基于应变式双参数倾斜仪的设计

　　0　引　言

　　目前,对倾斜角度测量仪器大体可以分为:谐振式、气体摆式、电容式、磁敏电阻式和电阻应变计式。但大多这些产品只能测量一个方向的角度。结合吉 林省科技项目,考虑到液压打桩机在打桩过程中,通常采用多人以不同的方向用水平仪来测量桩体倾斜度,并由测量人员指挥司机手动调节桩体的倾斜角,使桩体尽 量保证在立体空间中满足施工要求,这种方法既增加施工人员,又降低劳动效率,而且,很难保证测量精度。为此,笔者设计了一种基于应变式双参数倾斜仪。利用 其内部的重力杆,把桩体的倾斜分解成为互成90°的上、下应变计的电阻变化,进而可以随时监测桩体的倾斜角和倾斜方位角,并且,根据建筑施工规范,要求桩 体的垂直度达到1%时,按此标准换算,来确定倾斜仪的技术要求,即测量的最小倾斜角应小于0. 57°,最小方位角应小于3. 6°,才能够满足桩基础施工的技术要求。

　　1　仪器结构和工作原理

　　倾斜仪的结构分成三部分,分别是弹性体、重力杆和外套,其结构如图1所示。

　　外套用以保证重力杆不会过度的倾斜,实际上是保证倾斜仪测量的最大倾角为±10°。图中, 8号零件为塑料O形圈,它的作用是保护重力杆,避免外套产生强烈碰撞而损坏重力杆或弹性元件。

　　重力杆代表被测物体倾斜状况,当弹性元件垂直于水平面时,重力杆没有倾斜,弹性元件不受弯矩作用,也就不产生弯曲形变;当弹性元件倾斜时,重力 杆在重力作用下也倾斜,这必然对弹性体产生弯矩作用,使弹性体产生弯曲形变,而这个形变包含了重力杆倾斜角及倾斜方位角大小的信息。但这个立体空间应变量 不容易测得,考虑到空间向量可以垂直分解,空间应变也可以进行应变分解,同时,在这种新颖机械结构的弹性元件之上,通过粘贴电阻应变计,即可测量出这个垂 直方向上的分应变量。

　　2　弹性元件设计以及倾斜角和倾斜方位角的计算

　　弹性元件立体示意图如图2所示。

　　弹性体互成直角的2个薄壁,电阻应变计分别粘贴在薄壁的两边,在工作状态下,在下面的电阻应变计1称下应变计,对应的应变量为ε1,在上面的电阻应变计2称上应变计,对应的应变量为ε2。

　　弹性体及倾斜角、倾斜方位角示意图如图3所示。

　　倾斜角、倾斜方位角的计算如下:

　　当传感器垂直于水平面时,重力杆不对上、下应变计产生弯矩作用,当传感器倾斜θ角,且与x轴夹角为α时,重力杆对上、下应变计产生应力[1],即:

　　式中　l₁为重力杆的重心到下应变计的长度,mm; l2为重力杆的重心到上应变计的长度,mm;G为重力杆的重量,N,又G=πd20l0r/4;d0为重力杆的直径,mm; l0为重力杆的长度,mm; r为重力杆材料比重,N/mm3。