本發(fā)明涉及一種測試裝置及測量方法，尤其涉及一種用于對(duì)測斜儀的綜合誤差技術(shù)指標(biāo)測試的裝置及方法，屬于測試測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著近年來國內(nèi)邊坡、基坑工程項(xiàng)目的大量增加，測斜儀得到廣泛使用。測斜儀是一種高精度的傾斜角度測量儀，用于獲得深部位移信息，專門用于巖土地基位移測量的儀器，適用于各種巖土地基橫向和縱向位移的測量。測斜儀以加速度計(jì)為核心敏感元件的，一般是由測頭、控制電纜和讀數(shù)儀等部件構(gòu)成，國內(nèi)外主流測斜儀的分辨力一般為0.02mm，相當(dāng)于測頭傾角分辨力為8″。工作原理是當(dāng)測頭從測孔底部按控制電纜步距拉升至測孔頂部，可得到每個(gè)測量間距的水平位移，累加后，即可獲得測孔頂部相對(duì)于底部的水平位移。測斜儀的測量方法通常按照角度測量儀器進(jìn)行測試，國內(nèi)外測斜儀廠家一般給出角度測量精度指標(biāo)。但是由測斜儀工作原理，它的工作過程和角度測量儀器是不同的，需要考慮測斜儀在巖土工程測量中的工況：即測頭放置在測斜管中，由控制電纜提升，導(dǎo)輪沿著測斜管滑動(dòng)。這種工況下“傳感器誤差”，“控制電纜提升”、“導(dǎo)輪滾動(dòng)”等各種因素都對(duì)測斜儀測量精度造成影響，也是用戶最關(guān)心的指標(biāo)，即“測斜儀綜合誤差(total error)”，以“誤差值/測孔深度”形式給出，該指標(biāo)一般由大量的工程實(shí)測數(shù)據(jù)分析得來，目前未見實(shí)驗(yàn)室測試手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種能夠完成測斜儀綜合誤差測試的實(shí)驗(yàn)室裝置及測量方法，充分考慮測斜儀作為位移和角度復(fù)合測量的特點(diǎn)，是一種可對(duì)測斜儀的綜合誤差技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試的裝置。測量原理如下：將測斜儀測頭放入導(dǎo)槽內(nèi)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)將測頭沿導(dǎo)槽提升一段距離，通過球柵尺實(shí)現(xiàn)對(duì)測頭滑動(dòng)距離的精確測量，利用電子自準(zhǔn)直儀發(fā)出的光經(jīng)過五棱鏡折轉(zhuǎn)到固定在測斜儀測頭的反射鏡上，反射光經(jīng)過五棱鏡再折轉(zhuǎn)至電子自準(zhǔn)直儀上，得到測斜儀測頭的精確角度偏移，通過自準(zhǔn)直儀得到實(shí)際的精確相對(duì)位移，測斜儀測量的位移與該值比較，得出綜合誤差。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種測斜儀綜合誤差測試裝置，包括：測斜儀工況模擬裝置1、測頭滑動(dòng)距離測量裝置2和傾角測量裝置3，

所述測斜儀工況模擬裝置1，用于容納測斜儀測頭5，供其上下滑動(dòng)模擬工作狀態(tài)；

所述測頭滑動(dòng)距離測量裝置2，用于測量測斜儀測頭5的滑動(dòng)距離；

傾角測量裝置3，用于測量測斜儀測頭5的精確角度偏移。

所述測斜儀綜合誤差測試裝置還包括平臺(tái)4，所述測斜儀工況模擬裝置1固定在平臺(tái)4上，且傾角可調(diào)，使測斜儀工況模擬裝置1能夠調(diào)節(jié)測斜儀測頭5的工作傾角，來模擬實(shí)際工況中測斜管的傾斜。

所述測斜儀工況模擬裝置1包括測試架11和提升裝置12；所述測試架11的主體由帶導(dǎo)槽111的槽體112構(gòu)成，所述導(dǎo)槽111為測斜儀測頭5的導(dǎo)輪51提供滾動(dòng)軌道；所述提升裝置12包括驅(qū)動(dòng)裝置和連接裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置通過連接裝置帶動(dòng)測斜儀測頭5沿導(dǎo)槽111滑動(dòng)。

所述測試架11還設(shè)有底板13和斜拉板筋14；所述槽體112底端與底板13固定連接，頂端通過斜拉板筋114與底板13其它部位固定連接，形成三角支撐；所述底板13通過推拉螺栓15與所述平臺(tái)4活動(dòng)連接；

