CN114485519B - 一种柔性杆式双向水平位移传感器的标定装置和标定方法 - Google Patents

一种柔性杆式双向水平位移传感器的标定装置和标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种柔性杆式双向水平位移传感器的标定装置和标定方法。所述标定装置包括六面体框架1，防扭夹2，第一刻度尺31和第二刻度尺32，第一横梁41和第二横梁42，尺框5，第一套环61和第二套环62，螺杆7，螺孔8；所述防扭夹2用于固定所标定的柔性杆式位移传感器，并与螺杆7相连，螺杆7旋进六面体框架1的螺孔8内固定并可以调整防扭夹2的位置与姿态；所述刻度尺3连接在六面体框架1的中间两层横杆上，用于测量被标定传感器的双向水平位移；所述尺框5套在六面体框架1的中间两组横杆上，可以沿六面体框架1移动，产生双向水平位移；所述横梁4通过尺框5连接在六面体框架1上；所述套环6连接在横梁4上，将在标定时内套柔性杆式位移传感器。本发明能够标定柔性杆式传感器接头部分传递双向水平位移的算法。

Description

一种柔性杆式双向水平位移传感器的标定装置和标定方法
技术领域
本发明涉及位移传感器标定领域，特别提供一种柔性杆式双向水平位移传感器的标定装置和标定方法。
背景技术
柔性杆式双向水平位移传感器内置三轴加速度计，能通过重力加速度在加速度计坐标系的分量变化感知自身姿态变化，一般用于基坑土体的水平位移监测中。此类传感器能够克服测斜管只能测量测点土体朝向和背离基坑位移的方向局限性，测得测点位置的土体沿基坑深度朝各个方向的水平位移，两者对比如附图1所示。但此类传感器的接头部分由软管连接，软管接头部分没有加速度计，且其力学参数不宜获得。在实地监测时，若忽略软管的影响，将产生较大的累计误差，但针对接头进行标定的技术还未被发明，因此也无法定量地将软管接头两端的水平位移传递考虑在测量内，这给柔性杆式双向位移传感器监测基坑土体水平位移的应用带来不便。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出了一种能够进行柔性杆式双向水平位移传感器接头部分标定的装置和方法。
第一方面，本发明提供了一种标定装置，该装置包括：
有四层横杆的六面体框架1，所述六面体框架1的上层横杆有螺栓孔8，所述螺栓孔8插入螺杆7，所述螺杆7与防扭夹2连接，所述防扭夹2用于固定柔性杆式位移传感器并防止其扭转；所述六面体框架1的中间两层横杆上连接有刻度尺3，所述刻度尺3上连接有尺框5，所述尺框5上架设有横梁4，所述横梁4上连接有套环6，用于在标定时套住柔性杆式位移传感器；
进一步地，通过螺杆7和螺孔8与六面体框架1连接的防扭夹2可以通过调整螺距改变防扭夹2的位置与姿态，并在调整好姿态后，通过螺母固定螺杆7于六面体框架1的位置不动使得防扭夹2的姿态和位置固定；
进一步地，六面体框架1的中间两层横杆上都连接有刻度尺3，用于在标定时读取每次产生的水平位移值；刻度尺3上套有尺框5，可以沿刻度尺移动产生双向水平位移；尺框5上假设横梁4，可以在水平面内移动；横梁4连接有套环6，用于在标定时箍住柔性杆式传感器，并在产生双向水平移动时带动传感器发生三维空间内的摆动。
第二方面，本发明提供了一种标定方法，该方法应用于第一方面提供的标定装置，包括：
S1：将两个串联的柔性杆式双向水平位移传感单元安装至标定装置内，将第一个传感单元的端部夹于防扭夹2中并套牢，将此传感单元的另一端套入与六面体框架1的上层横杆处于同一高度的第一套环61中，将另一个传感单元的端部套入与六面体框架1的下层横杆处于统一高度的第二套环62中，调整第一套环61和第二套环62的位置，使得第一刻度尺31和第二刻度尺32的示数均为0；
S2：建立大地坐标系oxyz，设传感单元夹在防扭夹2的端部位置坐标为(0,0,0)，重力加速度在两传感器内部三轴加速度计的分量为(g,0,0)T；
S3：在与刻度尺3平行平面内分别移动第一横梁41和第二横梁42，产生双向水平位移；根据读取的第一个传感单元与第一套环61接触处的刻度尺读数，记坐标为(x1,y1)，其中x1和y1由第一刻度尺31读取；根据读取的第二个传感单元与第二套环62接触处的第二刻度尺32读数，记坐标为(x2,y2)，其中x2和y2由第二刻度尺32读取；读取每次产生位移后串联的两传感单元内置三轴加速度计的重力加速度分量分别为(g1x,g1y,g1z)与(g2x,g2y,g2z)；
