CN104792308A - 一种回环连通器式双向测斜仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回环连通器式双向测斜仪及其测量方法，所述测斜仪包括骨架，所述骨架中间部分设置为腰形镂空，所述骨架的四个侧边均为工字型测量平面，在骨架上位于镂空外侧还开设有环形槽，所述环形槽内安装有盛装液体的回环连通器，所述骨架的竖向中心轴上安装有钢尺，所述钢尺上还设置有活动游标，并在活动游标上对称分布有瞄准指针；所述测量方法是将测斜仪的竖向任意测量平面紧靠被测结构物的表面，并移动活动游标，当瞄准指针与靠近钢尺一侧的管内水面重合时，计算出本次的倾角；再倒置测斜仪测量求出第二次的倾角，将两次测量结果差值求平均值即为所求倾角。本发明可以快速准确地测量出结构物表面的倾斜度，提高工作效率和工程质量。

Description

一种回环连通器式双向测斜仪及其测量方法

技术领域

本发明属于土木工程结构检测技术领域，特别是涉及一种回环连通器式双向测斜仪及其测量方法，主要用于测量结构物表面的倾斜度。

背景技术

众所周知，结构物表面倾斜度是土木工程结构检测中一个很常见的重要项目，因为结构物表面的倾斜度不仅关系着结构的外在美观，更为重要的是它会影响整体结构的安全性能，在一些对于平整度和垂直度要求较高的部位，测斜就显得尤为重要。譬如对于采用砖混结构的房屋中作为承重墙的墙体，如果其倾斜过大，使其处于偏心受压状态，则会对整个房屋安全造成很大威胁。

目前，现场测量结构物表面倾斜度的方式主要有：吊锤线，即将吊锤线装置的一端固定在被测结构物的上端，重锤在重力作用下将垂线拉直，用钢尺测量被测结构物下端表面与垂线线体之间的水平距离，即可计算出被测结构物的表面倾斜度。但是其人为随意性大、测量精度不高。当被测结构物垂直高度较大时，需要搭设梯子或者台架，因此存在高空作业的危险；水平尺，即将水平尺贴于被测结构物的表面，观察尺上的水准管内气泡位置，可大致读取一个倾斜角度。其同样存在人为随意性大、测量精度不高的问题，而且其可测的范围非常有限；激光扫平仪，该仪器利用发射出的激光形成一个激光平面，以此可以检验被扫描平面的不平整度，但是其测量精度受人为因素影响较大，需要专业人员操作，同时仪器制作成本高、操作复杂；经纬仪是一种可以用于测量角度和距离的精密仪器，通过该仪器可将被测结构物边界点之间的相对坐标确定出来，经过相应的几何计算，即可得到其倾斜度。这种方法测量精度很高，稳定性好，但是仪器需要专业人员操作，计算方法较为复杂，且仪器属于高精密仪器，其制作成本很高，现场测量时需要特别保护。同时上述测量仪器中，吊锤线、水平尺和激光扫平仪其自身均不带校测功能，要想减小观测误差，就必须反复测量几次来取平均数，这样就增加了工作量，且减小误差的效果不理想。经纬仪属于精密仪器，自身测量精度很高，而且可以通过盘左盘右的往返测量很好的消除误差，但是内业处理数据量大，计算较为繁琐，对人员的专业知识要求较高，存在一定的局限性。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的不足，提供了一种回环连通器式双向测斜仪及其测量方法，从而可以通过正反观测减小误差，提高观测精度，而且该测斜仪具有制作成本低、适用范围广、便于操作、易于携带的优点，进而可以快速准确地测量出结构物表面的倾斜度，提高工作效率和工程质量。

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

一种回环连通器式双向测斜仪，包括骨架，所述骨架中间部分设置为腰形镂空，所述骨架的四个侧边均为工字型测量平面，在骨架上位于镂空外侧还开设有环形槽，所述环形槽内安装有盛装液体的回环连通器，所述骨架的竖向中心轴上安装有钢尺，且钢尺的刻度分为上下对称的两个部分，所述钢尺上还设置有活动游标，并在活动游标上对称分布有瞄准指针。

