一种对称导轮杆式测斜传感装置及测斜仪的制作方法

本实用新型涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种对称导轮杆式测斜传感装置及测斜仪。

背景技术：

测斜传感装置是测斜仪(又称钻孔倾斜仪)的重要组成部件。测斜仪是一种用于测量钻孔、基坑、地基基础、墙体和坝体坡等工程构筑物的倾斜情况的仪器，通过换算可实现基坑、边坡、地基和工程构筑物的水平或垂直位移的测量，一般由测斜传感装置、连接电缆、数据采集仪组成。按照测斜传感装置内置传感器的量测方向进行划分，测斜仪可分为水平式和垂直式；按照测斜传感装置内置传感器的量测方向数量进行划分，测斜仪可分为单轴式和双轴式；按照测斜传感装置内置传感器工作原理类型划分，测斜仪可分为伺服加速度计式、电阻应变片式、钢弦式、差动电阻式、MEMS微机电式等多种型式。

倾斜测量方法的工作原理是：通过钻孔方式将测斜导管(管内有互成90度夹角的四个导向槽)埋入地下，通过连接电缆将测斜传感装置放入测斜导管，测量测斜导管轴线与竖直线之间的夹角变化量，从而计算出被测构筑物各测量段上部导轮处相对于下部导轮处的位移大小。当基坑、边坡、地基产生形变时，测斜导管随之变形，因此可通过测量测斜导管变形达到测量工程构筑物变形的目的。

倾斜测量物理量计算原理及方法：

测斜传感装置上下导轮间距一般为50cm。第一次测量时导轮顺测斜导管导向槽自下向上逐点测试(一般50cm/测点)，逐段量测变形后测斜导管的轴线与垂直线之间的夹角并按测点的分段长度，分别求出不同高程处的水平位移增量即

第二次测量时，180度旋转测斜传感装置，使得左右导轮方向完成位置互换，在此顺测斜导管导向槽依次自下向上逐点测试，测试间距与第一次测试保持一致。逐段量测变形后测斜导管的轴线与垂直线之间的夹角(测斜传感装置旋转前后两次测量，夹角测值符号相反)，并按测点的分段长度，分别求出不同高程处的水平位移增量即

通过旋转测斜传感装置，利用对称测量原理可达到降低系统误差的目的，可求出不同高程处的水平位移增量即

由测斜导管底部测点开始逐段累加，可得任一高程处(第k测点)的实际位移，

管口累积水平位移,

通过两次单轴测量或双轴测量，可方便测量x和y向位移分量量Dx,Dy，对比位移Dx,Dy或位移变化量ΔDx,ΔDy和工程构筑物的允许阈值，可判定工程构筑物的安全性。

现有测斜仪传感装置的导向轮采用倾斜方式布置。依据前述原理采用现有杆式测斜仪进行建筑物变形测量时，第一次测量和第二次测量其导向轮与测斜管管壁接触点分部示意图分别见图1(a)和图1(b)。

示意图表明，采用现有杆式测斜仪，对同一深度进行位移测量，第一次测量时导向轮与测斜管管壁接触点为A1和A2，第二次测量时导向轮与测斜管管壁接触点为B1和B2，可以估算A1和B1以及A2和B2该的位置偏差均在3cm以上。由于两次测试时的接触点的不一致，将会导致测量结果存在三个方面的技术问题：一是旋转量测杆不能实现对同一量测目标的重复测量，故测量杆内测量传感器位置安装偏差引起的系统误差影响不能通过对称测量方式予以消除；二是测斜管内部不可避免的存在局部管径变化情况，且一定程度上管壁内部存在残留杂质，采用现有杆式测斜仪对O1O2截面进行测量时，其接触点数由2点增加到4个，测斜管管壁的局部差异必然会加剧测斜仪观测精度的偶然性影响；三是采用现有杆式测斜仪进行位移测量，其测量结果实际表征为斜截面上的连续位移测值，而不能代表测斜导管同一深度上的位移测值。

