的比例系数为k，则有：ΔU＝k·Δα；Δα＝α-α₀；其中，α₀为倾斜度测量仪所测量的平面处于铅直状态时的基准角，α₀＝90°；α为被测平面的倾角；

通过标定实验，确定系数k，且每个倾斜度测量仪都需要做单独的标定；标定实验的具体方法如下：

将被标定的倾斜度测量仪安装在倾斜台上，确定倾斜度测量仪的铅垂姿态，此时倾斜度测量仪的定极板位于铅垂面内，α＝α₀＝90°，设α₀＝90°为倾斜度测量仪倾斜度测量值的基准值；倾斜度测量仪支架向左偏转，偏转角记为+Δα，对应的倾斜度为α＝α₀+Δα；倾斜仪支架向右偏转，偏转角记为-Δα，对应的倾斜度为α＝α₀-Δα；限定倾斜度测量仪的偏转角Δα≤10°，即，限定α的测量值范围为80°～100°；

待标定的倾斜度测量仪在倾斜台上的铅垂姿态确定好之后，测量α₀＝90°对应的电容器输出电压值U₀；按0.5°的角度间隔改变倾斜台的倾角，分别标定向左倾斜和向右倾斜的各个α对应的输出电压值U_α；左倾斜的倾斜度范围为[80°，90°)，对应的输出电压值范围为U_α∈[U₈₀，U₉₀)；右倾斜的倾斜度范围为(90°，100°]，对应的输出电压值范围为U_α∈(U₉₀，U₁₀₀]；补上倾斜度的基准状态(α₀，U₀)＝(90°，U₉₀)，构成以0.5°为间隔的标定数据序列：{(α，U_α)|α∈[80°，100°]，U_α∈[U₈₀，U₁₀₀]；且α＝90°±0.5n，n＝0，1，2，…，20}；

通过标定实验，获得标定数据序列{(α，U_α)|α∈[80°，100°]，U_α∈[U₈₀，U₁₀₀]；且α＝90°±0.5n，n＝0，1，2，…，20}的实验值，按式ΔU＝k·Δα对实验数据进行统计回归分析，获得比例系数k。

2.根据权利要求1所述的倾斜度测量仪，其特征在于，所述差动式电容传感器还包括：

簧片，为柔性导体薄片，所述簧片的上端固定在所述支架内的顶部，所述动极板与所述簧片下端相连，悬挂在所述支架内的顶部。

3.根据权利要求1所述的倾斜度测量仪，其特征在于，所述数据处理单元还用于存贮记录所述倾斜度角度数值。

4.根据权利要求1所述的倾斜度测量仪，其特征在于，所述数据处理单元为STM32MCU芯片。

5.根据权利要求1所述的倾斜度测量仪，其特征在于，所述倾斜度测量仪还包括：

数据传输单元，与所述数据处理单元连接，用于将所述倾斜度角度数值发送至终端设备；所述供电单元还与所述数据传输单元连接，所述供电单元还用于为所述数据传输单元供电。

6.一种倾斜度测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-5任意一项所述的倾斜度测量仪，所述倾斜度测量方法包括：

当待测物发生偏转倾斜时，传感换能单元检测待测物待测面的倾斜度变化量，并将所述倾斜度变化量转换为电压变化信号，具体包括：

传感换能单元包括差动式电容传感器以及检测电路；通过检测电路为差动式电容传感器提供正弦波载频信号；

当待测物待测面发生偏转倾斜时，差动式电容传感器的动极板到两个定极板之间的距离发生变化，导致差动式电容传感器的电容量发生变化；

检测电路检测获取差动式电容传感器因所述电容量变化产生的电压变化信号；

调制放大单元对所述电压变化信号进行整流滤波处理，并进行调制放大，形成电压模拟信号；

模数转换单元将所述电压模拟信号转换为数字信号；

数据处理单元将所述数字信号转换为倾斜度角度数值并存贮记录；

通过数据显示单元显示出所述倾斜度角度数值；

差动式电容传感器的电容量按下式计算：

其中，C为电容量，S为电容器极板面积，d为极板间距，ε为极板间电介质的介电常数，ε＝ε₀ε_r，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；

电容量与极板间距呈反比关系，由电容与电量、电压的关系可知，电容与电压也成反比关系；电容极板间距变化量与支架的偏转角直接相关，偏转角越大，极板间距的变化量越大，由此推出，电压变化量与偏转角也呈正比关系，令电压变化量与偏转角之间的比例系数为k，则有：ΔU＝k·Δα；Δα＝α-α₀；其中，α₀为倾斜度测量仪所测量的平面处于铅直状态时的基准角，α₀＝90°；α为被测平面的倾角。

7.根据权利要求6所述的倾斜度测量方法，其特征在于，所述倾斜度测量方法还包括：

通过数据传输单元将所述倾斜度角度数值发送至终端设备。

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