4第四章 垂線監(jiān)測及垂線坐標儀

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1、第四章 垂線監(jiān)測及垂線坐標儀 垂線坐標儀是一種測量工程結構物水平位移（和垂直位移）的垂線測量裝置中的測量儀器。垂線測量裝置有正垂線和倒垂線兩種，正垂線測量裝置其固定點懸掛于欲測部位的上部，垂線下部設重錘，使該線體始終處于鉛垂狀態(tài)，作為測量的基準線，垂線坐標儀則設置在沿線體布置的監(jiān)測點上。正垂線可測量相對于頂部懸掛點的位移變化。 倒垂線測量裝置的錨固點設在基巖下一定深度，線體上引至地面，利用浮筒的浮力將線體拉直并保持一定的張緊力，浮筒置于被測對象上并隨其一起位移，但垂線借助于浮子仍始終保持為鉛直，故該垂線可以認為是基準線。倒垂線錨固點的深度通常要求達到基巖的不動點，因此倒垂上部測點的位

2、移可認為是絕對位移。正垂和倒垂經(jīng)常組合使用，可求得建筑物整個高度各測點的絕對水平位移量。圖4―1為正倒垂線系統(tǒng)示意圖。 目前國內使用最多的遙測垂線坐標儀為差動電容式雙向坐標儀，此外還有步進電機式坐標儀，以電荷偶合器件為敏感元件的CCD型坐標儀也在工程中開始得到應用。 RZ型電容式垂線座標儀（見上圖）按其用途及測量方向可分為雙向垂線座標儀和三向垂線座標儀（有時亦用RZS型加以區(qū)分）。雙向垂線座標儀主要是用于水平面內撓度的變位監(jiān)測。三向垂線座標儀除可測量水平面內撓度的雙向變位外，還可以測量沉陷方向的位移。 4.1 RZ型電容式垂線座標儀的結構及原理 4.

3、1.1 電容式雙向垂線座標儀的結構及原 （1） 結構 雙向垂線座標儀是由水平變形測量部件、標定部件、檔水部件以及屏蔽罩等部分組成，座標儀的測量信號由電纜引出。如圖4-2所示。 （2） 工作原理 儀器采用差動電容感應原理非接觸的比率測量方式。如圖4-3所示在垂線上固定了一個中間極板，在測點上儀器內分別有一組上下游向的極板1、2和左右岸向的極板3、4，每組極板與中間極組成差動電容感應部件，當線體與測點之間發(fā)生相對變位時則兩組極板與中間板間的電容比值會相應變化，分別測量二組電容比變化即可測出測點相對于垂線體的水平位移變化量（Δx、Δy）。 Δx＝（aix-a基x）Kfx Δy＝（aiy-

4、a基y）Kfy 式中Δ為本次測量相對于安裝基準間的變位量，aI為本次儀器的電容比值，a基為建立基準時儀器的電容比值，Kf為儀器的靈敏度系數(shù)。 4.1.2 電容式三向垂線座標儀的結構及原理 （1） 結構 如圖4─4所示，儀器是由水平及垂直測量部件、標定部件、檔水部件及屏蔽罩等組成，測量信號分別有五芯屏蔽線和三芯屏蔽線引出。 （2） 工作原理 水平位移測量原理同雙向。垂直向測量部件是在垂線體上固定了一個園盤狀的中間極板，在測點上位于中間極板二側安裝了一組平行的圓環(huán)，當測點相對于線體沉陷方向發(fā)生變化則由一組環(huán)極與中間園盤組成的差動電容值發(fā)生變化，通過測量電容比，即可測定沉陷方向的相對變

5、化量。 Δx＝（aix-a基x）Kfx Δx＝（aiy-a基y）Kfy Δy＝（aiz-a基z）Kfz 上式中Δ為本次測量相對于安裝基準間的變位量，ai為本次儀器的電容比值，a基為建立基準時儀器的電容比值，Kf為儀器的靈敏度系數(shù)。 4.2 RZ型電容式垂線座標儀的技術參數(shù) （1） 型號及規(guī)格指標 電容式雙向垂線座標儀的型號及規(guī)格指標如下： 型號規(guī)格 RZ－25 RZ－50 RZ－100 測量 范圍 mm x向 25 50 100 Y向 25 50 50 （2） 技術指標 a、最小讀數(shù)(mm)：≦0.05%F.S b、精度

