4第四章 垂线监测及垂线坐标仪.

第四章 垂线监测及垂线坐标仪
垂线坐标仪是一种测量工程结构物水平位移（和垂直位移）的垂线测量装置中的测量仪器。

垂线测量装置有正垂线和倒垂线两种，正垂线测量装置其固定点悬挂于欲测部位的上部，垂线下部设重锤，使该线体始终处于铅垂状态，作为测量的基准线，垂线坐标仪则设置在沿线体布置的监测点上。

正垂线可测量相对于顶部悬挂点的位移变化。

倒垂线测量装置的锚固点设在基岩下一定深度，线体上引至地面，利用浮筒的浮力将线体拉直并保持一定的张紧力，浮筒置于被测对象上并随其一起位移，但垂线借助于浮子仍始终保持为铅直，故该垂线可以认为是基准线。

倒垂线锚固点的深度通常要求达到基岩的不动点，因此倒垂上部测点的位移可认为是绝对位移。

正垂和倒垂经常组合使用，可求得建筑物整个高度各测点的绝对水平位移量。

图4―1为正倒垂线系统示意图。

目前国内使用最多的遥测垂线坐标仪为差动
电容式双向坐标仪，此外还有步进电机式坐标仪，以电荷偶合器件为敏感元件的CCD 型坐标仪也在工程中开始得到应用。

RZ 型电容式垂线座标仪（见上图）按其用途及测量方向可分为双向垂线座标仪和三向垂线座标仪（有时亦用RZS 型加以区分）。

双向垂线座标仪主要是用于水平面内挠度的变位监测。

三向垂线座标仪除可测量水平面内挠度的双向变位外，还可以测量沉陷方向的位移。

正垂测点
倒垂测点
正垂测点正垂测点
正垂测点
正垂线
倒垂线锚固点
挂重锤
倒垂浮筒
悬挂点
图4-1 正倒垂线系统示意图
4.1 RZ 型电容式垂线座标仪的结构及原理
4.1.1 电容式双向垂线座标仪的结构及原
（1） 结构
双向垂线座标仪是由水平变形测量部件、标定部件、档水部件以及屏蔽罩等部分组成，座标仪的测量信号由电缆引出。

如图4-2所示。

（2） 工作原理
仪器采用差动电容感应原理非接触的比率测量方式。

如图4-3所示在垂线上固定了一个中间极板，在测点上仪器内分别有一组上下游向的极板1、2和左右岸向的极板3、4，每组极板与中间极组成差动电容感应部件，当线体与测点之间发生相对变位时则两组极板与中间板间的电容比值会相应变化，分别测量二组电容比变化即可测出测点相对于垂线体的水平位移变化量（Δx 、Δy ）。

Δx ＝（a ix -a 基x ）×K fx
Δy ＝（a iy -a 基y ）×K fy
式中Δ为本次测量相对于安装基准间的变位量，a I 为本次仪器的电容比值，a 基为建立基准时仪器的电容比值，K f 为仪器的灵敏度系数。

4.1.2 电容式三向垂线座标仪的结构及原理
（1） 结构
如图4─4所示，仪器是由水平及垂直测量部件、标定部件、档水部件及屏蔽罩等组成，测量信号分别有五芯屏蔽线和三芯屏蔽线引出。

（2） 工作原理
水平位移测量原理同双向。

垂直向测量部件是在垂线体上固定了一个园盘状的中间极
图4-2、电容式双向垂线座标仪结构示意图
图4-3、电容式双向垂线座标仪原理示意图
板，在测点上位于中间极板二侧安装了一组平行的圆环，当测点相对于线体沉陷方向发生变化则由一组环极与中间园盘组成的差动电容值发生变化，通过测量电容比，即可测定沉陷方向的相对变化量。

Δx ＝（a ix -a 基x ）×K fx
Δx ＝（a iy -a 基y ）×K fy Δy ＝（a iz -a 基z ）×K fz
上式中Δ为本次测量相对于安装基准间的变位量，a i 为本次仪器的电容比值，a 基为建立基准时仪器的电容比值，K f 为仪器的灵敏度系数。

