阅读说明：本技术 一种测斜仪自动率定装置及率定方法 (Automatic calibration device and calibration method for inclinometer ) 是由 方卫华 吴钢 何淇 刘磊 李皓 杨浩东 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种测斜仪自动率定装置及率定方法,装置包括水平面率定单元和竖直面率定单元；水平面率定单元包括水平转盘以及驱动水平转盘在水平面内转动的竖直轴驱动伺服电机；竖直面率定单元设于水平转盘上且随水平转盘转动而转动,包括测斜仪固定转轮以及驱动测斜仪固定转轮在竖直面内转动的水平轴驱动伺服电机,测斜仪固定转轮上设有用于安装测斜仪杆的测斜仪杆固定孔；水平转盘的轴线、测斜仪固定转轮的轴线以及测斜仪杆的轴线始终相交于一点,通过控制两台伺服电机按一定角度进退并测量测斜仪的输出实现自动率定。本发明能够实现测斜仪全姿态、全量程和全性能指标的自动率定,率定装置可靠,率定方法简单、准确、高效。(The invention discloses an automatic calibration device and a calibration method for an inclinometer, wherein the device comprises a horizontal plane calibration unit and a vertical plane calibration unit; the horizontal plane calibration unit comprises a horizontal rotary table and a vertical shaft driving servo motor for driving the horizontal rotary table to rotate in a horizontal plane; the vertical surface calibration unit is arranged on the horizontal turntable and rotates along with the rotation of the horizontal turntable, and comprises an inclinometer fixing rotating wheel and a horizontal shaft driving servo motor for driving the inclinometer fixing rotating wheel to rotate in a vertical surface, wherein an inclinometer rod fixing hole for installing an inclinometer rod is formed in the inclinometer fixing rotating wheel; the axis of the horizontal turntable, the axis of the inclinometer fixed rotating wheel and the axis of the inclinometer rod are always intersected at one point, and automatic calibration is realized by controlling the two servo motors to advance and retreat at a certain angle and measuring the output of the inclinometer. The invention can realize the automatic calibration of the whole posture, the whole range and the whole performance index of the inclinometer, the calibration device is reliable, and the calibration method is simple, accurate and efficient.)

一种测斜仪自动率定装置及率定方法

技术领域

本发明属于率定装置技术领域，具体涉及一种测斜仪自动率定装置及率定方法。

背景技术

测斜仪是进行结构变形测量的主要仪器之一，在高边坡、堤坝等工程已经获得广泛应用，但测斜仪的率定问题一直难以解决。目前的率定方法都是利用一个长方体块，采用卡尺人工定位计算的方式获得，难以考虑X、Y两个方向的相互影响，更不能检验测斜仪轴线扭转对输出的影响，人为误差大，率定准确性低且操作繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种测斜仪自动率定装置及率定方法，通过控制两台伺服电机按一定角度进退并测量测斜仪的输出实现自动率定，实现测斜仪全姿态、全量程和全性能指标的自动率定，率定装置可靠，率定方法简单、准确、高效。

本发明提供了如下的技术方案：

一种测斜仪自动率定装置，包括水平面率定单元和竖直面率定单元；

所述水平面率定单元包括水平转盘以及驱动水平转盘在水平面内转动的竖直轴驱动伺服电机；

所述竖直面率定单元设于水平转盘上且随水平转盘转动而转动，所述竖直面率定单元包括测斜仪固定转轮以及驱动测斜仪固定转轮在竖直面内转动的水平轴驱动伺服电机，所述测斜仪固定转轮上设有用于安装测斜仪杆的测斜仪杆固定孔；

所述水平转盘的轴线、测斜仪固定转轮的轴线以及测斜仪杆的轴线始终相交于一点。

优选的，所述水平面率定单元还包括与水平转盘固定相连的第一传动轴，所述第一传动轴与竖直轴驱动伺服电机相连，所述竖直轴驱动伺服电机能够带动第一传动轴在水平面内转动。

优选的，所述竖直面轴率定单元还包括与测斜仪固定转轮固定相连的第二传动轴，所述第二传动轴与水平轴驱动伺服电机相连，所述水平轴驱动伺服电机能够带动第二传动轴在竖直面内转动。

