新型光機引張線儀的研制*

李農(nóng)發(fā) 趙義飛 歐同庚 余劍鋒

(中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071)

1 引言

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

2 基本原理

水平位移監(jiān)測的基本原理是:設(shè)置一條基準(zhǔn)線或若干基準(zhǔn)點，采用光學(xué)、機械學(xué)或電子學(xué)等原理的監(jiān)測儀器，測量出不同時間各監(jiān)測點相對于基準(zhǔn)線或基準(zhǔn)點的位置，從而獲得各測點水平方向的位移(圖1)。

如圖1，當(dāng)引張線的工作基點為相對不動點時，實測水平位移為

式中ΔX 為引張線的實測水平位移，Xi為第i 次讀數(shù)值，Xo為初始測值，即基準(zhǔn)測值，初次觀測時間稱為基準(zhǔn)時間。一般情況下，X 讀數(shù)分為自動化觀測值和人工觀測值，通過引張線人工與自動化對比觀測分析，可以判斷引張線自動化觀測和人工觀測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 光機引張線儀的系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

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

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型光機引張線儀由帶標(biāo)尺的強制歸心基座、機械定位螺桿、下面板、手動平移臺、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，作為鋼絲的零點位置。手動平移臺采用了螺桿驅(qū)動方式，燕尾槽導(dǎo)軌。

其觀測方法如下:將光機引張線儀平穩(wěn)置于帶標(biāo)尺的下底板上方，打開照明電源，旋動手柄移動導(dǎo)軌，讓其向標(biāo)尺上方的零點位置移動，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，此時打開數(shù)顯百分尺，并清零。然后旋動手柄移動導(dǎo)軌，讓光學(xué)顯微鏡鏡頭移動至工作鋼絲(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)顯百分尺記錄觀測測值。

4 系統(tǒng)測試

4.1 線性誤差測試

為評價系統(tǒng)的線性誤差及分辨率，選用誤差為2 um 大工顯工作臺作為試驗的測試平臺。把引張線儀與歸心底座平放在大工顯工作臺上，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)顯卡尺給出測量結(jié)果Xi，并通過公式ΔX=Xi－X 計算出誤差值。系統(tǒng)誤差測試如表1。

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

表1 系統(tǒng)誤差測試結(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，新型光機引張線儀在精度上有了提高。

4.2 分辨率測試

將引張線儀與歸心底座平放在大工顯工作臺上，方法同上。在3、26、48 mm 處，將鋼絲同方向移動五次，每次移動增加0.02 mm。由此檢測出新型光機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 三個位置處依次同方向移動0.02 mm 時，新型光機引張線儀的測量數(shù)據(jù)幾乎呈同步增加變化，而且與鋼絲的移動方向一致。對測試數(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)分辨率測試(單位:mm)Tab.2 Results of system resolution test(unit:mm)

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)的人工引張線儀現(xiàn)場使用復(fù)雜，系統(tǒng)誤差大等問題，設(shè)計了一種新型光機引張線儀，并通過高精度的大工顯工作臺進(jìn)行了系統(tǒng)線性誤差測試和分辨率測試。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)測規(guī)范與設(shè)計要求。

1 李宗春，李廣云.我國大壩變形監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.測繪通報，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)測理論與應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.(He Jinping.Theory and application of dam monitoring［M］.Beijing:China Water ＆ Power Press，2010)