4.2 RZ 型电容式垂线座标仪的技术参数
（1） 型号及规格指标
电容式双向垂线座标仪的型号及规格指标如下：
（2） 技术指标
a 、最小读数(mm)：≦0.05%F.S
b 、精度（mm ）：≦0.7%F.S
c 、温度系数：≦0.05%F.S/℃
d 、环境温度：－20℃~＋60℃
e 、相对湿度：95％ 4.3 RZ 型电容式垂线座标仪的性能特点
(1) 电容感应式垂线座标仪无机械传动和跟踪结构，用非接触测量方式实现了垂线的自动监测，具有精度高，长期稳定可靠的优点。

由于该系统采用差动电容传感器技术比例测量原理，测量精度高。

从测量方法和误差分析来看，传感器测量有直接测量法、差值测量法和比率测量法三种。

用直接测量法因测量时间不同与环境条件变化而引入一系统误差，而差值测量法由于二个被比较元件外界条件相同，在传感器结构做得很对称时，测量可在很大程度上消除上述系统误差，但所获得的二个量之差仍随外部条件而变动，而采取比率测量法能消除或大大减小在一阶近似条件下被测量依赖于外界条件以乘积因子出现的误差项，因而具有优于差值测量法的抗干扰能力。

仪器实测性能，测量范围在100mm 范围线性误差为0.51%F.S ，且不存在传动间隙及弹性元件滞后等误差，重复性和滞后误差可忽略不计， 温度系数仅＜0.005%F.S/℃。

这些性能明显优于国外同类产品，可完全满足各种大型建筑物测量的需要。

图4-4、电容式三向垂线座标仪结构示意图
座标仪中电容传感部件的电容值仅取决于座标仪结构，只须从强度、抗蠕变能力及温度系数等性能来选择材料，不用考虑材料电磁特性。

由于仪器传感部件采用差动结构及比率测量方法，对材料温度系数指标要求不高，对称的差动结构保证了座标仪长期测量的稳定性，并较好解决了高阻抗桥抗抗干扰及传感电容量极小不到1PF 而要分辨10－
4PF 等难题。

长期零飘＜0.20%F.S/年，远小于国外同类产品。

(2) 仪器结构简单，仪器的关键部件仅由安装在测点的感应极板和安装在线体上的中间极组成，没有任何传动部件也无一电子元器件，故障环节少，可靠性高。

(3) 仪器适应环境能力强，用于坝工监测的仪器与其它工业传感器相比，有二大特性，其一要求长期稳定，其二要求适应高低温＋60℃~－35℃、高湿度（相对湿度95％），电容感应式垂线座标仪温度系数极小，性能优越。

感应部件中的感应极经过了特殊绝缘防潮工艺处理，防潮性能好，对防尘、防沙没有特别要求。

4.4 RZ 型电容式垂线座标仪的现场安装、标定
（1） 仪器支架的准备
仪器固定架原则上由设计单位和工程单位根据工程的特点进行设计、加工。

固定架从观测点混凝土壁上支撑出来。

固定架也可根据仪器安装位置做在混凝土墩上，或做成钢架形式。

仪器固定架最根本的要求是稳定、可靠，与待测部位固结，并能代表所测位置的变形。

如图4-5所示固定架的支架端部埋入混凝土要稳定可靠，在固定架浇注15天后再安装仪器。

固定架按图所示尺寸要求，以线体为中心加工4个∅10mm 的过眼。

固定架埋设时需用水准尺调平。

RZ －25型电容式双向座标仪安装支架4－∅10孔间距为385mm ⨯274mm 。

电容式垂线座标仪是精密的传感器，可在潮湿环境下使用，但需有保护设施，防止漏水或凝结水直接流入仪器。

（2） 电缆准备
垂线自动监测系统中共采用二种类型电缆，均为电容感应式仪器特制的专用电缆。

RZ 型座标仪采用五芯屏蔽电缆连接。

在现场安装前应对电缆做如下检查：
a. 用万用表测量每根线的芯线电阻，并记录。

b. 用100V 兆欧表分别检查每根芯线与屏蔽层的绝缘电阻值，并记录，要求阻值大于100兆欧。

（3） 电容式双向垂线座标仪的现场安装
在准备好的支架上，先安装仪器底板，再安装四块极板，要求二组平行极板分别平行与坝体左右岸方向和坝体
上下游方向，固定极板部件的螺丝拧紧时要适量，以免连接件瓷子被破坏。