6、（mm）：≦0.7%F.S c、溫度系數(shù)：≦0.05%F.S/℃ d、環(huán)境溫度：－20℃~＋60℃ e、相對濕度：95％ 4.3 RZ型電容式垂線座標儀的性能特點 (1) 電容感應式垂線座標儀無機械傳動和跟蹤結構，用非接觸測量方式實現(xiàn)了垂線的自動監(jiān)測，具有精度高，長期穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。 由于該系統(tǒng)采用差動電容傳感器技術比例測量原理，測量精度高。從測量方法和誤差分析來看，傳感器測量有直接測量法、差值測量法和比率測量法三種。用直接測量法因測量時間不同與環(huán)境條件變化而引入一系統(tǒng)誤差，而差值測量法由于二個被比較元件外界條件相同，在傳感器結構做得很對稱時，測量可在很大程度上消除上述系統(tǒng)誤

7、差，但所獲得的二個量之差仍隨外部條件而變動，而采取比率測量法能消除或大大減小在一階近似條件下被測量依賴于外界條件以乘積因子出現(xiàn)的誤差項，因而具有優(yōu)于差值測量法的抗干擾能力。儀器實測性能，測量范圍在100mm范圍線性誤差為0.51%F.S，且不存在傳動間隙及彈性元件滯后等誤差，重復性和滯后誤差可忽略不計， 溫度系數(shù)僅＜0.005%F.S/℃。這些性能明顯優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，可完全滿足各種大型建筑物測量的需要。 座標儀中電容傳感部件的電容值僅取決于座標儀結構，只須從強度、抗蠕變能力及溫度系數(shù)等性能來選擇材料，不用考慮材料電磁特性。由于儀器傳感部件采用差動結構及比率測量方法，對材料溫度系數(shù)指標要求不

8、高，對稱的差動結構保證了座標儀長期測量的穩(wěn)定性，并較好解決了高阻抗橋抗抗干擾及傳感電容量極小不到1PF而要分辨10－4PF等難題。長期零飄＜0.20%F.S/年，遠小于國外同類產(chǎn)品。 (2) 儀器結構簡單，儀器的關鍵部件僅由安裝在測點的感應極板和安裝在線體上的中間極組成，沒有任何傳動部件也無一電子元器件，故障環(huán)節(jié)少，可靠性高。 (3) 儀器適應環(huán)境能力強，用于壩工監(jiān)測的儀器與其它工業(yè)傳感器相比，有二大特性，其一要求長期穩(wěn)定，其二要求適應高低溫＋60℃~－35℃、高濕度（相對濕度95％），電容感應式垂線座標儀溫度系數(shù)極小，性能優(yōu)越。感應部件中的感應極經(jīng)過了特殊絕緣防潮工藝處理，防潮性能好，對

9、防塵、防沙沒有特別要求。 4.4 RZ型電容式垂線座標儀的現(xiàn)場安裝、標定 （1） 儀器支架的準備 儀器固定架原則上由設計單位和工程單位根據(jù)工程的特點進行設計、加工。固定架從觀測點混凝土壁上支撐出來。固定架也可根據(jù)儀器安裝位置做在混凝土墩上，或做成鋼架形式。儀器固定架最根本的要求是穩(wěn)定、可靠，與待測部位固結，并能代表所測位置的變形。 如圖4-5所示固定架的支架端部埋入混凝土要穩(wěn)定可靠，在固定架澆注15天后再安裝儀器。固定架按圖所示尺寸要求，以線體為中心加工4個10mm的過眼。固定架埋設時需用水準尺調平。 RZ－25型電容式雙向座標儀安裝支架4－10孔間距為385mm274mm。 電

