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)，湖北 武漢 430071)

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靜力水準(zhǔn)儀標(biāo)定方法的研究

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)，湖北 武漢 430071)

摘要：介紹了以大量程百分表為基礎(chǔ)的靜力水準(zhǔn)儀步進(jìn)電機(jī)標(biāo)定法，標(biāo)定測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足靜力水準(zhǔn)儀器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法有效地得出了比例因子，減小了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境對(duì)觀(guān)測(cè)的影響。

關(guān)鍵詞：百分表；靜力水準(zhǔn)；步進(jìn)電機(jī)；比例因子

靜力水準(zhǔn)儀是一種通過(guò)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間或多點(diǎn)間相對(duì)高程變化的建筑工程沉降位移監(jiān)測(cè)設(shè)備，其主要應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐、大壩、核電站、高層建筑、基坑、隧道、橋梁、地鐵。通常靜力水準(zhǔn)儀都會(huì)被安裝在等高的測(cè)墩上，或墻壁內(nèi)的等高線(xiàn)上。采用一體化模塊化自動(dòng)測(cè)量單元采集數(shù)據(jù)，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通訊與計(jì)算機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀(guān)測(cè)。

一套完整的靜力水準(zhǔn)儀是由若干個(gè)缽體通過(guò)液體管道連接而成，缽體內(nèi)置有測(cè)量液面變化的傳感器。傳感器本身所具有的技術(shù)指標(biāo)會(huì)直接影響到整個(gè)儀器系統(tǒng)的測(cè)量精度，同時(shí)儀器各個(gè)機(jī)械主體部件的加工及裝配精度也會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響。因此，在靜力水準(zhǔn)儀正常工作之前，對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定就是一項(xiàng)必不可少的工作。

1一般標(biāo)定方法

1.1標(biāo)準(zhǔn)塊法

選定一個(gè)缽體作為基準(zhǔn)水箱，將待標(biāo)定缽體通過(guò)水管與之相連。調(diào)水箱與待標(biāo)定缽體之間的水平，往水箱之中注入工作液體(如蒸餾水)。待液面穩(wěn)定之后，往水箱之中放入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊，放入時(shí)應(yīng)防止水滴濺出和引起水面波動(dòng)。此時(shí)，在這兩個(gè)缽體組成的系統(tǒng)中，待標(biāo)定缽體的液面將會(huì)升高，通過(guò)計(jì)算投入標(biāo)準(zhǔn)塊的體積所應(yīng)當(dāng)升高的液面高度來(lái)進(jìn)行儀器標(biāo)定。但此種標(biāo)定方法只能?chē)?yán)格標(biāo)定缽體的單程測(cè)量結(jié)果，因?yàn)楫?dāng)從液體中取出標(biāo)準(zhǔn)塊時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)塊必定會(huì)粘帶有水珠，從而使得液面實(shí)際體積減少，液面高差變化也減小。經(jīng)過(guò)估算，如果有一滴水珠被帶出或加入系統(tǒng)，將會(huì)產(chǎn)生±1.7 um左右的液面高差變化的誤差。通過(guò)本方法標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)塊往往會(huì)粘帶很多水滴，所以誤差無(wú)法估算，從而影響儀器的分辨率及測(cè)量精度，因此標(biāo)準(zhǔn)塊標(biāo)定法在標(biāo)定儀器的反行程是不合適的。

1.2步進(jìn)電機(jī)法

以武漢地震科學(xué)儀器研究院有限公司生產(chǎn)的JSY-ID型遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)要求搭建如圖1所示的標(biāo)定系統(tǒng)。其中，大量程百分表(0～30 mm)的精度為30 um，分度值為0.01 mm。通過(guò)固定支架將大量程百分表夾持，垂直固定于步距為2 mm的步進(jìn)電機(jī)上。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)使得缽體1上升20 mm，同時(shí)讀取大量程百分表數(shù)值20-αmm，則步進(jìn)電機(jī)每一步的標(biāo)準(zhǔn)值為：n(2-α/20)mm(其中n為步數(shù))。

圖1　標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

在無(wú)風(fēng)的實(shí)驗(yàn)條件下，將靜力水準(zhǔn)儀安放在標(biāo)定系統(tǒng)上，以液面變化4 mm為一個(gè)檔位，標(biāo)定系統(tǒng)從零位開(kāi)始逐一進(jìn)檔直至滿(mǎn)量程20 mm(上行)，記錄每檔的測(cè)試結(jié)果。然后再逐一退檔至零位(下行)，同樣記錄每檔的測(cè)試結(jié)果，如此共進(jìn)行三次循環(huán)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)表