再将各极板引线头烫锡。

中间极感应都件是由一个圆柱形极板组成的，由二块半圆环形的夹块固定在垂线上，对于RZ-25型座标仪，中间极安装尺寸为：由底板到上部为100士2mm ，RZ-50型电容式双向座标仪为：140士2mm 。

中间极安装时一定要固紧在线体上，防止因重力作用下中间极缓慢下滑而影响测值。

（4）电缆连接及绝缘处理
将屏蔽电缆线穿过仪器底板的过线孔，每根芯线固定在其相应的位置，与感应极引线焊接。

焊接后接头部分进行绝缘处理，并检查绝缘性能。

图4-5、RZ-25型座标仪安装示意图
（5） 现场性能标定
为确保仪器使用质量，并使用户在现场能检查仪器性能，每个工程配置了一套标定部件，用于检查仪器输出数值是否正常，可用标定部件在座标上标定，如标定出数据正常，就要对坝体出现异常进行分析，采取相应措施。

仪器出厂前在专用标定台上按以下方法作标定试验，将测量范围均分5-10档进给位移，共完成三个正、反行程测量，将所得资料经计算得仪器在左右方向、上下向的线性误差，重复性误差和迟滞误差。

计算方法：
最小读数（灵敏度系数） u
P
K f =
非线性误差 %
100max
1⨯-=
u a a i
i δ
重复性误差 %
100max
2⨯∆=u
δ
迟滞误差
%
100max
3⨯-=
u
a a i
i 反正δ
基本误差 2
32221δδδδ++=
式中：P 为满量程位移值（mm ）；
0a a u n -=为满量程输出值的均值，n=5～10为分
档数量；
i
a (i=0、1、2、3...n)为同档位对应的正、反3个行程6个测值的均值；
max
i i a a -为测点端基线理论值与该点测值平均值之最大偏差值；∆max 为测点正程测值与其均值和反程测值与其均值间的最大偏差；
max i
i a a 反正-指正程均值与反程均值间的最大偏差。

电容式双向垂线座标仪的线性标定、温度附加误差试验，一般现场不具备一定条件和设备，可不做此试验，一般现场仅做灵敏度标定。

方法如下：30(或50)mm 百分表一只，磁性表架一只及连接在屏蔽罩上的两块不锈钢标定架定位块组成。

将标定架用二个M6X16的螺丝固定在标定架定位块上，垂线固定在标定架推动块中心刻槽中，将表架吸在另一块定位块上，将百分表对准标定架推动块，并使表杆与座标方向平行。

在左右方向和上下游方向分别找到中间位置(0mm 位置)后按满量程进行标定，确定灵敏度。

为了便于计算，垂线座标仪的测值方向应与《规范》一致，即坝体向下位移为正，坝体向左位移为正；若不一致，在模块接线端子处将该组二桥压线进线的位置互相调换使其一致。

4.5 RZ 型电容式垂线座标仪的观测和使用维护 4.5.1 RZ 型电容式垂线座标仪的观测
用数据采集装置自动测量，可直接显示或打印本次测值与基准值间的相对变位，或座标值。

用便携式指示仪表测量与基准值间的变位则需人工计算。

△x=(a x 基准－a xi ) ×K fx (1) △y=(a y 基准－a yi ) ×K fy (2) △z=(a z 基准－a zi ) ×K fz (3)
(1)式中Δx 为上下游本次相对基准值间的变位测值；a x 基准为测点上下游方向基准时间仪表测的电容比值；a xi 为本次测量得到的上、下游向电容比值；K fx 为座标仪X 向(上、下游向)的仪器灵敏度系数(毫米/单位电容比值)。

