李懷彬，劉陽(yáng)，黃費(fèi)新，張志炳，吳皓然

(中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院，北京 100025)

0 引言

工程上高度測(cè)量是長(zhǎng)度測(cè)量的一種，目前有鋼尺量高、水準(zhǔn)儀配合鋼尺測(cè)高、經(jīng)緯儀配合鋼尺測(cè)高、全站儀測(cè)高、測(cè)高儀測(cè)高、GPS測(cè)高及多種儀器配合解析法間接量高等多種方法[1-5]。目前，主流RTK測(cè)高的精度已達(dá)厘米級(jí)，但是在微變形領(lǐng)域這種測(cè)量精度明顯偏低。隨著信息技術(shù)和MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)納米精度的檢測(cè)技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求[6]。激光干涉檢測(cè)技術(shù)由于靈敏度高、精度高及非接觸性等優(yōu)點(diǎn)已得到廣泛應(yīng)用，但干涉信號(hào)容易受干擾，且儀器價(jià)格昂貴，在工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、批量化布設(shè)。

目前，獲取地表侵蝕速率最有效的方法是利用微侵蝕測(cè)量?jī)x直接測(cè)量巖石表面的高度變化[7]。微侵蝕測(cè)量?jī)x易于直接測(cè)量特定地區(qū)巖石表面侵蝕速率，現(xiàn)在已被應(yīng)用到多種自然環(huán)境條件下[8-9]。但限于螺旋測(cè)微器精度(0.01 mm)不足的原因，仍難以滿(mǎn)足大多數(shù)地區(qū)短時(shí)間內(nèi)測(cè)量出準(zhǔn)確侵蝕速率值的要求，也不便于大規(guī)模開(kāi)展測(cè)量。因此，亟需研發(fā)一種測(cè)量精度高、攜帶方便且成本較低的測(cè)量裝置。本文在前人的研究[10-11]基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加組合齒輪組裝置和擴(kuò)展可移動(dòng)圓盤(pán)，有效地提高了測(cè)量精度，理論上可達(dá)納米級(jí)。

1 裝置的組成及原理

本裝置基于螺旋測(cè)微器進(jìn)行了改進(jìn)，增加了組合齒輪組(輸入和輸出比為500∶1)和擴(kuò)展可移動(dòng)圓盤(pán)(擴(kuò)展可移動(dòng)圓盤(pán)100的整數(shù)倍)。利用輸入和輸出比為500∶1(優(yōu)點(diǎn)是易于直接讀出測(cè)量結(jié)果)或1000∶1(優(yōu)點(diǎn)是精度稍高)的組合齒輪組裝置，根據(jù)齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械放大原理，對(duì)裝置進(jìn)行再改進(jìn)，理論上也可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)測(cè)量，且容易達(dá)到更高精度控制。產(chǎn)品原理見(jiàn)圖1，主要包括螺旋測(cè)微頭(0～25 mm帶螺母平頭)、500∶1的減速齒輪組和支架。

圖1中原來(lái)裝置的500刻度圓盤(pán)替換為1個(gè)模數(shù)0.5齒數(shù)50的齒輪，齒數(shù)與下方的螺旋測(cè)微器每一螺距的50等分?jǐn)?shù)值相對(duì)應(yīng)。減速齒輪組由1個(gè)模數(shù)0.5齒數(shù)50、3個(gè)模數(shù)0.5齒數(shù)100和10的雙層齒輪嚙合在一起，可實(shí)現(xiàn)500倍的放大效果。因此最末端齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)500圈，螺桿便沿著旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)方向前進(jìn)或后退一個(gè)螺距的距離(0.5 mm)。即末端齒輪每轉(zhuǎn)1圈對(duì)應(yīng)1 μm，每1齒對(duì)應(yīng)10 nm，加上估讀數(shù)即到納米級(jí)。組合齒輪設(shè)計(jì)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)精度擴(kuò)展性非常好，雖然目前因?yàn)榻佑|標(biāo)志精度限制達(dá)不到納米級(jí)測(cè)量，但如果能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)接觸判斷，只需再增加一個(gè)齒輪，儀器讀數(shù)精度就提高到了納米級(jí)。

