组合齿轮式测微装置在岩石侵蚀速率测量领域的应用

李怀彬，刘阳，黄费新，张志炳，吴皓然

(中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 100025)

0 引言

工程上高度测量是长度测量的一种，目前有钢尺量高、水准仪配合钢尺测高、经纬仪配合钢尺测高、全站仪测高、测高仪测高、GPS测高及多种仪器配合解析法间接量高等多种方法[1-5]。目前，主流RTK测高的精度已达厘米级，但是在微变形领域这种测量精度明显偏低。随着信息技术和MEMS技术的迅速发展，对纳米精度的检测技术提出了越来越高的要求[6]。激光干涉检测技术由于灵敏度高、精度高及非接触性等优点已得到广泛应用，但干涉信号容易受干扰，且仪器价格昂贵，在工程监测领域难以实现无人化、批量化布设。

目前，获取地表侵蚀速率最有效的方法是利用微侵蚀测量仪直接测量岩石表面的高度变化[7]。微侵蚀测量仪易于直接测量特定地区岩石表面侵蚀速率，现在已被应用到多种自然环境条件下[8-9]。但限于螺旋测微器精度(0.01 mm)不足的原因，仍难以满足大多数地区短时间内测量出准确侵蚀速率值的要求，也不便于大规模开展测量。因此，亟需研发一种测量精度高、携带方便且成本较低的测量装置。本文在前人的研究[10-11]基础上进行了改进，增加组合齿轮组装置和扩展可移动圆盘，有效地提高了测量精度，理论上可达纳米级。

1 装置的组成及原理

本装置基于螺旋测微器进行了改进，增加了组合齿轮组(输入和输出比为500∶1)和扩展可移动圆盘(扩展可移动圆盘100的整数倍)。利用输入和输出比为500∶1(优点是易于直接读出测量结果)或1000∶1(优点是精度稍高)的组合齿轮组装置，根据齿轮啮合运动时机械放大原理，对装置进行再改进，理论上也可实现纳米级测量，且容易达到更高精度控制。产品原理见图1，主要包括螺旋测微头(0～25 mm带螺母平头)、500∶1的减速齿轮组和支架。

图1中原来装置的500刻度圆盘替换为1个模数0.5齿数50的齿轮，齿数与下方的螺旋测微器每一螺距的50等分数值相对应。减速齿轮组由1个模数0.5齿数50、3个模数0.5齿数100和10的双层齿轮啮合在一起，可实现500倍的放大效果。因此最末端齿轮转动500圈，螺杆便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离(0.5 mm)。即末端齿轮每转1圈对应1 μm，每1齿对应10 nm，加上估读数即到纳米级。组合齿轮设计还有一个优点是读数精度扩展性非常好，虽然目前因为接触标志精度限制达不到纳米级测量，但如果能实现纳米级接触判断，只需再增加一个齿轮，仪器读数精度就提高到了纳米级。

为了使用上述测量装置适用于在野外测量岩石侵蚀速率，我们对该装置进行了改造，添加辅助装置使其变为岩石侵蚀速率测量装置(如图2)。决定测量精度的关键因素之一是准确认定螺旋测微器测杆和岩石表面的接触瞬间时刻，目前靠人工拨动装置转动的方式仪器测量精度为1 μm左右。本次为了提高仪器的测量精度，在螺旋测微器测头位置安装了压电感应式灯泡，利用灯泡亮和灭来判断测头与测量物的接触瞬间，这大大提高了仪器测量精度的有效性。

1. 螺旋测微头/千分尺；2. 100齿齿轮；3. 指针；4. 100刻度可移动圆盘；5. 装置框架；6. 轴杆；7. 底座；8. 压电感应式灯泡

图3是一个简便的双测头1000∶1齿轮组测量装置原型机照片，左测头用来测量岩石表面的高低变化，右测头用来作对照。

2 测量方法

为保证测量精度，排除系统测量误差，图3右测头用来作对照，左测头用来进行岩石侵蚀面测量。第一次测量左右测头各测得一个数值，第二次测量再各得到一个数值，将两次所测数值进行差值计算。将左测头差值根据右测头差值进行校正后得到的值，即为侵蚀量数值。如果每日测一次，则为岩石固定面的日侵蚀量；每月测一次，即为岩石固定面的月侵蚀量。

图3 双测头组合齿轮式纳米级测量装置原型机

为了验证仪器的性能，利用原型机进行了室内模拟测量。由于原型机的齿轮组合是1000∶1，因此取前后2次记录数值的差值的1/2为测量差值。为提高测量精度，减小系统测量误差，左测头和右测头同时测量，在相同的温压条件下，共测得25组数据，结果见表1。

表1 双测头组合齿轮式纳米级测量装置模拟测量数据表

根据表1，将右测头所测数据投影到散点图上(图4)，能够清晰地显示右测头测量数据集中在±0.000 060 mm之间变化，只有3组数据在范围之外。将左测头所测数据投影到散点图上(图5)，其投影点也集中在±0.000 060 mm之间，这更加说明了仪器的测量精度在0.1 μm，其测量精度明显比原仪器[10-11]提高了1～2个数量级。

图4 右测头测量差值散点图

图5 左测头测量差值散点图

3 结论

本文介绍的测量装置已获批实用新型专利证书，该测量装置对已研发的微米级便携式高精度游标螺旋测微仪进行了升级改造，利用组合齿轮组和扩展可移动圆盘，使得仪器理论上测量精度达到纳米级。经过室内模拟测量验证，其结果显示该测量装置实际测量精度可达0.1 μm。原型机目前为手工制作，加工材料多用胶水和塑料，其牢固性和稳定性不够，使得测量精度达不到理论值，精密制造显然有助于提高测量精度和稳定性。该装置不仅可以广泛应用于岩石侵蚀速率的直接测量，同时也可以为活动构造变形研究、自然地质灾害(滑坡、泥石流等)和矿山地质灾害(冒顶、片帮、塌方等)预防提供一种新的高精度测量手段。