所述回环连通器通过设置于两端的卡扣固定在环形槽内。

所述回环连通器上端开有孔洞，且孔洞通过橡胶塞进行封闭。

所述钢尺的两端由螺丝固定在骨架两端的吊耳上。

所述环形槽由直线段和两端圆弧段组合成腰子形结构，且回环连通器的形状与环形槽的形状相匹配。

所述骨架的左右侧均有一手把，且把手内面做成弧面。

所述回环连通器为透明玻璃管。

所述卡扣为塑料制成的带有开口的圆环，且圆环内圈直径与连通器管直径相匹配。

一种采用回环连通器式双向测斜仪测量结构物斜度的方法，主要包括如下步骤：

(1)确定正置测斜仪的测量倾角：将上述测斜仪的竖向任意测量平面紧靠被测结构物的表面，当回环连通器两管内液面平稳后，移动活动游标，当瞄准指针与靠近钢尺一侧的管内液面重合的时，读取钢尺的读数和活动游标11的读数，二者相加即为倾斜后左管液位为H2，并计算本次的倾角θ₁；

(2)确定倒置测斜仪的测量倾角，进行上述同样的操作，计算出第二次的倾角θ₂；

(3)确定最终测量倾角θ：将步骤(1)和步骤(2)测量结果差值求平均值即得最终测量倾角为：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{2}.$

所述步骤(1)中θ₁的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{H_1-H_2}{R_2}\right)$

所述步骤(2)中θ₂的计算公式：

${\mathrm{\θ}}_2={\tan }^{-1}\left(\frac{H_2-H_1}{R_2}\right)$

式中：H₁为初始液位；H₂为倾斜后回环连通器的左管液位；R₁为回环连通器圆弧部分的内半径；R₂为回环连通器圆弧部分的外半径。

本发明的有益效果是：

本发明利用连通器原理进行倾角测量，精度高、制作成本低、适用范围广、易于操作、用途多。与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)由于本发明骨架四个外侧边均为工字型测量平面，因此任意放置都可以测量；

(2)本发明通过将钢尺刻度分为上下对称的两个部分，并且在游标上对称分布有瞄准指针，因此可以在任何侧面进行测量，而且通过倒置一次仪器，即可完成正、反两次测量，从而减小测量误差，提高测量精度；

(3)本发明既可以测量垂直方向的倾斜角，也可以测水平方向的不平整度，而且操作非常简单，只需要将工字形测量平面与被测结构物的表面贴紧即可；

(4)本发明能通过观察连通器两侧管内水位是否一致对结构物的表面进行调平操作，可兼具传统水平尺的作用；

(5)本发明尺寸小、质量轻，携带方便，同时还可进行适当拓展，当需要测量较大范围内的倾斜情况时，只需要一个与本发明配套的可伸缩长条板，将本发明的工字形侧边安装在长条板上预留槽中即可进行测量；通常可伸缩长条板为铝合金材料加工制成，其刚度大，稳定性好，而且质量轻，易于携带。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明处于水平状态的结构示意图；

图3为本发明处于倾斜状态的结构示意图；

图4为采用本发明测量结构物斜度的示意图。

图中：1-骨架，2-镂空，3-手把，4-测量平面，5-环形槽，6-回环连通器，7-卡扣，8-液体，9-钢尺，10-螺丝，11-活动游标，12-瞄准指针，13-孔洞，14-橡胶塞，15-吊耳，16-被测结构物。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1所示，本发明所述的一种回环连通器式双向测斜仪，包括骨架1，所述骨架1中间部分设置为腰形镂空2，所述骨架1的四个侧边均为工字型测量平面4，在骨架1上位于镂空2外侧还开设有环形槽5，所述环形槽5内安装有盛装液体8的回环连通器6，所述骨架1的竖向中心轴上安装有钢尺9，且钢尺9的刻度分为上下对称的两个部分，所述钢尺9上还设置有活动游标11，并在活动游标11上对称分布有瞄准指针12。通过活动游标11与钢尺9配套使用来测读数据。所述液体8具有良好的流动性，冷热稳定性且无毒无腐蚀性。所述液体可以采用变压器油、液压油等透明、不易挥发、流动性好、不易结冰也不易蒸发的液体，不宜采用水、酒精等冷热稳定性差的液体。在使用时，规定钢尺9竖直向下为其正方向。

