CN214666702U - 一种水平位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种水平位移测量装置，包括至少两个杆段和若干个连接段，各个杆段分别设置有三轴加速度传感器，各个三轴加速度传感器相互独立，相邻两个杆段之间设置连接段，连接段的一端连接其中一个杆段，连接段的另一端连接另外一个杆段，连接段为柔性结构，连接段具有弯曲自由度，连接段不具有扭转自由度。水平位移测量装置不需要导槽即可实现测量，测量结果不会受到测斜管的拼接精度的影响，从而能够提高水平位移测量的准确性。

Description

一种水平位移测量装置

技术领域

本实用新型涉及水平位移测量研究领域，特别是一种水平位移测量装置。

背景技术

在土建施工等实际生产生活中，有时需要测量地面下一定深度的土体位移。现有技术在进行水平位移测量时一般是在测斜孔中放入带有导槽的测斜管，导槽与基坑平行或者垂直，然后向测斜管内放入带滑轮的测斜仪，在测斜孔内每隔一定间隔测量测斜仪角度，再通过三角函数计算测斜仪的水平位移，以此表征测斜孔的位移。

该测量方法存在几个弊端，其一，必须使用带导槽的测斜管，否则无法对测斜仪进行引导定位；其二，测斜孔深度可达20-30m，因此需要将多节测斜管通过连接件拼接在一起使用，测斜管的导槽对接存在误差，随着测斜孔深度的增大，需要的测斜管数量增多，常出现最上面的测斜管与最下面的测斜管导槽位置不对应，角度偏差超过30°的情况，当上下导槽位置不一致时，测斜仪所测量的水平位移便不是平行或垂直于基坑方向的位移；其三，测斜仪在各个点位测得的数据存在相互影响，当其中一个点位的数据出现问题时，也会导致其它位置的测量数据不准确。

发明内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种水平位移测量装置，水平位移测量装置能够提高水平位移测量的准确性。

根据本实用新型提供的水平位移测量装置，包括至少两个杆段和若干个连接段，各个所述杆段分别设置有三轴加速度传感器，各个所述三轴加速度传感器相互独立，相邻两个所述杆段之间设置所述连接段，所述连接段的一端连接其中一个所述杆段，所述连接段的另一端连接另外一个所述杆段，所述连接段为柔性结构，所述连接段具有弯曲自由度，所述连接段不具有扭转自由度。

根据本实用新型提供的水平位移测量装置，至少具有如下技术效果：通过设置连接段，连接段具有弯曲的自由度，使水平位移测量装置能够弯折并与测斜管的管壁相接触，连接段不具有扭转自由度，使相邻的杆段之间不产生扭转，三轴加速度传感器能够测量杆段的角度以及加速度，进而换算得到水平位移数据，水平位移测量装置不需要导槽即可实现测量，测量结果不会受到测斜管的拼接精度的影响，从而能够提高水平位移测量的准确性。

根据本实用新型的一些实施例，所述连接段包括柔性部以及位于柔性部两端的连接部，所述柔性部具有弯曲自由度，所述柔性部不具有扭转自由度，所述连接部连接所述杆段。

根据本实用新型的一些实施例，所述连接段采用橡胶套管，所述连接部套设在所述杆段上。

根据本实用新型的一些实施例，所述连接段的长度为100mm。

根据本实用新型的一些实施例，所述杆段采用不锈钢管。

根据本实用新型的一些实施例，所述杆段采用空心管，所述三轴加速度传感器设置在所述杆段内部。

根据本实用新型的一些实施例，所述杆段的长度为900mm。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术中的测斜仪的示意图；

图2是现有技术中基坑和测斜孔的位置关系的示意图；

图3是根据本实用新型提供的水平位移测量装置的示意图。

附图标记：

杆段11、连接段12；

基坑21、测斜管22、测斜仪23。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

根据本实用新型提供的水平位移测量装置，包括至少两个杆段11和若干个连接段12，各个杆段11分别设置有三轴加速度传感器，各个三轴加速度传感器相互独立，相邻两个杆段11之间设置连接段12，连接段12的一端连接其中一个杆段11，连接段12的另一端连接另外一个杆段11，连接段12为柔性结构，连接段12具有弯曲自由度，连接段12不具有扭转自由度。

现有技术中的测斜仪23的工作原理如图1、图2所示，使用时首先在基坑21旁边的测斜孔中安装测斜管22，测斜管22具有导槽，测斜仪23具有与导槽相适配的滑轮。测斜仪23沿着导槽下降，测斜仪23的初始角度垂直或平行于基坑，当测斜管22的安装出现误差时，导槽的角度发生变化，导致测斜仪23的姿态变化，使得测斜仪23测得的位移数据出现误差。

