新型光機(jī)引張線儀的研制*

李農(nóng)發(fā) 趙義飛 歐同庚 余劍鋒

(中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071)

1 引言

變形監(jiān)測(cè)是大壩安全監(jiān)測(cè)中的重要項(xiàng)目，引張線法是大壩變形監(jiān)測(cè)的常用方法［1，2］。早期安裝在大壩上的引張線儀，采用人工測(cè)量讀尺，所以其測(cè)量精度很容易受人工觀測(cè)誤差的影響。為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一款新的光機(jī)引張線儀。

2 基本原理

水平位移監(jiān)測(cè)的基本原理是:設(shè)置一條基準(zhǔn)線或若干基準(zhǔn)點(diǎn)，采用光學(xué)、機(jī)械學(xué)或電子學(xué)等原理的監(jiān)測(cè)儀器，測(cè)量出不同時(shí)間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)線或基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，從而獲得各測(cè)點(diǎn)水平方向的位移(圖1)。

如圖1，當(dāng)引張線的工作基點(diǎn)為相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)時(shí)，實(shí)測(cè)水平位移為

式中ΔX 為引張線的實(shí)測(cè)水平位移，Xi為第i 次讀數(shù)值，Xo為初始測(cè)值，即基準(zhǔn)測(cè)值，初次觀測(cè)時(shí)間稱為基準(zhǔn)時(shí)間。一般情況下，X 讀數(shù)分為自動(dòng)化觀測(cè)值和人工觀測(cè)值，通過引張線人工與自動(dòng)化對(duì)比觀測(cè)分析，可以判斷引張線自動(dòng)化觀測(cè)和人工觀測(cè)的精度以及引張線的工作狀態(tài)。

圖1 引張線示意圖Fig.1 Sketch of wire alignment transducer

3 光機(jī)引張線儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)測(cè)量方法的基本原理是測(cè)量工作鋼絲與零點(diǎn)鋼絲的位置的偏移量。該光機(jī)引張線儀是基于電子數(shù)顯卡尺，通過讀數(shù)顯微鏡先找到零點(diǎn)鋼絲，將電子數(shù)顯卡尺清零，旋動(dòng)手動(dòng)平移臺(tái)的手柄，移動(dòng)導(dǎo)軌，帶動(dòng)電子數(shù)顯卡尺和讀數(shù)顯微鏡向引張線工作鋼絲方向移動(dòng)，再借助顯微鏡找到工作鋼絲的位置，最后從電子數(shù)顯卡尺讀出測(cè)值。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型光機(jī)引張線儀由帶標(biāo)尺的強(qiáng)制歸心基座、機(jī)械定位螺桿、下面板、手動(dòng)平移臺(tái)、數(shù)顯百分尺、上面板、顯微鏡底座、JC-IO 讀數(shù)顯微鏡、照明燈組成(圖2)。帶標(biāo)尺的強(qiáng)制歸心基座由V 字型支撐螺帽、量程為150 mm 的鋼尺、壓板組成。壓板的作用是固定一小端不銹鋼鋼絲在鋼尺上方，作為鋼絲的零點(diǎn)位置。手動(dòng)平移臺(tái)采用了螺桿驅(qū)動(dòng)方式，燕尾槽導(dǎo)軌。

其觀測(cè)方法如下:將光機(jī)引張線儀平穩(wěn)置于帶標(biāo)尺的下底板上方，打開照明電源，旋動(dòng)手柄移動(dòng)導(dǎo)軌，讓其向標(biāo)尺上方的零點(diǎn)位置移動(dòng)，調(diào)節(jié)JC-10 讀數(shù)顯微鏡焦距，通過目鏡觀察物體在分劃板上的成像是否清晰，觀測(cè)顯微鏡鏡頭下方的固定鋼絲，讓鋼絲處于分劃板(雙絲)中間，此時(shí)打開數(shù)顯百分尺，并清零。然后旋動(dòng)手柄移動(dòng)導(dǎo)軌，讓光學(xué)顯微鏡鏡頭移動(dòng)至工作鋼絲(工作鋼絲)正上方，并通過顯微鏡觀察工作鋼絲與分劃板，微調(diào)齒輪移動(dòng)導(dǎo)軌，確定工作鋼絲的位置，最后通過數(shù)顯百分尺記錄觀測(cè)測(cè)值。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 線性誤差測(cè)試

為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的線性誤差及分辨率，選用誤差為2 um 大工顯工作臺(tái)作為試驗(yàn)的測(cè)試平臺(tái)。把引張線儀與歸心底座平放在大工顯工作臺(tái)上，將直徑為1.2 mm 的不銹鋼絲通過特定的夾具固定，并調(diào)整鋼絲的高度，使其在底板標(biāo)尺上方合適位置，使其在底板標(biāo)尺上方1.5 mm 處。將50 mm的范圍分為10檔，位移由大工顯工作臺(tái)給出，檔位從零位開始，每次間隔5 mm，通過電子數(shù)顯卡尺給出測(cè)量結(jié)果Xi，并通過公式ΔX=Xi－X 計(jì)算出誤差值。系統(tǒng)誤差測(cè)試如表1。

圖2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 System mechanical structure

表1 系統(tǒng)誤差測(cè)試結(jié)果(單位:mm)Tab.1 Results of system error test(unit:mm)

從表1 可以看出，最大系統(tǒng)誤差為0.05 mm，而傳統(tǒng)的人工引張線儀為0.1 mm，與傳統(tǒng)的人工引張線儀比較，新型光機(jī)引張線儀在精度上有了提高。

4.2 分辨率測(cè)試

將引張線儀與歸心底座平放在大工顯工作臺(tái)上，方法同上。在3、26、48 mm 處，將鋼絲同方向移動(dòng)五次，每次移動(dòng)增加0.02 mm。由此檢測(cè)出新型光機(jī)引張線的分辨率如表2 所示。

從表2 可以發(fā)現(xiàn)，鋼絲在3.00 mm、26 mm、48 mm 三個(gè)位置處依次同方向移動(dòng)0.02 mm 時(shí)，新型光機(jī)引張線儀的測(cè)量數(shù)據(jù)幾乎呈同步增加變化，而且與鋼絲的移動(dòng)方向一致。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理可得該引張線的分辨率為0.02 mm。

表2 系統(tǒng)分辨率測(cè)試(單位:mm)Tab.2 Results of system resolution test(unit:mm)

5 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)的人工引張線儀現(xiàn)場(chǎng)使用復(fù)雜，系統(tǒng)誤差大等問題，設(shè)計(jì)了一種新型光機(jī)引張線儀，并通過高精度的大工顯工作臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)線性誤差測(cè)試和分辨率測(cè)試。結(jié)果表明，系統(tǒng)精度與傳統(tǒng)的人工引張線儀有所提高，系統(tǒng)分辨率滿足大壩安全監(jiān)測(cè)規(guī)范與設(shè)計(jì)要求。

1 李宗春，李廣云.我國(guó)大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.測(cè)繪通報(bào)，2002，48(10):19－21.(Li Zongchun and Li Guangyun.Review of present situation and progress in monitoring methods for dam deformation in China［J］.Bulletion of Surveying and Mapping，2002，48(10):19－21)

2 何金平.大壩安全監(jiān)測(cè)理論與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.(He Jinping.Theory and application of dam monitoring［M］.Beijing:China Water ＆ Power Press，2010)