S4：根据试验人力和时间成本设定最大试验组数，多次重复S3(至少重复4次)，得到多个试验组(x1,y1)，(x2,y2)与相应的(g1x,g1y,g1z)，(g2x,g2y,g2z)；
S5：对于每试验组的(g1x,g1y,g1z)和(g2x,g2y,g2z)，根据下式
求得两串联的柔性杆式传感单元随水平位移而产生的绕y，z轴的摆动角
S6：对于每试验组的(x1,y1)和(x2,y2)，求得水平位移在两个方向上的差值为
S7：建立需要拟合的关系式为
并根据多元最小二乘法求解
优选地，所述步骤S7进一步包括：
S71：分别求得的平均值μ和标准差σ，根据3σ法则，剔除/>在[μ-3σ,μ+3σ]区间之外的试验组；
S72：基于剔除异常数据后的试验组，采用多元最小二乘法求解
本发明有以下有益效果：
提出了柔性杆式双向水平位移传感器的标定装置和标定方法，主要用最小二乘法对两串联传感单元软管接头部分的水平位移传递进行拟合，在实地监测时以本发明的拟合公式的形式将接头的水平位移传递考虑在内，能够提高监测精度。
附图说明
图1为传统测斜管与柔性杆式双向传感单元在基坑测斜中的应用对比；
图2(a)为本发明提供的一种标定装置的结构示意图，图2(b)为本发明提供的一种标定装置与柔性杆式传感器连接后的示意图；
图3为本发明提供的一种标定方法的流程示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明提出了一种柔性杆式双向水平位移传感器的标定装置，所述标定装置包括六面体框架1，防扭夹2，第一刻度尺31和第二刻度尺32，第一横梁41和第二横梁42，尺框5，第一套环61，第二套环62，螺杆7，螺孔8；所述防扭夹2用于固定所标定的柔性杆式位移传感器，并与螺杆7相连，螺杆7旋进六面体框架1的螺孔8内固定并可以调整防扭夹2的位置与姿态；所述刻度尺3连接在六面体框架1的中间两层横杆上，用于测量被标定传感器的双向水平位移；所述尺框5套在六面体框架1的中间两组横杆上，可以沿六面体框架1移动，产生双向水平位移；所述横梁4通过尺框5连接在六面体框架1上；所述套环6连接在横梁4上，将在标定时内套柔性杆式位移传感器。
具体地，由于传感器内置的三轴加速度计无法感知传感器绕重力轴旋转时的重力加速度变化量，因此防扭夹2的作用是是限位传感器的端部位移并防止其扭转；进一步地，防扭夹2的尺寸随柔性杆式传感器的端部几何尺寸而定。
具体地，第一套环61和第二套环62连接在中间两层的横梁4上，在标定时套住两串联传感单元接头的两端，并通过移动尺框5和横梁4使之发生双向水平位移，并带动传感器单元产生摆动。
如图2所示，发明提出了一种柔性杆式双向水平位移传感器的标定方法，该方法应用于图1提供的标定装置，包括以下步骤：
S1：将两个串联的柔性杆式双向水平位移传感单元安装至标定装置内，将第一个传感单元的端部夹于防扭夹2中并套牢，将此传感单元的另一端套入与六面体框架1的上层横杆处于同一高度的第一套环61中，将另一个传感单元的端部套入与六面体框架1的下层横杆处于统一高度的第二套环62中，调整第一套环61和第二套环62的位置，使得第一刻度尺31和第二刻度尺32的示数均为0；
S2：建立大地坐标系oxyz，设传感单元夹在防扭夹2的端部位置坐标为(0,0,0)，重力加速度在两传感器内部三轴加速度计的分量为(g,0,0)T；
S3：在与刻度尺3平行平面内分别移动第一横梁41和第二横梁42，产生双向水平位移；根据读取的第一个传感单元与第一套环61接触处的刻度尺读数，记坐标为(x1,y1)，其中x1和y1由第一刻度尺31读取；根据读取的第二个传感单元与第二套环62接触处的第二刻度尺32读数，记坐标为(x2,y2)，其中x2和y2由第二刻度尺32读取；读取每次产生位移后串联的两传感单元内置三轴加速度计的重力加速度分量分别为(g1x,g1y,g1z)与(g2x,g2y,g2z)；
S4：根据试验人力和时间成本设定最大试验组数，多次重复S3(至少重复4次)，得到多个试验组(x1,y1)，(x2,y2)与相应的(g1x,g1y,g1z)，(g2x,g2y,g2z)；
S5：对于每试验组的(g1x,g1y,g1z)和(g2x,g2y,g2z)，根据下式
求得两串联的柔性杆式传感单元随水平位移而产生的绕y，z轴的摆动角
S6：对于每试验组的(x1,y1)和(x2,y2)，求得水平位移在两个方向上的差值
S7：建立需要拟合的关系式为
并根据多元最小二乘法求解
进一步地，所述步骤S7进一步包括：
S71：分别求得的平均值μ和标准差σ，根据3σ法则，剔除/>在[μ-3σ,μ+3σ]区间之外的试验组；
