新型光机引张线仪的研制*

李农发 赵义飞 欧同庚 余剑锋

(中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071)

1 引言

变形监测是大坝安全监测中的重要项目，引张线法是大坝变形监测的常用方法［1，2］。早期安装在大坝上的引张线仪，采用人工测量读尺，所以其测量精度很容易受人工观测误差的影响。为解决这一问题，本文设计了一款新的光机引张线仪。

2 基本原理

水平位移监测的基本原理是:设置一条基准线或若干基准点，采用光学、机械学或电子学等原理的监测仪器，测量出不同时间各监测点相对于基准线或基准点的位置，从而获得各测点水平方向的位移(图1)。

如图1，当引张线的工作基点为相对不动点时，实测水平位移为

式中ΔX 为引张线的实测水平位移，Xi为第i 次读数值，Xo为初始测值，即基准测值，初次观测时间称为基准时间。一般情况下，X 读数分为自动化观测值和人工观测值，通过引张线人工与自动化对比观测分析，可以判断引张线自动化观测和人工观测的精度以及引张线的工作状态。

图1 引张线示意图Fig.1 Sketch of wire alignment transducer

3 光机引张线仪的系统设计

3.1 系统设计

该系统测量方法的基本原理是测量工作钢丝与零点钢丝的位置的偏移量。该光机引张线仪是基于电子数显卡尺，通过读数显微镜先找到零点钢丝，将电子数显卡尺清零，旋动手动平移台的手柄，移动导轨，带动电子数显卡尺和读数显微镜向引张线工作钢丝方向移动，再借助显微镜找到工作钢丝的位置，最后从电子数显卡尺读出测值。

3.2 系统结构

新型光机引张线仪由带标尺的强制归心基座、机械定位螺杆、下面板、手动平移台、数显百分尺、上面板、显微镜底座、JC-IO 读数显微镜、照明灯组成(图2)。带标尺的强制归心基座由V 字型支撑螺帽、量程为150 mm 的钢尺、压板组成。压板的作用是固定一小端不锈钢钢丝在钢尺上方，作为钢丝的零点位置。手动平移台采用了螺杆驱动方式，燕尾槽导轨。

其观测方法如下:将光机引张线仪平稳置于带标尺的下底板上方，打开照明电源，旋动手柄移动导轨，让其向标尺上方的零点位置移动，调节JC-10 读数显微镜焦距，通过目镜观察物体在分划板上的成像是否清晰，观测显微镜镜头下方的固定钢丝，让钢丝处于分划板(双丝)中间，此时打开数显百分尺，并清零。然后旋动手柄移动导轨，让光学显微镜镜头移动至工作钢丝(工作钢丝)正上方，并通过显微镜观察工作钢丝与分划板，微调齿轮移动导轨，确定工作钢丝的位置，最后通过数显百分尺记录观测测值。

4 系统测试

4.1 线性误差测试

为评价系统的线性误差及分辨率，选用误差为2 um 大工显工作台作为试验的测试平台。把引张线仪与归心底座平放在大工显工作台上，将直径为1.2 mm 的不锈钢丝通过特定的夹具固定，并调整钢丝的高度，使其在底板标尺上方合适位置，使其在底板标尺上方1.5 mm 处。将50 mm的范围分为10档，位移由大工显工作台给出，档位从零位开始，每次间隔5 mm，通过电子数显卡尺给出测量结果Xi，并通过公式ΔX=Xi－X 计算出误差值。系统误差测试如表1。

图2 系统机械结构Fig.2 System mechanical structure

表1 系统误差测试结果(单位:mm)Tab.1 Results of system error test(unit:mm)

从表1 可以看出，最大系统误差为0.05 mm，而传统的人工引张线仪为0.1 mm，与传统的人工引张线仪比较，新型光机引张线仪在精度上有了提高。

4.2 分辨率测试

将引张线仪与归心底座平放在大工显工作台上，方法同上。在3、26、48 mm 处，将钢丝同方向移动五次，每次移动增加0.02 mm。由此检测出新型光机引张线的分辨率如表2 所示。

从表2 可以发现，钢丝在3.00 mm、26 mm、48 mm 三个位置处依次同方向移动0.02 mm 时，新型光机引张线仪的测量数据几乎呈同步增加变化，而且与钢丝的移动方向一致。对测试数据的处理可得该引张线的分辨率为0.02 mm。

表2 系统分辨率测试(单位:mm)Tab.2 Results of system resolution test(unit:mm)

5 结语

针对传统的人工引张线仪现场使用复杂，系统误差大等问题，设计了一种新型光机引张线仪，并通过高精度的大工显工作台进行了系统线性误差测试和分辨率测试。结果表明，系统精度与传统的人工引张线仪有所提高，系统分辨率满足大坝安全监测规范与设计要求。

1 李宗春，李广云.我国大坝变形监测技术现状与进展［J］.测绘通报，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.大坝安全监测理论与应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.(He Jinping.Theory and application of dam monitoring［M］.Beijing:China Water ＆ Power Press，2010)