一種用于隧道相對位移測量儀器的研發

柴艷飛　趙　亮　王有余　肖　強

摘要：為了得到精確的巖體內部變形參數，巖體內部相對位移測量設備的應用已非常廣泛，但國內外的位移測量設備相對落后。改變了傳統的機械化測量裝置，設計出一種自動化、智能化、高精度的位移測量系統。介紹了智能位移測量系統的結構組成、特點及創新點和使用方法。應用函數模擬和數值分析法進行標識點的布置，可為后續的位移測量設備提供參考。

關鍵詞：巖體；智能位移測量系統；智能化；相對位移

中圖分類號：Tu112.2

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)09-0283-02

1智能位移測量系統的原理與組成

1.1原理

該設備的工作原理是：以高精度步進電機驅動超銦鋼合金輪在導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，然后把采集到的數據進行數值分析，確定各個位置標志之間的距離，不同時刻的距離之差即為該時間段的位移變化量。

1.2系統組成

該系統由四大部分組成：系統控制記錄部分、位移驅動部分、標志捕捉部分和信號分析部分，系統控制記錄部分相當于電腦的CPU，起到對整個系統進行動作控制，采樣記錄，信號接收與發送等功能，主要通過單片機來實現。位移驅動部分是整個系統的核心之一，其位移控制精度高，溫度、震動等變化對其影響較小，對系統的總體誤差起主要控制作用。標志捕捉部分是系統的另一個核心部分，它通過差動傳感器得到標志點的精確點位。信號分析部分通過數值分析來確定標志點的位移和方向的變化情況。(參數要求(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該設備具有以下特點

(1)安裝準備簡單，只需最初在鉆孔安裝位置標志及帶導軌的塑料管即可。

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

(3)位移測量幾乎不受限制。

(4)可以測量彎曲路徑。

(5)測量設備可以重復使用。

(6)選用超銦鋼合金輪系統受溫度影響很小。

(7)測量設備體積小，方便攜帶。

1.4智能位移測量系統的主要技術創新

(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，也即標志點的精確位置，利用數值方法大幅度提高位移測量精度。

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

(5)設置自動往返裝置，進一步減小其測量誤差。

2智能位移測量系統的使用方法

在位移檢測過程中，首先根據工程實際需要，如設計中鉆孔的方向(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輪的材料和尺寸。安裝導軌前應先固定標識點且選擇相應型號的傳感器。然后把導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。最后打開開關讓其自動運行，把系統控制記錄部分，信號分析部分的結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室內實驗

實驗目的：檢驗相對位移測量儀器的工作性能和精確度。

實驗步驟：(1)把實驗導軌放置在實驗臺上，導軌兩端固定，保證導軌底部的平穩。(2)把標志點(磁點)，每隔O，15m安置在導軌的側端，并且標號為1、2、3…11，放置過程中要用角分器進行標志點位置測量，盡量做到標志點之間的距離為0.15m。(3)測量裝置放在導軌上，打開開關讓其在導軌上做往復運動，并記錄標志點未受擾動時的初始位置，取左端為坐標原點。(4)人為的擾動標志點(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，記錄擾動后標志點的位置。(5)通過信號分析部分進行數據的分析，并繪圖。(6)通過游標卡尺來確定擾動后各標志點的位置，來檢驗系統的精確度。

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

(2)測量精確度與設計精度差一個數量級，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計要求，其加工精度有待于進一步提高。

4結語

本儀器的研發在功能上已經實現設計要求，并通過室內試驗證明了該設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計和工作實際要求，這就要求我們繼續對該儀器從硬件配套和軟件開發方面做一些工作以提高其精度。

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