S72：基于剔除异常数据后的试验组，采用多元最小二乘法求解
本发明未尽事宜为公知技术，例如观测刻度尺示数后的录入设备，数据传输、数据运算设备、计算数据输出等。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双向水平位移测量系统的标定装置，其特征在于：包括有四层横杆的六面体框架(1)，所述六面体框架(1)的上层横杆有螺栓孔(8)，所述螺栓孔(8)插入螺杆(7)，所述螺杆(7)与防扭夹(2)连接，所述防扭夹(2)用于固定柔性杆式位移传感器并防止其扭转；所述六面体框架(1)的中间两层横杆上连接有刻度尺(3)，所述刻度尺(3)包括第一刻度尺(31)和第二刻度尺(32)；所述刻度尺(3)上连接有尺框(5)，所述尺框(5)上架设有横梁(4)，所述横梁(4)包括第一横梁(41)和第二横梁(42)；所述横梁(4)上连接有套环(6)，用于在标定时套住柔性杆式位移传感器；所述套环(6)包括第一套环(61)和第二套环(62)；
通过螺杆(7)和螺栓孔(8)与六面体框架(1)连接的防扭夹(2)可以通过调整螺距改变防扭夹(2)的位置与姿态，并在调整好姿态后，通过螺母固定螺杆(7)于六面体框架(1)的位置不动使得防扭夹(2)的姿态和位置固定；
所述六面体框架(1)的中间两层横杆上都连接有刻度尺(3)，用于在标定时读取每次产生的水平位移值；刻度尺(3)上套有尺框(5)，可以沿刻度尺移动产生双向水平位移；尺框(5)上架设横梁(4)，可以在水平面内移动；横梁(4)连接有套环(6)，用于在标定时箍住柔性杆式传感器，并在产生双向水平移动时带动传感器发生三维空间内的摆动；
所述第一套环(61)和第二套环(62)连接在中间两层的横梁(4)上，在标定时套住两串联传感单元接头的两端，并通过移动尺框(5)和横梁(4)使之发生双向水平位移，并带动传感器单元产生摆动。
2.一种柔性杆式双向水平位移传感器的标定方法，应用于上述权利要求1所述的标定装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将两个串联的柔性杆式双向水平位移传感单元安装至标定装置内，将第一个传感单元的端部夹于防扭夹(2)中并套牢，将此传感单元的另一端套入与六面体框架(1)的上层横杆处于同一高度的套环(61)中，将另一个传感单元的端部套入与六面体框架(1)的下层横杆处于统一高度的套环(62)中，调整套环(61)和套环(62)的位置，使得第一刻度尺(31)和第二刻度尺(32)的示数均为0；
S2：建立大地坐标系oxyz，设传感单元夹在防扭夹(2)的端部位置坐标为(0,0,0)，重力加速度在两传感器内部三轴加速度计的分量为(g,0,0)T；
S3：在与刻度尺(3)平行平面内分别移动第一横梁(41)和第二横梁(42)，产生双向水平位移；根据读取的第一个传感单元与套环(61)接触处的刻度尺读数，记坐标为(x1,y1)，其中x1和y1由第一刻度尺(31)读取；根据读取的第二个传感单元与套环(62)接触处的刻度尺第二刻度尺(32)读数，记坐标为(x2,y2)，其中x2和y2由刻度尺第二刻度尺(32)读取；读取每次产生位移后串联的两传感单元内置三轴加速度计的重力加速度分量分别为(g1x,g1y,g1z)与(g2x,g2y,g2z)；
S4：根据人力和时间成本设定最大试验组数，多次重复S3，得到多个试验组(x1,y1)，(x2,y2)与相应的(g1x,g1y,g1z)，(g2x,g2y,g2z)；
S5：对于每试验组的(g1x,g1y,g1z)和(g2x,g2y,g2z)，根据下式
求得两串联的柔性杆式传感单元随水平位移而产生的绕y，z轴的摆动角θ1,θ2,/>
S6：对于每试验组的(x1,y1)和(x2,y2)，求得水平位移在两个方向上的差值为
S7：建立需要拟合的关系式为
并根据多元最小二乘法求解
3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S7进一步包括：
S71：分别求得θ1,θ2,/>的平均值μ和标准差σ，根据3σ法则，剔除θ1,/>θ2,/>在[μ-3σ,μ+3σ]区间之外的试验组；
S72：基于剔除异常数据后的试验组，采用多元最小二乘法求解
4.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S4中，至少重复4次S3。
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