(2)Δy为左右岸向本次测值与基准值间的变位；a y基准为确定测点左、右岸向基准时间仪表测的电容比值；a yi为本次测量仪表的左、右岸向电容比值；K fy为座标仪左、右岸向仪器的灵敏度系数（毫米／单位电容比值）。

(3)式中Δz为沉陷向本次测值与基准值间的变位；a z基准为沉陷向基准时间的电容比值，
a zi为本次测量仪表沉陷向的电容比值，Kfz为座标沉陷向仪器的灵敏度系数(毫米/单位电容比)。

由Δx、Δy、Δz就可以换算出测点的座标位置，操作人员应将本次的测值与以前的测值做一比较，看是否测试正常。

4.5.2 RZ型电容式垂线座标仪的使用维护
（1）垂线线体装置要稳定可靠。

如有些倒垂线在基岩锚固处固结不牢、因垂线孔倾斜引起线体碰孔壁、在坝体中因串风引起线体摆动、线体卡住等等引起的故障要排除，否则测值不可靠。

（2）座标仪系列中感应部件经过特殊防潮工艺处理，能在相对湿度95%的坝体内长期可靠工作，但这并不意味着座标仪这类精密仪器能在水等经常流入座标仪情况下给出准确测值。

因此现场必须采取措施防止雨水、冷凝水等流入座标仪内。

安装在大坝竖井、基础的垂线座标仪，因竖井等环境存在冷热空气交换，使竖井及座标仪上长期存在大量冷凝水。

在此恶劣环境下，需采取一定措施确保垂线座标仪极板上水介质均匀，使仪器测值可靠。

（3）为适应在大坝恶劣环境下可靠工作，座标仪内无一电子元器件。

当座标仪在现场安装调试完后，一般不会出现什么故障，不需经常采取什么维护措施。

中间极引出线是一根线径仅0.05mm～0.1mm的细漆包线，要注意防止非观测人员或参观人员看不清此线而将其碰断。

4.6 MZ－1型垂线瞄准仪
MZ－1型垂线瞄准仪结构简单、性能可
并可作为自动化电测仪器的校核装置（用于人
工比测）。

4.6.1 MZ－1型垂线瞄准仪用途
安装在正、倒垂线装置的测点处可以人
工目测水平面双向位移变化。

4.6.2 MZ－1型垂线瞄准仪主要技术指标
测量范围(mm) ：
X向-15 ~ +15 (上下游向)
Y向-10 ~ +10 （左右向）
最小分辨值(mm)：0.1
测量误差(mm)：0.30
图4-6、MZ-1型垂线瞄准器结构图外形尺寸(mm)：50×630×330
4.6.3 MZ－1型垂线瞄准仪的结构、测量原理、计算方法
（1）仪器结构
仪器由瞄准针、主尺、游标尺及底板组成，见图4-6。

（2）测量原理
移动游标尺，通过瞄准孔用目视线将瞄准孔与垂线钢丝及瞄准针三点瞄准排列在一条直线上。

即可利用左、右标心的刻度值来确定垂线位置的座标值。

（3）测量换算
如图4-7所示。

2δ表示二瞄准针的中心距，“O ”为X 、Y 座标轴原点，A 为垂线所在位置，L 左、L 右为二刻度尺上读数值。

读L 左、L 右值即可按下式计算出垂线的座标位置X A 、Y A 值。

(4)
（
（5）
式中： (6)
(7)
系数δ＝30 C ＝0.017453×L=6（mm/1°）
(4)垂线测点移动方向与测值“正”“负”号。

X A 为正值时垂线测点向下游移动。

Y A 为正值时垂线测点向左岸移动。

（以仪器安装时将圆弧面指向上游向为例） 4.6.4 MZ －1型垂线瞄准仪的安装
（1）安装支撑架设置
用户按坝体监测要求设置垂线观测点，在观测点需加工并安装支撑架。

