一種用于隧道相對位移測量儀器的研發(fā)

柴艷飛　趙　亮　王有余　肖　強

摘要：為了得到精確的巖體內(nèi)部變形參數(shù)，巖體內(nèi)部相對位移測量設(shè)備的應(yīng)用已非常廣泛，但國內(nèi)外的位移測量設(shè)備相對落后。改變了傳統(tǒng)的機械化測量裝置，設(shè)計出一種自動化、智能化、高精度的位移測量系統(tǒng)。介紹了智能位移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、特點及創(chuàng)新點和使用方法。應(yīng)用函數(shù)模擬和數(shù)值分析法進行標(biāo)識點的布置，可為后續(xù)的位移測量設(shè)備提供參考。

關(guān)鍵詞：巖體；智能位移測量系統(tǒng)；智能化；相對位移

中圖分類號：Tu112.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)09-0283-02

1智能位移測量系統(tǒng)的原理與組成

1.1原理

該設(shè)備的工作原理是：以高精度步進電機驅(qū)動超銦鋼合金輪在導(dǎo)軌中作一次往返運動，作為位移基本測量裝置，同時采集差動位置傳感器的差動電壓，然后把采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析，確定各個位置標(biāo)志之間的距離，不同時刻的距離之差即為該時間段的位移變化量。

1.2系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由四大部分組成：系統(tǒng)控制記錄部分、位移驅(qū)動部分、標(biāo)志捕捉部分和信號分析部分，系統(tǒng)控制記錄部分相當(dāng)于電腦的CPU，起到對整個系統(tǒng)進行動作控制，采樣記錄，信號接收與發(fā)送等功能，主要通過單片機來實現(xiàn)。位移驅(qū)動部分是整個系統(tǒng)的核心之一，其位移控制精度高，溫度、震動等變化對其影響較小，對系統(tǒng)的總體誤差起主要控制作用。標(biāo)志捕捉部分是系統(tǒng)的另一個核心部分，它通過差動傳感器得到標(biāo)志點的精確點位。信號分析部分通過數(shù)值分析來確定標(biāo)志點的位移和方向的變化情況。(參數(shù)要求(1)1步進電機的步進角至少在0.9°以下，位移控制差在0.01mm／m左右；(2)根據(jù)溫度、震動及摩擦條件，步進電機位移誤差控制在0.25mm／10m以下，步進角位移最大影響誤差控制在0.01mm／r左右)。

1.3該設(shè)備具有以下特點

(1)安裝準(zhǔn)備簡單，只需最初在鉆孔安裝位置標(biāo)志及帶導(dǎo)軌的塑料管即可。

(2)使用簡單，在需要測量時把測量儀放入孔中的導(dǎo)軌中，打開開關(guān)讓其自動運行即可。

(3)位移測量幾乎不受限制。

(4)可以測量彎曲路徑。

(5)測量設(shè)備可以重復(fù)使用。

(6)選用超銦鋼合金輪系統(tǒng)受溫度影響很小。

(7)測量設(shè)備體積小，方便攜帶。

1.4智能位移測量系統(tǒng)的主要技術(shù)創(chuàng)新

(1)充分利用步進電機，步進角誤差的無累積性進行長距離的位移測量。

(2)利用差動位置傳感器的離散信號來捕捉標(biāo)志點的位置。

(3)對捕捉信號在理論曲線下進行擬合，尋其峰值，也即標(biāo)志點的精確位置，利用數(shù)值方法大幅度提高位移測量精度。

(4)采取一步的信號措施，利用數(shù)理統(tǒng)計，使其在一定置信度下充分滿足穩(wěn)定性要求。

(5)設(shè)置自動往返裝置，進一步減小其測量誤差。

2智能位移測量系統(tǒng)的使用方法

在位移檢測過程中，首先根據(jù)工程實際需要，如設(shè)計中鉆孔的方向(水平鉆孔、豎直鉆孔、斜鉆孔)、深度、地下的溫度和地下水等情況來選擇不同型號的步進電機和轉(zhuǎn)輪的材料和尺寸。安裝導(dǎo)軌前應(yīng)先固定標(biāo)識點且選擇相應(yīng)型號的傳感器。然后把導(dǎo)軌放入已鉆好的鉆孔中并且用水泥砂漿將其與孔壁固定成一體。最后打開開關(guān)讓其自動運行，把系統(tǒng)控制記錄部分，信號分析部分的結(jié)果與工程允許位移進行比較分析，最終確定巖體的變形程度。

3室內(nèi)實驗

實驗?zāi)康模簷z驗相對位移測量儀器的工作性能和精確度。

實驗步驟：(1)把實驗導(dǎo)軌放置在實驗臺上，導(dǎo)軌兩端固定，保證導(dǎo)軌底部的平穩(wěn)。(2)把標(biāo)志點(磁點)，每隔O，15m安置在導(dǎo)軌的側(cè)端，并且標(biāo)號為1、2、3…11，放置過程中要用角分器進行標(biāo)志點位置測量，盡量做到標(biāo)志點之間的距離為0.15m。(3)測量裝置放在導(dǎo)軌上，打開開關(guān)讓其在導(dǎo)軌上做往復(fù)運動，并記錄標(biāo)志點未受擾動時的初始位置，取左端為坐標(biāo)原點。(4)人為的擾動標(biāo)志點(在軌道中間加壓使軌道變形)，然后通過測量裝置中的控制記錄部分，記錄擾動后標(biāo)志點的位置。(5)通過信號分析部分進行數(shù)據(jù)的分析，并繪圖。(6)通過游標(biāo)卡尺來確定擾動后各標(biāo)志點的位置，來檢驗系統(tǒng)的精確度。

結(jié)論分析：(1)相對位移測量系統(tǒng)可以測定兩點之間相對位移的變化，說明該設(shè)計方案可行，具有實用性。

(2)測量精確度與設(shè)計精度差一個數(shù)量級，主要有三個原因：①實驗時所用步進電機的步進角為1.8度，如果使用0.9度的步進電機效果會更好。②軟件方面劃分細度比較粗略，要進一步細分。③軌道的加工精度沒有達到設(shè)計要求，其加工精度有待于進一步提高。

4結(jié)語

本儀器的研發(fā)在功能上已經(jīng)實現(xiàn)設(shè)計要求，并通過室內(nèi)試驗證明了該設(shè)計方案的可行性和儀器的實用性，但由于步進電機和軟件等方面的原因使得精度達不到設(shè)計和工作實際要求，這就要求我們繼續(xù)對該儀器從硬件配套和軟件開發(fā)方面做一些工作以提高其精度。

縱觀其他行業(yè)各種儀器設(shè)備的發(fā)展，可以看出都在向小型化、自動化及智能化方向發(fā)展，所以巖體相對位移測量裝置的小型化及智能化的發(fā)展是一個必然的趨勢。