使用本实用新型提供的水平位移测量装置测量水平位移时，将水平位移测量装置放入测斜管22中，连接段12发生弯曲，使水平位移测量装置与测斜管22的内壁接触，三轴加速度传感器能够测量各个杆件的角度及加速度，根据三轴加速度传感器的测量数据能够换算并判断出水平位移测量装置是否到位，若水平位移测量装置还未到位，下压水平位移测量装置，使水平位移测量装置与内壁充分接触。水平位移测量装置安放到位后，根据三轴加速度传感器的数据换算出水平位移。

根据本实用新型提供的水平位移测量装置，通过设置杆段11、连接段12以及三轴加速度传感器，水平位移测量装置不需要导槽即可测量水平位移，从而能够避免测斜管22的拼接精度对测量精度的影响，提高水平位移测量的准确性。

由于连接段12不具有扭转自由度，不同杆段11的三轴加速度传感器之间不会发生相对偏置，从而能够提高水平位移测量的准确性。

根据本实用新型的一些实施例，连接段12包括柔性部以及位于柔性部两端的连接部，柔性部具有弯曲自由度，柔性部不具有扭转自由度，连接部连接杆段11。在一些实施例中，连接段12可以采用橡胶套管，连接部套设在杆段11上。可以理解的是，上述橡胶套管也可以替换为其它具有弯曲自由度但不具有扭转自由度的结构，例如传动领域的柔性联轴器能够传递扭矩，因此不具有扭转自由度，柔性联轴器还具有一定程度的弯曲自由度，因此连接段可以设计为类似柔性联轴器的结构，又例如金属波纹管具有一定程度的弯曲自由度并且能抵抗扭矩，因此柔性部可以采用金属波纹管结构。同样可以理解的是，连接部还可以通过其它方式连接杆段11，例如通过法兰连接、卡扣连接、螺纹连接或者焊接等。

在一些实施例中，连接段的长度为100mm。

根据本实用新型的一些实施例，杆段11采用不锈钢管。不锈钢材料的耐候性好，能够提高水平位移测量装置的适用性以及使用寿命，并且不锈钢材料不易变形弯折，能够提高水平位移测量的准确性。在一些实施例中，杆段11采用空心管，三轴加速度传感器设置在杆段11内部。设置在内部的三轴加速度传感器能够被杆段11保护，避免使用过程中发生碰撞而导致故障。

在一些实施例中，杆段11的长度为900mm。

水平位移测量装置通过以下方法检测水平位移：

向测斜管22内放入水平位移测量装置，施加作用力使水平位移测量装置弯折，直至水平位移测量装置与测斜管22的内壁紧贴；

根据三轴加速度传感器测得的数据判断水平位移测量装置是否到位；

到位后，根据三轴加速度传感器测得的数据算出水平位移。

可以理解的是，紧贴的目的是避免悬空的连接段12带动杆段11在测斜管22内晃动，导致测量数据不准。

可以根据以下方式判断水平位移测量装置是否到位并测量水平位移：

首先假设三轴加速度传感器水平静置，此时X、Y方向的重力分量为0，而Z轴方向的重力分量为g。

如果三轴加速度传感器与水平方向有一些夹角，则：

X轴方向的加速度大小为A_x，其与水平线的夹角为α₁，与重力加速度的夹角α；

Y轴方向的加速度为A_y，与水平线的加速度为β₁，与重力加速度g的夹角为β；

Z轴方向的加速度为A_z，与水平线的加速度为γ₁，与重力加速度g的夹角为γ。

它们的关系为：

α＝90度-α₁，β＝90度-β₁，γ＝90度-γ₁；(式1)

g在各轴方向上的分量为：

A_x＝g·cosα，A_y＝g·cosβ，A_|z＝g·cosγ；

将(式1)中数据代入得：

A_x＝g·cosα＝g·(90度-α₁)＝g·sinα₁，

A_y＝g·sinβ₁，

A_z＝g·sinγ₁；(式2)

进一步地：

g·g＝A_x·A_x+g·cosα₁·g·cosα₁，则

g·cosα₁＝squr(g·g-A_X·A_x)，

g·cosβ₁＝squr(g·g-A_y·A_y)，

g·cosγ₁＝squr(g·g-A_z·A_z)；(式3)

根据立体几何，g相当于立方体的对角线，A_x、A_y、A_z相当于立方体的三条边，所以根据勾股定理A_x·A_x+A_y·A_y+A_z·A_z＝g·g

由式2和式3可以知道，(以X轴为例)