所述驅(qū)動(dòng)裝置包括步進(jìn)電機(jī)121、聯(lián)軸器122、角接觸球軸承123、軸承套124和繞線軸125，并依次連接；所述連接裝置包括鋼絲(126)和滑輪(127)，所述鋼絲(126)一端與繞線軸125連接，另一端通過滑輪127與測斜儀測頭5連接；所述步進(jìn)電機(jī)121帶動(dòng)繞線軸125轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拉動(dòng)鋼絲126并帶動(dòng)測斜儀測頭5提升。

所述測頭滑動(dòng)距離測量裝置2為球柵數(shù)顯，包括球柵尺21和讀數(shù)頭22，所述球柵尺21固定在測斜儀工況模擬裝置1上，所述讀數(shù)頭22固定在測斜儀測頭5上。

所述傾角測量裝置3包括準(zhǔn)直儀31、五棱鏡32和反射鏡33，

所述準(zhǔn)直儀31是測量光源，發(fā)出的入射光經(jīng)五棱鏡32和反射鏡33反射回準(zhǔn)直儀31，通過測量反射光在準(zhǔn)直儀31CCD上的坐標(biāo)，從而給出測斜儀測頭(5)的精確角度偏移；

所述五棱鏡32安裝在所述槽體112底部，用于將入射光方向折轉(zhuǎn)90°，使入射光沿測斜儀測頭軸向向上；同樣將反射光方向折轉(zhuǎn)90°，使其進(jìn)入準(zhǔn)直儀31；

所述反射鏡33安裝在測斜儀測頭5上，用于反射沿測斜儀測頭軸向向上的入射光；

所述準(zhǔn)直儀31、五棱鏡32和反射鏡33都分別設(shè)有調(diào)節(jié)裝置，用于初始校正。

一種測斜儀綜合誤差測量方法，包括以下步驟：

步驟1，將測斜儀測頭放置在帶有導(dǎo)槽的測斜儀工況模擬裝置中，調(diào)整測斜儀測頭的工作傾角處于位置A；

步驟2，控制測斜儀側(cè)條沿導(dǎo)槽向上提升，通過測頭滑動(dòng)距離測量裝置和傾角測量裝置測量并得到位置A下的基準(zhǔn)累計(jì)位移值ΔA_total；所述測斜儀測頭向上提升過程中，采用分段提升和測量，并對(duì)所述測斜儀測頭進(jìn)行正反兩次測量；每次測斜儀測頭提升的距離由槽體長度、測頭總長度和測量段N確定，相當(dāng)于為實(shí)際工況提供了N個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)測試段用來表征實(shí)際工況中向上提升L＝500mm的距離。

其中，L為測頭導(dǎo)輪間距基準(zhǔn)，一般為500mm；θ_Ai為A位置下傾角測量裝置給出的每個(gè)測量段的傾角，并且為正反兩次測量的平均值；N為測量段數(shù)；

步驟3，通過測斜儀測頭測量并得到位置A下的初測累計(jì)位移值Δ′A_total；

其中，L_A1i為A位置測斜儀正方向測量的位移讀數(shù)；L_A2i為A位置測斜儀反方向測量的位移讀數(shù)；

步驟4，調(diào)整測斜儀測頭的工作傾角處于位置B；

步驟5，控制測斜儀測頭沿導(dǎo)槽向上提升，通過測頭滑動(dòng)距離測量裝置和傾角測量裝置測量并得到位置B下的基準(zhǔn)累計(jì)位移值ΔB_total；

其中，θ_Bi為B位置下傾角測量裝置給出的每個(gè)測量段的傾角，并且為正反兩次測量的平均值；

步驟6，通過測斜儀測頭測量并得到位置B下的累計(jì)位移值Δ′B_total；

其中L_B1i為B位置測斜儀正方向測量的位移值；L_B2i為B位置測斜儀反方向測量的位移值；

步驟7，根據(jù)步驟2、3、5、6得到的測量結(jié)果，計(jì)算得到測斜儀的綜合誤差E，則測孔(N×L)深度下的綜合誤差：

E＝(Δ′_total-Δ_total) (5)

其中，Δ'_total＝Δ'B_total-Δ'A_total，Δ_total＝ΔB_total-ΔA_total。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)提供了一種高精度的測斜儀綜合誤差測試儀器和測試方法，填補(bǔ)了技術(shù)空白，使在實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)過程中測量測斜儀綜合誤差成為可能。

(2)本發(fā)明采用光學(xué)準(zhǔn)直儀以及球柵數(shù)顯分別對(duì)測斜儀測頭在導(dǎo)槽內(nèi)的傾角變化和測頭滑動(dòng)距離進(jìn)行測量并獲得基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，測頭滑動(dòng)距離精度控制在十微米級(jí)，每測量段位置定位精確，傾角測量分辨力和重復(fù)性精度可達(dá)角秒級(jí)，具有操作方便、精度高等特點(diǎn)。