技术实现要素：

本实用新型目的是提供一种用于测量钻孔、基坑、地基基础、墙体和坝体坡等工程构筑物的倾斜角度和位移的新型测斜传感装置及测斜仪，通过改进测斜传感装置的结构形式，可提高工程构筑物倾斜测量的准确性和真实性。

一种对称导轮杆式测斜传感装置，包括测量杆、导向轮、同步对称开合机构，测量杆中设有量测传感器，所述同步对称开合机构分上、下两组机构，每组机构包括导向轮开合固定板、开合支撑杆、伸缩轴、压紧弹簧、伸缩轴约束套，直径相同的两个导向轮分别铰接在左右两侧导向轮开合固定板上，保持导向轮与导向轮开合固定板在同一平面；左右两侧导向轮开合固定板的另一端在同一平面铰接连接；开合支撑杆两端分别与导向轮开合固定板和伸缩轴铰接，伸缩轴沿测量杆滑动设于伸缩轴约束套，伸缩轴约束套固定于测量杆；压紧弹簧外套于伸缩轴上，两端分别受伸缩轴下端底座和伸缩轴约束套约束以提供压紧弹簧弹力，从而使导向轮开合固定板始终处于张开状态；伸缩轴约束套及两导向轮开合固定板铰接销钉固定于测量杆，使得伸缩轴约束套轴线和同步对称开合机构始终与测量杆中轴线保持一致。

进一步的，同步对称开合机构的上、下两组机构间距50cm，左右两侧导向轮开合固定板与测量杆连接电缆端夹角相同。

进一步的，两个开合支撑杆和两个导向轮开合固定板对称布置在测量杆两侧，导向轮开合固定板对应设于开合支撑杆下部，两个开合支撑杆呈“八”字形外开设置，两个导向轮开合固定板的一端相互铰接，且通过销钉固定于测量杆，另一端向上外开与导向轮铰接；开合支撑杆的一端与伸缩轴的底座铰接，另一端与导向轮开合固定板铰接。

进一步的，所述伸缩轴约束套对应伸缩轴设有滑动腔，伸缩轴的上端主体部分为轴状件，可伸入滑动腔且沿滑动腔上下滑动，主体部分设置有限位机构，防止伸缩轴的主体部分从滑动腔中脱出。

进一步的，所述压紧弹簧设于伸缩轴的下端底座与伸缩轴约束套底部之间，压紧弹簧套设在伸缩轴的主体部分外部。

一种测斜仪，包括上述对称导轮杆式测量传感装置以及连接电缆、数据采集仪，测量传感装置和数据采集仪通过连接电缆连接。

本实用新型装置的有益效果：本实用新型提供了一种精确测定工程构筑物倾斜角度和位移的装置，结构新颖，工作原理清晰，与传统技术相比消除了部分系统误差，可有效提高系统测量精度。

本实用新型装置的适用范围：适用于水平式和垂直式，或单轴式和双轴式，或伺服加速度计式、电阻应变片式、钢弦式、差动电阻式、MEMS微机电式等工作原理的活动式测斜仪；本技术装置设计理念也可适用于固定式测斜仪的技术改进，但旋转对称测量相关技术优势和有效效果不能发挥。

附图说明

图1(a)是第一次测量时导向轮与测斜导管接触点示意图，图1(b)是第二次测量时导向轮与测斜导管接触点示意图；

图2是本实用新型一种对称导轮杆式测斜传感装置测量传感装置其中一个实施例的结构示意图；

图3是本实用新型测斜传感装置中同步对称开合机构的结构示意图。

图中：1—测斜导管、2—测量杆、3—测量杆中轴线、4—连接电缆、5—导向轮、6—导向轮开合固定板、7—开合支撑杆、8—伸缩轴、9—压紧弹簧、10—伸缩轴约束套。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案作进一步说明：