10、容式垂線座標儀是精密的傳感器，可在潮濕環(huán)境下使用，但需有保護設施，防止漏水或凝結水直接流入儀器。 （2） 電纜準備 垂線自動監(jiān)測系統(tǒng)中共采用二種類型電纜，均為電容感應式儀器特制的專用電纜。RZ型座標儀采用五芯屏蔽電纜連接。 在現(xiàn)場安裝前應對電纜做如下檢查： a. 用萬用表測量每根線的芯線電阻，并記錄。 b. 用100V兆歐表分別檢查每根芯線與屏蔽層的絕緣電阻值，并記錄，要求阻值大于100兆歐。 （3） 電容式雙向垂線座標儀的現(xiàn)場安裝 在準備好的支架上，先安裝儀器底板，再安裝四塊極板，要求二組平行極板分別平行與壩體左右岸方向和壩體上下游方向，固定極板部件的螺絲擰緊時要適量，以免

11、連接件瓷子被破壞。再將各極板引線頭燙錫。 中間極感應都件是由一個圓柱形極板組成的，由二塊半圓環(huán)形的夾塊固定在垂線上，對于RZ-25型座標儀，中間極安裝尺寸為：由底板到上部為100士2mm，RZ-50型電容式雙向座標儀為：140士2mm。中間極安裝時一定要固緊在線體上，防止因重力作用下中間極緩慢下滑而影響測值。 （4）電纜連接及絕緣處理 將屏蔽電纜線穿過儀器底板的過線孔，每根芯線固定在其相應的位置，與感應極引線焊接。焊接后接頭部分進行絕緣處理，并檢查絕緣性能。 （5） 現(xiàn)場性能標定 為確保儀器使用質量，并使用戶在現(xiàn)場能檢查儀器性能，每個工程配置了一套標定部件，用于檢查儀器輸出數(shù)值是否正

12、常，可用標定部件在座標上標定，如標定出數(shù)據(jù)正常，就要對壩體出現(xiàn)異常進行分析，采取相應措施。 儀器出廠前在專用標定臺上按以下方法作標定試驗，將測量范圍均分5-10檔進給位移，共完成三個正、反行程測量，將所得資料經(jīng)計算得儀器在左右方向、上下向的線性誤差，重復性誤差和遲滯誤差。 計算方法： 最小讀數(shù)（靈敏度系數(shù)） 非線性誤差 重復性誤差 遲滯誤差 基本誤差 式中：P為滿量程位移值（mm）；為滿量程輸出值的均值，n=5～10為分檔數(shù)量；(i=0、1、2、3...n

13、)為同檔位對應的正、反3個行程6個測值的均值；為測點端基線理論值與該點測值平均值之最大偏差值；為測點正程測值與其均值和反程測值與其均值間的最大偏差；指正程均值與反程均值間的最大偏差。 電容式雙向垂線座標儀的線性標定、溫度附加誤差試驗，一般現(xiàn)場不具備一定條件和設備，可不做此試驗，一般現(xiàn)場僅做靈敏度標定。方法如下：30(或50)mm百分表一只，磁性表架一只及連接在屏蔽罩上的兩塊不銹鋼標定架定位塊組成。將標定架用二個M6X16的螺絲固定在標定架定位塊上，垂線固定在標定架推動塊中心刻槽中，將表架吸在另一塊定位塊上，將百分表對準標定架推動塊，并使表桿與座標方向平行。在左右方向和上下游方向分別找到中間位

14、置(0mm位置)后按滿量程進行標定，確定靈敏度。 為了便于計算，垂線座標儀的測值方向應與《規(guī)范》一致，即壩體向下位移為正，壩體向左位移為正；若不一致，在模塊接線端子處將該組二橋壓線進線的位置互相調換使其一致。 4.5 RZ型電容式垂線座標儀的觀測和使用維護 4.5.1 RZ型電容式垂線座標儀的觀測 用數(shù)據(jù)采集裝置自動測量，可直接顯示或打印本次測值與基準值間的相對變位，或座標值。用便攜式指示儀表測量與基準值間的變位則需人工計算。 △x=(ax基準－axi) Kfx (1) △y=(ay基準－ayi) Kfy