為了使用上述測(cè)量裝置適用于在野外測(cè)量巖石侵蝕速率，我們對(duì)該裝置進(jìn)行了改造，添加輔助裝置使其變?yōu)閹r石侵蝕速率測(cè)量裝置(如圖2)。決定測(cè)量精度的關(guān)鍵因素之一是準(zhǔn)確認(rèn)定螺旋測(cè)微器測(cè)桿和巖石表面的接觸瞬間時(shí)刻，目前靠人工撥動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的方式儀器測(cè)量精度為1 μm左右。本次為了提高儀器的測(cè)量精度，在螺旋測(cè)微器測(cè)頭位置安裝了壓電感應(yīng)式燈泡，利用燈泡亮和滅來(lái)判斷測(cè)頭與測(cè)量物的接觸瞬間，這大大提高了儀器測(cè)量精度的有效性。

1. 螺旋測(cè)微頭/千分尺；2. 100齒齒輪；3. 指針；4. 100刻度可移動(dòng)圓盤(pán)；5. 裝置框架；6. 軸桿；7. 底座；8. 壓電感應(yīng)式燈泡

圖3是一個(gè)簡(jiǎn)便的雙測(cè)頭1000∶1齒輪組測(cè)量裝置原型機(jī)照片，左測(cè)頭用來(lái)測(cè)量巖石表面的高低變化，右測(cè)頭用來(lái)作對(duì)照。

2 測(cè)量方法

為保證測(cè)量精度，排除系統(tǒng)測(cè)量誤差，圖3右測(cè)頭用來(lái)作對(duì)照，左測(cè)頭用來(lái)進(jìn)行巖石侵蝕面測(cè)量。第一次測(cè)量左右測(cè)頭各測(cè)得一個(gè)數(shù)值，第二次測(cè)量再各得到一個(gè)數(shù)值，將兩次所測(cè)數(shù)值進(jìn)行差值計(jì)算。將左測(cè)頭差值根據(jù)右測(cè)頭差值進(jìn)行校正后得到的值，即為侵蝕量數(shù)值。如果每日測(cè)一次，則為巖石固定面的日侵蝕量；每月測(cè)一次，即為巖石固定面的月侵蝕量。

圖3 雙測(cè)頭組合齒輪式納米級(jí)測(cè)量裝置原型機(jī)

為了驗(yàn)證儀器的性能，利用原型機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)模擬測(cè)量。由于原型機(jī)的齒輪組合是1000∶1，因此取前后2次記錄數(shù)值的差值的1/2為測(cè)量差值。為提高測(cè)量精度，減小系統(tǒng)測(cè)量誤差，左測(cè)頭和右測(cè)頭同時(shí)測(cè)量，在相同的溫壓條件下，共測(cè)得25組數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 雙測(cè)頭組合齒輪式納米級(jí)測(cè)量裝置模擬測(cè)量數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1，將右測(cè)頭所測(cè)數(shù)據(jù)投影到散點(diǎn)圖上(圖4)，能夠清晰地顯示右測(cè)頭測(cè)量數(shù)據(jù)集中在±0.000 060 mm之間變化，只有3組數(shù)據(jù)在范圍之外。將左測(cè)頭所測(cè)數(shù)據(jù)投影到散點(diǎn)圖上(圖5)，其投影點(diǎn)也集中在±0.000 060 mm之間，這更加說(shuō)明了儀器的測(cè)量精度在0.1 μm，其測(cè)量精度明顯比原儀器[10-11]提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖4 右測(cè)頭測(cè)量差值散點(diǎn)圖

圖5 左測(cè)頭測(cè)量差值散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

本文介紹的測(cè)量裝置已獲批實(shí)用新型專(zhuān)利證書(shū)，該測(cè)量裝置對(duì)已研發(fā)的微米級(jí)便攜式高精度游標(biāo)螺旋測(cè)微儀進(jìn)行了升級(jí)改造，利用組合齒輪組和擴(kuò)展可移動(dòng)圓盤(pán)，使得儀器理論上測(cè)量精度達(dá)到納米級(jí)。經(jīng)過(guò)室內(nèi)模擬測(cè)量驗(yàn)證，其結(jié)果顯示該測(cè)量裝置實(shí)際測(cè)量精度可達(dá)0.1 μm。原型機(jī)目前為手工制作，加工材料多用膠水和塑料，其牢固性和穩(wěn)定性不夠，使得測(cè)量精度達(dá)不到理論值，精密制造顯然有助于提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。該裝置不僅可以廣泛應(yīng)用于巖石侵蝕速率的直接測(cè)量，同時(shí)也可以為活動(dòng)構(gòu)造變形研究、自然地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、泥石流等)和礦山地質(zhì)災(zāi)害(冒頂、片幫、塌方等)預(yù)防提供一種新的高精度測(cè)量手段。