(3)本發(fā)明測斜儀工況模擬裝置與平臺(tái)采用活動(dòng)連接，可以靈活調(diào)整測斜儀測頭和槽體的工作傾角，能夠很好的模擬測斜儀實(shí)際工況。

(4)本發(fā)明采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)測斜儀測頭進(jìn)行提升控制，控制精度高，操作省時(shí)省力。

附圖說明

圖1是測斜儀綜合誤差測試裝置整體示意圖；

圖2是測斜儀綜合誤差測試裝置正面示意圖；

圖3是測斜儀綜合誤差測試裝置背面示意圖；

圖4是槽體、導(dǎo)槽和測頭連接關(guān)系示意圖；

圖5是電機(jī)及其安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是五棱鏡及其安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7反射鏡及其安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)說明：

1—測斜儀工況模擬裝置；11—測試架；12—提升裝置；13—底板；14—斜拉板筋；15—推拉螺栓；111—導(dǎo)槽；112—槽體；121—步進(jìn)電機(jī)；122—聯(lián)軸器；123—角接觸球軸承；124—軸承套；125—繞線軸；126—鋼絲；127—滑輪；

2—測頭滑動(dòng)距離測量裝置；21—球柵尺；22—讀數(shù)頭；23—讀數(shù)頭固定裝置；

3—傾角測量裝置；31—準(zhǔn)直儀；32—五棱鏡；33—反射鏡；34—五棱鏡調(diào)節(jié)裝置；35—五棱鏡固定裝置；36—反射鏡固定裝置；37—反射鏡調(diào)節(jié)裝置；

4—平臺(tái)；

5—測斜儀測頭；51—導(dǎo)輪。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明專利做進(jìn)一步說明。

參見圖1及圖2，是本發(fā)明的測斜儀綜合誤差測試裝置的實(shí)施例，包括平臺(tái)4、光學(xué)電子準(zhǔn)直儀31、光學(xué)五棱鏡32、測試架11、待測測斜儀測頭5、滑輪127、球柵尺21、球柵讀數(shù)頭22、反射鏡33，測試架11的主體部分為帶有導(dǎo)槽111的槽體112。

平臺(tái)4為綜合誤差測試裝置提供穩(wěn)固基礎(chǔ)，使用水平儀將平臺(tái)4調(diào)至水平。光學(xué)電子準(zhǔn)直儀31放置于平臺(tái)4上。光學(xué)五棱鏡32固定在槽體112底部，用于將光學(xué)電子準(zhǔn)直儀31的水平入射光改變90°方向?yàn)榇怪比肷涔?。測試架11固定在平臺(tái)4上，待測測斜儀測頭5放置于導(dǎo)槽111中，球柵尺21固定在導(dǎo)槽111的槽體上，球柵讀數(shù)頭22固定在測斜儀測頭5上，隨待測斜儀測頭5上一起滑動(dòng)。測斜儀測頭5上的控制電纜繞于滑輪127上。

參見圖3，是本發(fā)明的測斜儀綜合誤差測試裝置的背面示意圖，包括電機(jī)121、斜拉筋板14、底板13和推拉螺栓15。測試架11通過底板13和推拉螺栓15固定在平臺(tái)4上，調(diào)節(jié)推拉螺栓15可改變測試架11的傾角，相當(dāng)于模擬實(shí)際測孔產(chǎn)生了位移。

參見圖4，是槽體、導(dǎo)槽和測頭連接關(guān)系示意圖，包括測斜儀測頭5、槽體112、測斜儀測頭5的導(dǎo)輪51、導(dǎo)槽111。測斜儀測頭5通過導(dǎo)輪51放入槽體112的導(dǎo)槽111中。

參見圖5，是本發(fā)明的電機(jī)及其安裝結(jié)構(gòu)示意圖，包括電機(jī)121、聯(lián)軸器122、角接觸球軸承123、軸承套124。電機(jī)121通過聯(lián)軸器122、角接觸球軸承123、軸承套124固定在綜合誤差測試架上。

參見圖6，是五棱鏡及其安裝結(jié)構(gòu)示意圖，包括槽體112、五棱鏡32、五棱鏡固定裝置35。五棱鏡32通過固定裝置35，固定在槽體112底部，通過調(diào)節(jié)五棱鏡調(diào)節(jié)裝置34可以調(diào)節(jié)五棱鏡32的位置。

參見圖7，是反射鏡及其安裝結(jié)構(gòu)示意圖，包括槽體112、讀數(shù)頭固定裝置23、球柵尺21、球柵讀數(shù)頭22、反射鏡33、反射鏡固定裝置36。球柵尺21固定在槽體112上。球柵讀數(shù)頭22通過讀數(shù)頭固定裝置23固定在測斜儀測頭5上。反射鏡33通過反射鏡固定裝置36也固定在測斜儀測頭5上。