15、 (2) △z=(az基準－azi) Kfz (3) (1)式中Δx為上下游本次相對基準值間的變位測值；ax基準為測點上下游方向基準時間儀表測的電容比值；axi為本次測量得到的上、下游向電容比值；Kfx為座標儀X向(上、下游向)的儀器靈敏度系數(shù)(毫米/單位電容比值)。 (2)Δy為左右岸向本次測值與基準值間的變位；ay基準為確定測點左、右岸向基準時間儀表測的電容比值；ayi為本次測量儀表的左、右岸向電容比值；Kfy為座標儀左、右岸向儀器的靈敏度系數(shù)（毫米／單位電容比值）。 (3)式中Δz為

16、沉陷向本次測值與基準值間的變位；az基準為沉陷向基準時間的電容比值，azi為本次測量儀表沉陷向的電容比值，Kfz為座標沉陷向儀器的靈敏度系數(shù)(毫米/單位電容比)。 由Δx、Δy、Δz就可以換算出測點的座標位置，操作人員應將本次的測值與以前的測值做一比較，看是否測試正常。 4.5.2 RZ型電容式垂線座標儀的使用維護 （1） 垂線線體裝置要穩(wěn)定可靠。如有些倒垂線在基巖錨固處固結不牢、因垂線孔傾斜引起線體碰孔壁、在壩體中因串風引起線體擺動、線體卡住等等引起的故障要排除，否則測值不可靠。 （2） 座標儀系列中感應部件經(jīng)過特殊防潮工藝處理，能在相對濕度95%的壩體內長期可靠工作，但這并不意味著

17、座標儀這類精密儀器能在水等經(jīng)常流入座標儀情況下給出準確測值。因此現(xiàn)場必須采取措施防止雨水、冷凝水等流入座標儀內。安裝在大壩豎井、基礎的垂線座標儀，因豎井等環(huán)境存在冷熱空氣交換，使豎井及座標儀上長期存在大量冷凝水。在此惡劣環(huán)境下，需采取一定措施確保垂線座標儀極板上水介質均勻，使儀器測值可靠。 （3） 為適應在大壩惡劣環(huán)境下可靠工作，座標儀內無一電子元器件。當座標儀在現(xiàn) 場安裝調試完后，一般不會出現(xiàn)什么故障，不需經(jīng)常采取什么維護措施。中間極引出線是一根線徑僅0.05mm～0.1mm的細漆包線，要注意防止非觀測人員或參觀人員看不清此線而將其碰斷。 4.6 MZ－1型垂線瞄準儀 MZ－1型垂

18、線瞄準儀結構簡單、性能可靠、價格低廉，適合于中小型工程安全監(jiān)測用，并可作為自動化電測儀器的校核裝置（用于人工比測）。 4.6.1 MZ－1型垂線瞄準儀用途 安裝在正、倒垂線裝置的測點處可以人工目測水平面雙向位移變化。 4.6.2 MZ－1型垂線瞄準儀主要技術指標 測量范圍(mm) ： X向 -15 ~ +15 (上下游向) Y向 -10 ~ +10 （左右向） 最小分辨值(mm)：0.1 測量誤差(mm)： 0.30 外形尺寸(mm)： 50630330 4.6.3 MZ－1型垂線瞄準儀的結構、測量原理、計算方法 （1）儀器結構

19、儀器由瞄準針、主尺、游標尺及底板組成，見圖4-6。 （2）測量原理 移動游標尺，通過瞄準孔用目視線將瞄準孔與垂線鋼絲及瞄準針三點瞄準排列在一條直線上。即可利用左、右標心的刻度值來確定垂線位置的座標值。 （3）測量換算 如圖4-7所示。2δ表示二瞄準針的中心距，“O”為X、Y座標軸原點，A為垂線所在位置，L左、L右為二刻度尺上讀數(shù)值。 讀L左、L右值即可按下式計算出垂線的座標位置XA、YA值。 (4) （ （5） 式中：

20、 (6) (7) 系數(shù)δ＝30 C＝0.017453L=6（mm/1） (4)垂線測點移動方向與測值“正”“負”號。 XA為正值時垂線測點向下游移動。YA為正值時垂線測點向左岸移動。（以儀器安裝時將圓弧面指向上游向為例） 4.6.4 MZ－1型垂線瞄準儀的安裝 （1）安裝支撐架設置 用戶按壩體監(jiān)測要求設置垂線觀測點，在觀測點