最后得出加速度值与角速度值(弧度)的关系为：

那么弧度值分别为：

接下来使用数据公式：

算得

其中R取1。最后得到的各轴的角度值分别为：

设杆段11直径为C₁，测斜管22直径为C₂，杆段11长度为D₁，并对一些参数近似处理，则每一个杆段11均贴合测斜管22的内壁需满足：

(D₁·sinθ_x)²+(D₁·sinθ_y)²＝(C₂-C₁)²(式4)，

通过上位机软件，对每一个三轴加速度传感器标不同的地址，可测量出每个杆段11的θ_x、θ_y、θ_z的角度，从而知道测斜管22内，哪个位置的杆段11还是未贴合管壁的情况，如果没贴合，则在测斜管22管口重复下压水平位移测量装置，直到每个杆段11角度值符合(式4)。

当杆段11已经全部下压贴合测斜管22壁之后，开始测量水平位移，以贴合后的每一个杆段11作为初始状态。每个传感器角度为

假设所有杆段11都没有发生任何倾斜，即杆段11以及杆段11中的三轴加速度传感器均处于水平状态，则：

设最底下的杆段11坐标为(0,0,D₁)，则底下第二个杆段11坐标为(0,0,D₁·2)，第n个杆段11坐标为(0,0,D₁·n)。实际中由于每个杆段11均贴合测斜管22内壁，则每个杆段11的初始状态均有倾斜，则第n个传感器的坐标为

该坐标即为每个杆段11的初始坐标。当测斜管22出现变化后，则每个杆段11角度会发生变化，产生新的

则用(式5)计算出每个新的杆段11的坐标。新的坐标减去初始坐标即可计算出每个杆段11的本次变化量和累计变化量。该方式计算出来的本次变化量与累计变化量均是独立传感器计算出来的，有别于传统的测斜仪传感器最上面的变化量需累计下面所有点位的变化量才能得出。造成该计算方式差异的原因是，传统的测斜仪为单轴或双轴测量，最终结果为孤立的一个X轴方向变化量，或X、Y轴方向变化量，因此最上面的数据需累计下面的所有数据的方向变化量。而本实用新型采用三轴加速度传感器，三轴加速度传感器具有完整的空间关系，一个三轴加速度传感器的数据不受其他三轴加速度传感器的影响。

下面参考图3以一个具体的实施例详细描述根据本实用新型提供的水平位移测量装置。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对实用新型的具体限制。

水平位移测量装置包括至少两个杆段11和若干个连接段12。

杆段11采用空心不锈钢管，杆段11的长度为900mm，各个杆段11的内部分别设置有三轴加速度传感器，各个三轴加速度传感器相互独立。

相邻两个杆段11之间设置连接段12，连接段12的长度为100mm，连接段12采用橡胶套管，连接段12包括柔性部以及位于柔性部两端的连接部，连接部套设在杆段11上，连接段12为柔性结构，连接段12具有弯曲自由度，连接段12不具有扭转自由度。

根据本实用新型实施例的水平位移测量装置，通过采用以上的设计，至少可以实现这样一些功能：通过设置杆段11、连接段12以及三轴加速度传感器，水平位移测量装置不需要导槽即可测量水平位移，从而能够避免测斜管22的拼接精度对测量精度的影响，提高水平位移测量的准确性。

三轴加速度传感器具有完整的空间关系，一个三轴加速度传感器的数据不受其他三轴加速度传感器的影响，使得各个杆段11的水平位移的测量相互独立，不会产生干扰。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种水平位移测量装置，其特征在于，包括：

至少两个杆段(11)，各个所述杆段(11)分别设置有三轴加速度传感器，各个所述三轴加速度传感器相互独立；

若干个连接段(12)，相邻两个所述杆段(11)之间设置所述连接段(12)，所述连接段(12)的一端连接其中一个所述杆段(11)，所述连接段(12)的另一端连接另外一个所述杆段(11)，所述连接段(12)为柔性结构，所述连接段(12)具有弯曲自由度，所述连接段(12)不具有扭转自由度。

2.根据权利要求1所述的水平位移测量装置，其特征在于：所述连接段(12)包括柔性部以及位于柔性部两端的连接部，所述柔性部具有弯曲自由度，所述柔性部不具有扭转自由度，所述连接部连接所述杆段(11)。

3.根据权利要求2所述的水平位移测量装置，其特征在于：所述连接段(12)采用橡胶套管，所述连接部套设在所述杆段(11)上。

4.根据权利要求1所述的水平位移测量装置，其特征在于：所述连接段(12)的长度为100mm。

5.根据权利要求1所述的水平位移测量装置，其特征在于：所述杆段(11)采用不锈钢管。

6.根据权利要求1或5所述的水平位移测量装置，其特征在于：所述杆段(11)采用空心管，所述三轴加速度传感器设置在所述杆段(11)内部。

7.根据权利要求1或5所述的水平位移测量装置，其特征在于：所述杆段(11)的长度为900mm。

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