所述回环连通器6通过设置于两端的卡扣7固定在环形槽5内。

所述回环连通器6上端开有孔洞13，孔洞13作为往管内输液和排出管内气体用，且孔洞13通过橡胶塞14进行封闭。

精度可达0.1mm(将游标上每1cm的长度与钢尺上1cm长度之间相差1mm就可实现测量精度为0.1mm)，所述瞄准指针细直且稳定，很难发生弯曲变形。初始状态瞄准指针12位置处于钢尺9正中间，初始读数为Lmm，其中L可以按照不同的需求生产相应的量程，但是要保证钢尺与游标配套后的测量精度是不变的，通过将游标上每1cm的长度与钢尺上1cm长度之间相差1mm就可实现测量精度为0.1mm即可实现上述要求。所述钢尺9的两端由螺丝10固定在骨架两端的吊耳15上。

所述环形槽5由直线段和两端圆弧段组合成腰子形结构。所述回环连通器6的形状与环形槽5的形状相匹配。

所述骨架1为长方体结构，其长、宽、高分别为250mm、200mm、20mm，且四条侧面均为垂直面。

所述骨架1的左右侧(即长直边侧)均有一手把3，供操作人员握持仪器。所述把手3的尺寸为80mm×40mm×20mm(长×宽×高)，内面做成弧面，以便于握持。所述回环连通器6为透明玻璃管，这里一定要注意，管的内直径不宜过大，否则无法利用液体表面张力的特点，在此将管的内直径做成5mm，回环连通器6的直线段长度100mm，两端的圆弧段的外半径为60mm，内半径55mm，将其固定在骨架1上预留的环形槽5内，两端用卡扣7固定，卡扣7为塑料制成的带有开口的圆环，且圆环内圈直径与连通器管直径相匹配，将带有活动游标11的钢尺固定在骨架竖向中心轴的两端的吊耳15上，吊耳为带槽的方形或者半圆形，活动游标11上的瞄准指针12与管面之间不宜过松也不宜过紧，保证其在连通器管外表面自由滑动即可。

测量前，将本发明下端置于水平面上，将游标上的指针归中，即指针处于Lmm的位置，打开软橡胶塞14，向回环连通器6内注入液体8直到液面刚好处于指针位置即可停止加液体，然后将软橡胶塞14塞入孔洞13，进行封闭。

本发明充分利用连通器原理和液体表面张力特点，即：

(1)连通器内液体的体积不变。

(2)连通器两侧的管内液面始终处于同一水平面上；

(3)液体表面具有张力，使得连通器管内液面始终与管的径向平行。

依据上述3个原理，结合图2和图3对倾角的计算公式进行推导如下：

由连通器内液体的体积不变可知：

2π(R₂-R₁)²H₁＝π(R₂-R₁)²(H₂+H₃)

从而得到：

2H₁＝H₂+H₃

由两侧管内液面始终处于同一水平面上且液体具有张力可知：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{H_3-H_2}{2R_2}$

所以倾角θ计算式为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{H_1-H_2}{R_2}\right)$

以上式中：

H₁—初始液位(连通管竖直放置，左右管液位相等)

H₂为倾斜后回环连通器的左管液位

H₃为倾斜后回环连通器的右管液位

R₁为回环连通器圆弧部分的内半径

R₂为回环连通器圆弧部分的外半径

上述为推求的倾角θ的计算公式，在具体测量时由于所述钢尺刻度分为上下对称的两个部分，且规定竖直向下为其正方向，初始指针位置处于钢尺正中间，初始读数为±Lmm。因此当在第一次测量后计算出倾角θ₁，将仪器倒置过来再次进行测量得到倾角θ₂，理论上同一平面的倾角应该相等，但是由于钢尺的量程是从±Lmm～0.0mm，因此正反两次后的测值的数值刚好相反，而绝对值相等，这样就可以通过正、反测量求平均值来提高精度，减小误差。