如图2及图3所示，本实用新型提供一种测斜仪，包括测量传感装置、连接电缆4、数据采集仪。测量前通过连接电缆4两端分别与测量传感装置和数据采集仪连接，电缆接头应保证连接紧密，且能满足IP67级防水要求。

所述测量传感装置包括测量杆2、导向轮5、同步对称开合机构，测量杆2中设有量测传感器。

所述同步对称开合机构为本实用新型方案的技术核心，导向轮5、同步开合机构与测量杆2相互铰接形成约束测量杆2纵向方位变化的整体结构，导向轮5与外部测斜导管1的紧密接触使得测量传感装置能够与外部测斜导管1紧密接触，同步对称开合机构可自适应对称张开与闭合以适应测斜导管1的直径偏差，同时保证测量杆2能够位于测斜传感装置的几何对称中心。

所述同步对称开合机构分上、下两组机构，上下间距50cm，每组机构包括导向轮开合固定板6、开合支撑杆7、伸缩轴8、压紧弹簧9、伸缩轴约束套10。伸缩轴约束套10铰接销钉固定于测量杆2，伸缩轴8的上端主体部分沿测量杆2轴向滑动设于伸缩轴约束套10，所述伸缩轴约束套10可对应设有滑动腔，伸缩轴8的上端主体部分为轴状件，可伸入滑动腔且沿滑动腔上下滑动，主体部分可设置限位机构，防止伸缩轴8的主体部分从滑动腔中脱出。伸缩轴8的下端底座与伸缩轴约束套10底部之间设有压紧弹簧9，压紧弹簧9套设在伸缩轴8的主体部分外部。

两个开合支撑杆7和两个导向轮开合固定板6对称布置在测量杆2两侧，导向轮开合固定板6对应设于开合支撑杆7下部，两个开合支撑杆7呈“八”字形外开设置，两个导向轮开合固定板6的一端相互铰接，且通过销钉固定于测量杆2，另一端向上外开与导向轮5铰接。开合支撑杆7的一端与伸缩轴8的底座铰接，另一端与导向轮开合固定板6铰接，即直径相同的两个导向轮5分别铰接在左右两侧导向轮开合固定板6上，保持导向轮5与导向轮开合固定板6在同一平面，左右两侧导向轮5的几何中心距两个导向轮开合固定板6的铰接点等距。左右两侧开合支撑杆7等长、结构形态相同。由于伸缩轴约束套10及两导向轮开合固定板6铰接销钉固定于测量杆2，使得伸缩轴约束套10轴线和同步对称开合机构始终与测量杆中轴线3保持一致。

将测量杆2沿测斜导管1导向槽下放至测斜导管1内，导向轮5受测斜导管1的直径限制，致使导向轮开合固定板6产生对称闭合运动，由对称布置的开合支撑杆7带动伸缩轴8沿测量杆2轴向运动，压紧弹簧9进一步受压可保证导向轮5与测斜导管1始终紧密接触；测量杆中轴线3与测斜导管1中心线时刻为同一轴线。

伸缩轴约束套10和开合支撑杆7在压紧弹簧9弹力作用下，可保证同步对称开合机构及导向轮5始终处于最大张开状态，同时有利于导向轮5与测斜导管1导向槽的紧密接触，导向轮5始终位于测斜导管1的滑动导向槽内上下滑动且不能脱出。

开合支撑杆7随伸缩轴约束套10布置在测量杆中轴线3两侧，伸缩轴8沿测量杆2轴向运动行走时，开合支撑杆7的运动轨迹呈同步对称变化，可有效保证导向轮开合固定板6转动角度呈同步变化，且转角相同。

导向轮开合固定板6相互铰接，铰接处可扩大接触面，采用凹凸设计，可有效保障左右两侧导向轮开合固定板6处于同一平面。

左右两侧导向轮5分别采用“+”或“-”符号予以标识，以便于区分第一次测量和第二次测量时，测量传感装置置入测斜导管导向槽时的放置方向。标识符不作唯一要求，仅具有标识作用。