安装支撑架由50×50（mm ）角钢焊成。

其上加工4个11×50长圆孔，孔的位置图4-8所示。

安装支撑架可预埋在廊道侧壁上，或廊道地面上建造墩座，将安装支撑架固定在墩座上。

安装支撑架上表面目侧水平，离地面高度为1.2~1.5(M)。

仪器安置方向是圆弧面指向上游向时，
圆弧面与廊道壁有圆弧壁留有足够空间（间距＞0.8M ）以便观测人员操作。

在瞄准针上方应安置照明灯。

（2）仪器固定 a. 安装起始点选择
仪器在安装时要考虑该垂线观测点今后变化范围及方向，一般作如下考虑，如在气温为年平均温度时安装(4~5月或10~11月)仪器底板圆弧中心与垂线位置相重合。

对倒垂线而言，冬天坝体向下游移动，即钢丝向游标处靠近。

而夏天钢丝向仪器的大边靠近。

因此在安装仪器时，应注意安装时所处的季节来调整初始读数。

在冬天安装时，应调整瞄准仪，使钢丝处在X 轴的负半平面内，即在∅60圆心的游标
）＋左
右左
右ααααδg g g g A t t t t X ⨯-=21(）＋左
右左右ααααδg g g g A t t t t Y -=( ）
1806右390(）＝180右右(右ππα⨯-⨯-=L t C L B t t g g g ）
180
620左(）＝180左左－(左ππα⨯-⨯=L t C B L t t g g g
370
11
5050
50
300
1515370
160
50
图4-8、安装支撑架结构图
侧，根据上面的计算负半平面的极限位置约在AD 线附近即距O 点为12mm 处。

根据安装时的气温，水位确定偏离O 点的远近，应留有一些继续向负方向变化的余地。

在夏天安装时，应调整在X 轴的正半平面内而且靠近BC 边，可放在距 60圆心，X 正向约20mm 左右。

如在春、秋装垂线基本处于变化的中间位置，则可调在距O 点约8~10mm 左右或更大一些。

b. 安装固定
利用仪器底板及安装支撑架上的长孔调节仪器与垂
线的相对位置，并注意仪器底板的水平度，用M8螺柱固
紧。

固紧后，复查游标尺在主尺上移动应灵活，瞄准针尖部无污、无变形，盖上保护罩。

4.6.5．MZ －1型垂线瞄准仪的测量
(1)测量前
打开照明灯，读数前应检查垂线是否处于稳定状态，
打开保护罩检查瞄准针的完好性。

(2)瞄准
先移动右游标尺，与垂线建立瞄准线，测读右标心的
刻度L 右并记录，再移动左游标尺与垂线建立瞄准线，测读左标尺的刻度L 左并记录。

左、右标尺读数都应在游标尺从左向右移动后进行。

瞄准垂线建立瞄准线的正确与否，应使瞄准针被垂线分为两个相等大小的三角形为准，如图4-9所示。

(3)读出
在左右主尺上读得厘米数及毫米数，在游标尺上读出1／10毫米数。

如图4-10示例。

(4)读出后工作
将保护罩套在瞄准器上，应经常检查垂线的线体是否有异常，重锤，油桶及倒摆浮筒等是否正常，如有异常应记录并排除，保护线体良好状态。

(5)资料整理
读出L 左、L 右后应及时（4）、（5）式进行计算，并抄录在附件一的记录表格内。

4.6.6．注意事项
(1)在瞄准读数移动游标尺时不能用力过猛，应沿主尺方向轻轻移动，如有不灵活感应检查后再工作。

每次读数前的瞄准步骤应一致，如统一将游标尺从左向右移动后再读等，以保证测量精度。

(2)注意保持仪器清洁完好，主尺及游标尺至少每月用细绵纱擦净一次（去除积水及灰
3040350360120130
33.9mm 355.5mm
126.0mm
图4-10、读出示例
垂线
瞄准针不准正确图4-9、瞄准质量
尘）再用带油的细绵纱擦一次，以便涂上薄油层保护。

在雨季应增加保洁次数。

(3)瞄准针的细尖应注意保护，不能碰撞或其他原因使其受力变形，每次测读后应将保护罩套上。