測試時(shí)，準(zhǔn)直儀31將一個(gè)十字線圖像以平行光束(準(zhǔn)直光)的形式經(jīng)五棱鏡32投射到反射鏡33上，該反射鏡33將其光束反射回去，經(jīng)五棱鏡32反射回準(zhǔn)直儀31，形成自準(zhǔn)直圖像。如果反射鏡33與光軸垂直，則光束將反射回其自身。如果測頭帶動(dòng)反射鏡33傾斜一個(gè)角度θ，則其反射光將以角度2θ反射回來。準(zhǔn)直儀為平行光，其測角結(jié)果不受距離的影響。測斜儀測頭5的每個(gè)測量段的傾角可分別由其自身和準(zhǔn)直儀31讀取。

應(yīng)用該綜合誤差測量裝置，采用如下步驟進(jìn)行測量：

步驟1，將測斜儀測頭5放置在帶有導(dǎo)槽111的測斜儀工況模擬裝置1中，調(diào)整測斜儀測 頭5的工作傾角處于位置A，并對(duì)測量裝置的各個(gè)部件進(jìn)行初始校準(zhǔn)。具體的：

a)對(duì)采用水平儀對(duì)平臺(tái)4進(jìn)行調(diào)平；

b)將控制電纜繞于滑輪127上。取一段細(xì)鋼絲126，鋼絲126的一端固定在控制電纜上，另一端驅(qū)動(dòng)裝置的繞線軸125上；

c)對(duì)測頭滑動(dòng)距離測量裝置2進(jìn)行初始校準(zhǔn)，包括將球柵讀數(shù)頭22固定在測斜儀測頭5上，使測斜儀測頭5提升的距離可通過球柵數(shù)顯裝置直接讀數(shù)；

d)對(duì)傾角測量裝置3進(jìn)行初始校準(zhǔn)，包括調(diào)節(jié)光學(xué)電子準(zhǔn)直儀31的俯仰角，使得準(zhǔn)直儀入射光進(jìn)入五棱鏡32，調(diào)節(jié)五棱鏡調(diào)節(jié)裝置34，使得準(zhǔn)直儀入射光進(jìn)入反射鏡33，調(diào)節(jié)反射鏡調(diào)節(jié)裝置37，使得反射光返回至準(zhǔn)直儀，并處于坐標(biāo)原點(diǎn)。

步驟2，控制測斜儀測頭5沿導(dǎo)槽111向上提升，測斜儀測頭5提升距離由槽體112長度，測頭總長度和測量段N確定，并通過測頭滑動(dòng)距離測量裝置2和傾角測量裝置3測量并得到位置A下的基準(zhǔn)累計(jì)位移值ΔA_total。

其中，L為測頭導(dǎo)輪間距基準(zhǔn)，，一般為500mm；θ_Ai為A位置下傾角測量裝置給出的每個(gè)測量段的傾角，并且為正反兩次測量的平均值；N為測量段數(shù)；

步驟3，通過測斜儀測頭5測量并得到位置A下的累計(jì)位移值Δ′A_total；

其中，L_A1i為A位置下測斜儀正方向測量的位移讀數(shù)；L_A2i為A位置下測斜儀反方向測量的位移讀數(shù)；

步驟4，再次調(diào)節(jié)反射鏡調(diào)節(jié)裝置37，使得反射光返回至準(zhǔn)直儀，并處于坐標(biāo)原點(diǎn)，然后調(diào)整推拉螺栓15使測斜儀測頭5的工作傾角處于位置B；

步驟5，重復(fù)步驟3，并通過測頭滑動(dòng)距離測量裝置2和傾角測量裝置3測量并得到位置B下的基準(zhǔn)累計(jì)位移值ΔB_total；

其中，θ_Bi為B位置下傾角測量裝置給出的每個(gè)測量段的傾角，并且為正反兩次測量的平均值；

步驟6，通過測斜儀測頭5測量并得到位置B下的累計(jì)位移值Δ′B_total；

其中L_B1i為B位置測斜儀正方向測量的位移值；L_B2i為B位置測斜儀反方向測量的位移值；

步驟7，根據(jù)步驟2、3、5、6得到的測量結(jié)果，計(jì)算得到測斜儀的綜合誤差E，則測孔(N×L)深度下的綜合誤差：

E＝(Δ′_total-Δ_total) (5)

其中，Δ'_total＝Δ'B_total-Δ'A_total，Δ_total＝ΔB_total-ΔA_total。

以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明專利的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明專利的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明專利的精神和范圍，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。