21、需加工并安裝支撐架。安裝支撐架由5050（mm）角鋼焊成。其上加工4個1150長圓孔，孔的位置圖4-8所示。 安裝支撐架可預埋在廊道側壁上，或廊道地面上建造墩座，將安裝支撐架固定在墩座上。 安裝支撐架上表面目側水平，離地面高度為1.2~1.5(M)。 儀器安置方向是圓弧面指向上游向時，圓弧面與廊道壁有圓弧壁留有足夠空間（間距＞0.8M）以便觀測人員操作。 在瞄準針上方應安置照明燈。 （2）儀器固定 a. 安裝起始點選擇 儀器在安裝時要考慮該垂線觀測點今后變化范圍及方向，一般作如下考慮，如在氣溫為年平均溫度時安裝(4~5月或10~11月)儀器底板圓弧中心與垂線位置相重合。 對倒垂

22、線而言，冬天壩體向下游移動，即鋼絲向游標處靠近。而夏天鋼絲向儀器的大邊靠近。因此在安裝儀器時，應注意安裝時所處的季節(jié)來調整初始讀數(shù)。 在冬天安裝時，應調整瞄準儀，使鋼絲處在X軸的負半平面內，即在60圓心的游標側，根據(jù)上面的計算負半平面的極限位置約在AD線附近即距O點為12mm處。根據(jù)安裝時的氣溫，水位確定偏離O點的遠近，應留有一些繼續(xù)向負方向變化的余地。 在夏天安裝時，應調整在X軸的正半平面內而且靠近BC邊，可放在距60圓心，X正向約20mm左右。 如在春、秋裝垂線基本處于變化的中間位置，則可調在距O點約8~10mm左右或更大一些。 b. 安裝固定 利用儀器底板及安裝支撐架上的長孔調

23、節(jié)儀器與垂線的相對位置，并注意儀器底板的水平度，用M8螺柱固緊。 固緊后，復查游標尺在主尺上移動應靈活，瞄準針尖部無污、無變形，蓋上保護罩。 4.6.5．MZ－1型垂線瞄準儀的測量 (1)測量前 打開照明燈，讀數(shù)前應檢查垂線是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，打開保護罩檢查瞄準針的完好性。 (2)瞄準 先移動右游標尺，與垂線建立瞄準線，測讀右標心的刻度L右并記錄，再移動左游標尺與垂線建立瞄準線，測讀左標尺的刻度L左并記錄。 左、右標尺讀數(shù)都應在游標尺從左向右移動后進行。瞄準垂線建立瞄準線的正確與否，應使瞄準針被垂線分為兩個相等大小的三角形為準，如圖4-9所示。 (3)讀出 在左右主尺上讀得厘米

24、數(shù)及毫米數(shù)，在游標尺上讀出1／10毫米數(shù)。如圖4-10示例。 (4)讀出后工作 將保護罩套在瞄準器上，應經(jīng)常檢查垂線的線體是否有異常，重錘，油桶及倒擺浮筒等是否正常，如有異常應記錄并排除，保護線體良好狀態(tài)。 (5)資料整理 讀出L左、L右后應及時（4）、（5）式進行計算，并抄錄在附件一的記錄表格內。 4.6.6．注意事項 (1)在瞄準讀數(shù)移動游標尺時不能用力過猛，應沿主尺方向輕輕移動，如有不靈活感應檢查后再工作。 每次讀數(shù)前的瞄準步驟應一致，如統(tǒng)一將游標尺從左向右移動后再讀等，以保證測量精度。 (2)注意保持儀器清潔完好，主尺及游標尺至少每月用細綿紗擦凈一次（去除積水及灰塵） 再用帶油的細綿紗擦一次，以便涂上薄油層保護。在雨季應增加保潔次數(shù)。 (3)瞄準針的細尖應注意保護，不能碰撞或其他原因使其受力變形，每次測讀后應將保護罩套上。 26