优选的，所述第二传动轴通过支撑架与水平转盘连接。

优选的，所述水平转盘上设有水平气泡。

优选的，还包括控制器，所述控制器分别与水平轴驱动伺服电机、竖直轴驱动伺服电机以及测斜仪的读数装置相连。

一种测斜仪自动率定方法，包括以下步骤：

将待率定的测斜仪杆安装于测斜仪杆固定孔中，确保水平转盘的轴线、测斜仪固定转轮的轴线以及测斜仪杆的轴线相交于一点；

将测斜仪的读数装置、水平轴驱动伺服电机和竖直轴驱动伺服电机分别与计算机相连，由计算机实现同步控制和读数；

启动水平轴驱动伺服电机和竖直轴驱动伺服电机，根据测斜仪精度要求确定步进角，记录两台电机累计旋转角度和测斜仪自身对应的读数，通过两台伺服电机的旋转角度计算测斜仪的理论测量角度，当测斜仪的理论测量角度达到测斜仪两倍量程时伺服电机停止前进；

控制水平轴驱动伺服电机和竖直轴驱动伺服电机以步进角反向旋转，直至复位到初始位置；

计算机自动计算测斜仪的最大误差或测斜仪的线性度、稳定性及滞后等参数，实现对测斜仪的自动率定。

优选的，水平轴驱动伺服电机和竖直轴驱动伺服电机前进或后退时的步进角为测斜仪精度的1/10角度。

优选的，通过两台伺服电机的旋转角度计算测斜仪的理论测量角度的公式为：

式中，α和β分别为竖直轴驱动伺服电机和水平轴驱动伺服电机的旋转角度，θ和

分别为测斜仪在水平面和竖直面内的理论测量角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的测斜仪自动率定装置，通过水平轴驱动伺服电机驱动测斜仪固定转轮在竖直面内转动，通过竖直轴驱动伺服电机驱动水平转盘在水平面内转动，且水平转盘的轴线、测斜仪固定转轮的轴线以及测斜仪杆的轴线始终相交于一点，实现测斜仪杆在水平和竖直面内的移动，从而获得两台伺服电机的旋转角度以及测斜仪的真实测量值，将两台伺服电机的旋转角度转化为测斜仪理论测量角度后，即可对测斜仪的精度、稳定性和滞后等性能指标进行率定；

(2)本发明提供的测斜仪自动率定装置，通过计算机即可实现测斜仪全姿态、全量程和全性能指标的自动率定，减少了人为误差，率定装置可靠，率定方法简单、准确、高效；

(3)当测斜仪杆轴线保持竖直，仅水平转盘旋转时，可以通过测斜仪配套厂家仪表对测斜仪及测量仪表的扭转转动功能进行检验和率定；

(4)阵列式位移计也是采用杆式活动式测斜仪串联而成，因此上本发明提供的测斜仪自动率定装置及率定方法也适用于阵列式位移计的率定。

附图说明

图1是测斜仪自动率定装置的结构示意图；

图2是测斜仪固定转轮、测斜仪杆及水平转盘的轴线位置示意图；

图3是水平轴驱动伺服电机传动齿与第二传动轴的传动齿的结构示意图；

图4是测斜仪自动率定的原理示意图；

图中标记为：1、水平轴驱动伺服电机；2、第二传动轴；3、测斜仪固定转轮；4、测斜仪杆固定孔；5、支撑架；6、水平转盘；7、竖直轴驱动伺服电机；8、第一传动轴；9、测斜仪固定转轮的轴线；10、测斜仪杆的轴线；11、三条轴线的交点；12、水平转盘的轴线；13、水平轴驱动伺服电机传动齿；14、第二传动轴的传动齿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和2所示，一种测斜仪自动率定装置，包括水平面率定单元和竖直面率定单元；水平面率定单元包括水平转盘6以及驱动水平转盘6在水平面内转动的竖直轴驱动伺服电机7；竖直面率定单元设于水平转盘6上且随水平转盘6转动而转动，竖直面率定单元包括测斜仪固定转轮3以及驱动测斜仪固定转轮3在竖直面内转动的水平轴驱动伺服电机1，测斜仪固定转轮3上设有用于安装测斜仪杆的测斜仪杆固定孔4；水平转盘的轴线12、测斜仪固定转轮的轴线9以及测斜仪杆的轴线10始终相交于一点(三条轴线的交点11)。