正测时：

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{H_1-H_2}{R_2}\right)$

反测时：

${\mathrm{\θ}}_2={\tan }^{-1}\left(\frac{H_2-H_1}{R_2}\right)$

因此最终倾角θ为：

下面结合实施例进一步说明本发明的应用。

如图4所示，当测量垂直面的倾角时，将本发明的工字形竖向任意测量平面4紧靠被测结构物16的表面，当回环连通器6两管内液位平稳后，移动活动游标11，当瞄准指针12与靠近钢尺9一侧的管内水面刚好重合的时候，读取钢尺的读数和活动游标11的读数，二者相加即为当前液位H₂，计算本次的倾角θ₁。倒置测斜仪，进行上述同样的操作，计算出第二次的倾角θ₂。两次测量结果差值的平均值即为所求倾角θ，从而得出被测结构物16的表面斜度。

如图3所示，当测量水平面的不平整度时，测量前的调节步骤同上，此时将本发明的工字形横向任意测量平面4置于被测结构物16的待测面上，当回环连通器6两管内液位平稳后，移动活动游标3，当瞄准指针12与靠近钢尺9一侧的管内液面刚好重合的时候，读取钢尺的读数和活动游标11的读数，二者相加即为当前液位H2，计算本次的不平整度。倒置测斜仪，进行上述同样的操作，计算出第二次的不平整度。两次测量结果差值的平均值即为所求不平整度θ。

本装置的测量精度及分辨率主要受液位差值来决定，即两次测量的液位差越大、越明显，现有技术手段就越容易分辨，其可用性就越高。从表1列出的本实施例的部分计算结果不难看出，对应于游标钢尺的最小精度0.1mm时，本发明最小测角为0.0955°，表明测角精度和分辨率很高。所测角度随着液位差增大而增大，表明测角范围较大。

从表2可知，进行正、反两次操作后取得均值与仅测一次的值进行对比发现，两者相对误差不大，且精度尚可，但很明显的是：进行正、反测所得倾角值可减小误差，避免因人为因素而导致结果偏差较大、波动较大，表中单次测量与正、反测量之间的相对误差最大可达4.166％，表中仅仅列出部分验算结果，而且所测倾角很小，因此对最终结果的影响不明显，但是当在倾角较大的情况下，其影响就会很显著，譬如倾角为10°时，如果相对误差达4.166％，那么最后测值就会偏离10°×4.166％＝0.4166°，0.4166°的倾角对于竖直高度2m的墙面来说，相当于其两个顶端面的相对水平向位移为14.54mm，因此对角度测量的精度要求是很高的，而正、反测正好可以减小这些影响。

表1  本实施例部分计算结果

初始液位	当前液位	外半径	倾角	液位差值
					H1(mm)	H2(mm)	R2(mm)	θ(°)	H1-H2
50.0	49.9	60	0.0955	0.1
					50.0	49.8	60	0.1910	0.2
50.0	49.7	60	0.2865	0.3
					50.0	49.6	60	0.3820	0.4
50.0	49.5	60	0.4775	0.5
					50.0	49.4	60	0.5729	0.6
50.0	49.3	60	0.6684	0.7
					50.0	49.2	60	0.7639	0.8
50.0	49.1	60	0.8594	0.9
					50.0	49.0	60	0.9548	1.0
-50.0	-49.9	60	-0.0955	-0.1
					-50.0	-49.8	60	-0.1910	-0.2
-50.0	-49.7	60	-0.2865	-0.3
					-50.0	-49.6	60	-0.3820	-0.4
-50.0	-49.5	60	-0.4775	-0.5
					-50.0	-49.4	60	-0.5729	-0.6
-50.0	-49.3	60	-0.6684	-0.7
					-50.0	-49.2	60	-0.7639	-0.8
-50.0	-49.1	60	-0.8594	-0.9
					-50.0	-49.0	60	-0.9548	-1.0