根據(jù)公式，可求得非線(xiàn)性誤差：

其中，Xi為每一個(gè)靜力水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)的測(cè)值，Ci為標(biāo)定系統(tǒng)中大量程百分表所標(biāo)定的位移值，L為JSY-ID型靜力水準(zhǔn)儀的滿(mǎn)量程值，i為靜力水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)序號(hào)(i=1,2，3……n)。

同時(shí)進(jìn)行不重復(fù)度實(shí)驗(yàn)，計(jì)算公式為：

其中，X[i]max和X[i]min分別為各個(gè)靜力水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)在正反行程中的最大和最小測(cè)值。

最后進(jìn)行滯后誤差實(shí)驗(yàn)，計(jì)算公式為：

其中，X[i]m和X[i]n分別為各個(gè)靜力水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)測(cè)值在正反行程中的均值，L為儀器滿(mǎn)量程值。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所計(jì)算得到的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，其中標(biāo)準(zhǔn)值為查詢(xún)所得儀器的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值。從表中數(shù)值對(duì)比可見(jiàn)，此種實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方法是滿(mǎn)足靜力水準(zhǔn)儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量要求的。

表2　測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

2現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法

靜力水準(zhǔn)儀安裝完成后，在工作現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。以JSY-ID型靜力水準(zhǔn)儀為例(如圖2所示)，數(shù)臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀連接形成的一條測(cè)點(diǎn)線(xiàn)上，布置有一個(gè)標(biāo)定器，標(biāo)定器主要由標(biāo)定筒和通過(guò)螺旋機(jī)構(gòu)可以上下移動(dòng)的標(biāo)定棒組成。采用標(biāo)定棒增減工作液體的體積，人為改變液面變化進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定是該儀器的標(biāo)定原理。

根據(jù)水的不可壓縮特征，對(duì)n個(gè)靜力水準(zhǔn)儀缽體內(nèi)液面高度的變化ΔH水，由如下計(jì)算公式確定：

式中：ΔH棒為標(biāo)定棒移動(dòng)量，r棒為標(biāo)定棒半徑100，r為缽體半徑(均等)，r標(biāo)為標(biāo)定筒半徑，單位均為mm。r、r棒、r標(biāo)在儀器出廠(chǎng)時(shí)給出實(shí)測(cè)值。ΔH棒則是標(biāo)定時(shí)設(shè)置給出。標(biāo)定棒絲桿螺距為1 mm。即標(biāo)定盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，標(biāo)定棒上升或下降1 mm。

圖2　標(biāo)定裝置原理示意圖

根據(jù)公式求得標(biāo)定器標(biāo)定的液面高度變化ΔH水，觀(guān)測(cè)測(cè)點(diǎn)所得的信號(hào)輸出變化ΔH，則可求得比例因子K=ΔH水/ΔH。將各個(gè)測(cè)點(diǎn)的K值存入MCU控制單元，以后信號(hào)采集到的液面變化值ΔH×K就是以mm為單位的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確觀(guān)測(cè)值。

3結(jié)束語(yǔ)

以大量程百分表為基礎(chǔ)的步進(jìn)電機(jī)標(biāo)定方法，對(duì)靜力水準(zhǔn)儀的標(biāo)定試驗(yàn)表明，測(cè)試結(jié)果是滿(mǎn)足靜力水準(zhǔn)儀器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的。儀器安裝后的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，則確定了比例因子K，提高了靜力水準(zhǔn)儀的觀(guān)測(cè)精度，很大程度上減小了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的環(huán)境對(duì)觀(guān)測(cè)帶來(lái)的不利影響。

參考文獻(xiàn)

[1]何曉業(yè).CCD靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)定方法和擬合[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2007(3)：113-117.

Study on the Calibration Method for Static Leveling Instrument

Yu Jianfeng

(KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,CEA,WuhanHubei430071,China)

Abstract:The article introduces the step motor calibration method of static leveling instrument based on large range indicator. The calibration results meet the static level of industry standards. The locale calibration obtains the scaling factor and reduces the influence of complex environment on the observation site.

Key words:indicator; static level; step motor; scaling factor

收稿日期：2016-02-29

作者簡(jiǎn)介：余劍鋒(1988- )，男，湖北咸寧人，工程師，碩士，主要從事大壩形變安全監(jiān)測(cè)工作。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)03- 0077- 02

中圖分類(lèi)號(hào)：TH762

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A