一种用于隧道相对位移测量仪器的研发

柴艳飞　赵　亮　王有余　肖　强

摘要：为了得到精确的岩体内部变形参数，岩体内部相对位移测量设备的应用已非常广泛，但国内外的位移测量设备相对落后。改变了传统的机械化测量装置，设计出一种自动化、智能化、高精度的位移测量系统。介绍了智能位移测量系统的结构组成、特点及创新点和使用方法。应用函数模拟和数值分析法进行标识点的布置，可为后续的位移测量设备提供参考。

关键词：岩体；智能位移测量系统；智能化；相对位移

中图分类号：Tu112.2

文献标识码：A

文章编号：1672-3198(2009)09-0283-02

1智能位移测量系统的原理与组成

1.1原理

该设备的工作原理是：以高精度步进电机驱动超铟钢合金轮在导轨中作一次往返运动，作为位移基本测量装置，同时采集差动位置传感器的差动电压，然后把采集到的数据进行数值分析，确定各个位置标志之间的距离，不同时刻的距离之差即为该时间段的位移变化量。

1.2系统组成

该系统由四大部分组成：系统控制记录部分、位移驱动部分、标志捕捉部分和信号分析部分，系统控制记录部分相当于电脑的CPU，起到对整个系统进行动作控制，采样记录，信号接收与发送等功能，主要通过单片机来实现。位移驱动部分是整个系统的核心之一，其位移控制精度高，温度、震动等变化对其影响较小，对系统的总体误差起主要控制作用。标志捕捉部分是系统的另一个核心部分，它通过差动传感器得到标志点的精确点位。信号分析部分通过数值分析来确定标志点的位移和方向的变化情况。(参数要求(1)1步进电机的步进角至少在0.9°以下，位移控制差在0.01mm／m左右；(2)根据温度、震动及摩擦条件，步进电机位移误差控制在0.25mm／10m以下，步进角位移最大影响误差控制在0.01mm／r左右)。

1.3该设备具有以下特点

(1)安装准备简单，只需最初在钻孔安装位置标志及带导轨的塑料管即可。

(2)使用简单，在需要测量时把测量仪放入孔中的导轨中，打开开关让其自动运行即可。

(3)位移测量几乎不受限制。

(4)可以测量弯曲路径。

(5)测量设备可以重复使用。

(6)选用超铟钢合金轮系统受温度影响很小。

(7)测量设备体积小，方便携带。

1.4智能位移测量系统的主要技术创新

(1)充分利用步进电机，步进角误差的无累积性进行长距离的位移测量。

(2)利用差动位置传感器的离散信号来捕捉标志点的位置。

(3)对捕捉信号在理论曲线下进行拟合，寻其峰值，也即标志点的精确位置，利用数值方法大幅度提高位移测量精度。

(4)采取一步的信号措施，利用数理统计，使其在一定置信度下充分满足稳定性要求。

(5)设置自动往返装置，进一步减小其测量误差。

2智能位移测量系统的使用方法

在位移检测过程中，首先根据工程实际需要，如设计中钻孔的方向(水平钻孔、竖直钻孔、斜钻孔)、深度、地下的温度和地下水等情况来选择不同型号的步进电机和转轮的材料和尺寸。安装导轨前应先固定标识点且选择相应型号的传感器。然后把导轨放入已钻好的钻孔中并且用水泥砂浆将其与孔壁固定成一体。最后打开开关让其自动运行，把系统控制记录部分，信号分析部分的结果与工程允许位移进行比较分析，最终确定岩体的变形程度。

3室内实验

实验目的：检验相对位移测量仪器的工作性能和精确度。

实验步骤：(1)把实验导轨放置在实验台上，导轨两端固定，保证导轨底部的平稳。(2)把标志点(磁点)，每隔O，15m安置在导轨的侧端，并且标号为1、2、3…11，放置过程中要用角分器进行标志点位置测量，尽量做到标志点之间的距离为0.15m。(3)测量装置放在导轨上，打开开关让其在导轨上做往复运动，并记录标志点未受扰动时的初始位置，取左端为坐标原点。(4)人为的扰动标志点(在轨道中间加压使轨道变形)，然后通过测量装置中的控制记录部分，记录扰动后标志点的位置。(5)通过信号分析部分进行数据的分析，并绘图。(6)通过游标卡尺来确定扰动后各标志点的位置，来检验系统的精确度。

结论分析：(1)相对位移测量系统可以测定两点之间相对位移的变化，说明该设计方案可行，具有实用性。

(2)测量精确度与设计精度差一个数量级，主要有三个原因：①实验时所用步进电机的步进角为1.8度，如果使用0.9度的步进电机效果会更好。②软件方面划分细度比较粗略，要进一步细分。③轨道的加工精度没有达到设计要求，其加工精度有待于进一步提高。

4结语

本仪器的研发在功能上已经实现设计要求，并通过室内试验证明了该设计方案的可行性和仪器的实用性，但由于步进电机和软件等方面的原因使得精度达不到设计和工作实际要求，这就要求我们继续对该仪器从硬件配套和软件开发方面做一些工作以提高其精度。

纵观其他行业各种仪器设备的发展，可以看出都在向小型化、自动化及智能化方向发展，所以岩体相对位移测量装置的小型化及智能化的发展是一个必然的趋势。