表2  本实施例部分计算结果误差分析

从表1和表2可以看出，从计算的倾角值可以判断出倾斜的主方向，在本实施例中，正值表明倾向内侧，负值表明倾向外侧，因此非常实用。本发明操作方便，计算原理简单，仪器的制作成本低，而且便于维护保养，易于携带，适用范围非常广。

Claims (10)

1.一种回环连通器式双向测斜仪，其特征在于：包括骨架(1)，所述骨架(1)中间部分设置为腰形镂空(2)，所述骨架(1)的四个侧边均为工字型测量平面(4)，在骨架(1)上位于镂空(2)外侧还开设有环形槽(5)，所述环形槽(5)内安装有盛装液体(8)的回环连通器(6)，所述骨架(1)的竖向中心轴上安装有钢尺(9)，且钢尺(9)的刻度分为上下对称的两个部分，所述钢尺(9)上还设置有活动游标(11)，并在活动游标(11)上对称分布有瞄准指针(12)。

2.根据权利要求1所述的一种回环连通器式双向测斜仪，其特征在于：所述回环连通器(6)通过设置于两端的卡扣(7)固定在环形槽(5)内。

3.根据权利要求1所述的一种回环连通器式双向测斜仪，其特征在于：所述回环连通器(6)上端开有孔洞(13)，且孔洞(13)通过橡胶塞(14)进行封闭。

4.根据权利要求1所述的一种回环连通器式双向测斜仪，其特征在于：所述钢尺(9)的两端由螺丝(10)固定在骨架两端的吊耳(15)上。

5.根据权利要求1所述的一种回环连通器式双向测斜仪，其特征在于：所述环形槽(5)由直线段和两端圆弧段组合成腰子形结构，且回环连通器(6)的形状与环形槽(5)的形状相匹配。

6.根据权利要求1所述的一种回环连通器式双向测斜仪，其特征在于：所述骨架(1)的左右侧均有一手把(3)，且把手(3)内面做成弧面。

7.根据权利要求1所述的一种回环连通器式双向测斜仪，其特征在于：所述回环连通器(6)为透明玻璃管。

8.根据权利要求1所述的一种回环连通器式双向测斜仪，其特征在于：所述卡扣(7)为塑料制成的带有开口的圆环，且圆环内圈直径与连通器管直径相匹配。

9.一种采用如权利要求1至8任意一项所述的回环连通器式双向测斜仪测量结构物斜度的方法，其特征在于：主要包括如下步骤：

(1)确定正置测斜仪的测量倾角：将上述测斜仪的竖向任意测量平面(4)紧靠被测结构物(16)的表面，当回环连通器(6)两管内液面平稳后，移动活动游标(11)，当瞄准指针(12)与靠近钢尺(9)一侧的管内液面重合的时，读取钢尺(9)的读数和活动游标(11)的读数，二者相加即为倾斜后左管液位为H2，并计算本次的倾角θ₁；

(2)确定倒置测斜仪的测量倾角，进行上述同样的操作，计算出第二次的倾角θ₂；

(3)确定最终测量倾角θ：将步骤(1)和步骤(2)测量结果差值求平均值即得最终测量倾角为：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{2}.$

10.根据权利要求9所述的采用回环连通器式双向测斜仪测量结构物斜度的方法，其特征在于：所述步骤(1)中θ₁的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{ta}{n}^{-1}\left(\frac{H_1-H_2}{R_2}\right)$

所述步骤(2)中θ₂的计算公式：

${\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{ta}{n}^{-1}\left(\frac{H_2-H_1}{R_2}\right)$

式中：H₁为初始水位；H₂为倾斜后回环连通器的左管水位；R₁为回环连通器圆弧部分的内半径；R₂为回环连通器圆弧部分的外半径。