如图1所示，水平面率定单元还包括与水平转盘6固定相连的第一传动轴8，第一传动轴8与竖直轴驱动伺服电机7相连，竖直轴驱动伺服电机7能够带动第一传动轴8在水平面内转动。水平转盘6上设有水平气泡，便于保持水平转盘6的水平，从而便于实现水平转盘的轴线12、测斜仪固定转轮的轴线9以及测斜仪杆的轴线10始终相交于一点。

如图1所示，竖直面率定单元还包括与测斜仪固定转轮3固定相连的第二传动轴2，第二传动轴2与水平轴驱动伺服电机1相连，水平轴驱动伺服电机1能够带动第二传动轴2在竖直面内转动。第二传动轴2通过支撑架5与水平转盘6连接。

本发明提供的测斜仪自动率定装置，还包括控制器，控制器分别与竖直轴驱动伺服电机7、水平轴驱动伺服电机1以及测斜仪的读数装置相连。

如图3所示，为提高率定精度，可以增大水平轴驱动伺服电机传动齿13与第二传动轴的传动齿14之间以及竖直轴驱动伺服电机传动齿与第一传动轴的传动齿之间的直径差来实现。

如图4所示，线段OA表示经旋转得到的测斜仪杆，线段OD、OF分别为OA在Y-O-Z平面上和X-O-Z平面上的投影。α和β分别为竖直轴驱动伺服电机7、水平轴驱动伺服电机1的旋转角度，θ和

分别为Y-O-Z平面上的投影OD与Y轴的夹角、X-Z平面上的投影OF与X轴的夹角，并且存在公式(1)的关系：

由于伺服电机可以控制每步的角度，通过步数累加即可得到总的旋转角度α和β，通过计算公式(1)可以得到两台伺服电机总转角与测斜仪读数θ和

的关系。

由于是水利岩土工程中获得的是小角度变形，上述角度都在

区间，因此有公式(2)成立：

将公式(2)计算得到的角度值作为测斜仪器理论测量角度，即可以对测斜仪的精度、重复性等性能指标进行率定。

一种测斜仪自动率定方法，包括以下步骤：

S1、调整竖直轴驱动伺服电机7和水平轴驱动伺服电机1，使得α和β的初始值为α(0)＝0、β(0)＝0；

S2、将待率定的测斜仪杆安装于测斜仪杆固定孔4中，确保水平转盘的轴线12、测斜仪固定转轮的轴线9以及测斜仪杆的轴线10相交于一点；

S3、将测斜仪的读数装置、水平轴驱动伺服电机1和竖直轴驱动伺服电机7分别与计算机相连，由计算机实现同步控制和读数；

S4、启动竖直轴驱动伺服电机7和水平轴驱动伺服电机1，根据测斜仪精度要求确定步进角，每前进一步为测斜仪精度的1/10角度，记录两台伺服电机累计旋转角度α(t)和β(t)以及测斜仪自身对应的读数α′(t)和β′(t)，根据公式(2)计算获得测斜仪的理论测量角度θ(t)和当θ(t)和达到测斜仪两倍量程时伺服电机停止前进；

S5、控制竖直轴驱动伺服电机7和水平轴驱动伺服电机1反向旋转，每后退一步为测斜仪精度的1/10角度，直至复位到初始位置；

S6、根据公式max|α′(t)-θ(t)|和计算测斜仪的最大误差，或根据最小一乘法获得测斜仪的线性度、稳定性及滞后等参数，上述计算通过计算机程序进行，从而实现对测斜仪的自动率定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。