本实用新型装置的结构特点：测量传感装置顺测斜导管导向槽运动时，测量传感装置的上、下组两侧导向轮5的连线与测量杆2可时刻保持垂直，上导轮组和下导轮组的左、右两侧导轮具有同步开合功能，固定导轮的左右两侧导向轮开合固定板6的运动方向始终处于同一平面。

本实用新型导向轮5通过同步开合机构与测量杆2相互铰接，形成约束测量杆2纵向方位角变化的一体化结构。测斜传感装置上的导向轮5与外部测斜导管1紧密接触，同步对称开合机构通过自适应对称张开与闭合，以适应测斜导管1的直径偏差或微小变形，有效保证了测量杆2始终位于测斜传感装置的几何对称中心及测斜导管1的中轴线。量测传感器固定在测量杆2上以实现对测量杆2方位角的高精度测量，连接电缆等部件以满足监测数据传输与测斜传感装置的运动操作需求，测斜传感装置沿着测斜导管1导向槽的行走测量实现测斜导管的方位角或位移变化的连续测量。本实用新型提供的测斜传感装置实现了导向轮与测斜导管的对称接触，保证了0°和旋转180°先、后两次测量时测斜传感装置的导向轮5与测斜导管1的接触仍为同一组触点，从而可消除导向轮5非对称布置带来的系统误差影响。相比倾斜向安装开合机构的传统杆式测斜传感装置及相应测量方法，本实用新型装置和测量方法可有效提高系统测量精度。

本实用新型装置的优点一：测量传感装置上、下导向轮与测斜导管的接触点位于测斜导管同一横截面，测量实际情况更加符合测斜仪累计位移计算的相关概化条件。

本实用新型装置的优点二：旋转180度角对称测量时传感装置导向轮与测斜导管的接触点，与0度角测量时传感装置导向轮与测斜导管的接触点相同，可避免测斜导管的不均匀性、或测斜导管内局部残留物不均匀分布导致的触点误差影响，通过完全意义上的对称测量降低测斜装置的系统误差影响。

采用上述测斜仪进行测量的过程如下：

测斜导管1是一个内径为76mm圆筒，其横截面有4个导向槽，相对导向槽之间连线相互正交，且交于导管横截面圆心处。

首先确认测量方向与测斜导管1的导向槽方向一致；

然后将标识有“+”标识符的导向轮5对准拟测量方向，适度压紧左右两侧导向轮5，对称开合机构呈适度闭合，保证上下两组导向轮5可顺畅进入测斜导管1的导向槽；

将测量传感装置下放至测斜导管1底部后，确定并记录测量孔深，待数据采集仪读数稳定后记录对应测值；

利用连接电缆依次拉动测量传感装置自下向上沿测斜导管1滑动行走，保持滑动间距为50cm，各间隔点作为倾斜角度或位移测量的观测点，依次记录数据采集仪读数稳定后的对应测值；

测量传感装置滑动至空口处时，结束第一次测量，设定本次测量为正向测量；

将测量传感装置沿测量杆2旋转180度，按前述方法将导向轮5再次放入测斜导管1的同一组导向槽。此时测量传感装置的导向轮实际表现为对称交换进入测斜导管1导向槽，即标识有“-”标识符的导向轮5对准拟测量方向；

将测量传感装置下方至测斜导管1底部，且保证深度与第一次测量时的测量孔深一致；

按照第一测量时步骤及对应测点依次测量并记录倾斜角度或位移，设定本次测量为第二次测量，且为负向测量；

将两次测量成果按照本权利说明书背景技术所述计算方法及原理进行位移解算，可得到工程构筑物的倾斜和位移测量结果。

采用上述测量方法进行工程构筑物倾角和位移测量时，可保证工程构筑物倾角和位移的测量与计算，可精确概化为同一基准截面；对工程构筑物的同一部位对称测量时，可消除因测量传感装置的导向轮非对称布置带来的系统误差影响，从而有效提升各测点的测量精度，还可有效提升工程构筑物累计位移的量测精度。