摘 要

倾角仪是工程施工中常用的测量工作角度的仪器，在测量过程中不可避免地存在一定的测量误差。在以往的研究中，对于倾角仪的温漂误差的补偿技术已经相当成熟，而对于振动影响的研究甚少。在TBM施工时，倾角仪的工作环境存在较大的振动干扰，这会严重影响倾角仪的正常工作。因此，有必要对振动环境下的倾角仪测量误差进行实时补偿和修正。本文基于动态测量误差补偿的基本原理，提出了一种关于振动环境下倾角仪测量误差补偿的方法，主要研究内容如下：

首先，根据倾角仪的工作原理和动态测量的相关理论知识，拟定了对于测量数据进行误差补偿的几种想法，经过相互的对比之后，形成了测量误差补偿的初步方案。

然后，根据误差补偿的初步方案，拟定了具体的实验方案。在实验条件下，测量了倾角仪在振动环境中对于特定角度的输出数据。根据测量的结果，制定了隔振方案并予以实施。与之前对应的数据进行对比分析，达到了从硬件角度减小测量误差的目的，提高了测量精度。

最后，利用matlab对实验所得数据进行了处理和分析，得到了振动环境下倾角仪测量误差的基本规律以及弹性元件对减小测量误差的作用。再根据标准量插入法和平稳随机过程自回归模型的误差预报，分别对系统误差和随机误差进行实时修正，进而对综合误差进行补偿。

通过弹性元件的加入和随机误差的预报，结合了硬件改善和软件补偿，提高了倾角仪的测量精度。

关键词：倾角仪，标准量插入法，自回归模型，误差预报

Abstract

Inclinometer is one of the instruments that are used for angle measurement in engineering construction, and the measurement error is unavoidable in the process. The compensation technology of temperature drift errors of Inclinometer has been quite mature in the past study, but the research on the effects of vibration is rare. In the construction of TBM, there is great vibration in the working environment, which influences the normal work of the inclinometer seriously. Therefore, it is necessary to compensate the measurement error in the environment of vibration. In this paper, I put forward a method to compensate the measurement error in the environment of vibration based on the basic principle of the dynamic measurement error compensation. The main research contents are as follows:

First of all, according to the work principle of the Inclinometer and the related theory of dynamic measurement, I draw up several ideas to compensate error for the measured data. Through the contrast of each other, the preliminary program of error compensation is formed.

Then, according to the program I draw up the concrete experiment scheme. In the experimental conditions, I measured the output data of the inclinometer for particular angles in the environment of vibration. According to the results of the measurement, I formulated the scheme to buffering the vibration. Contrasting the corresponding data before, it has reduced the errors and improved the measuring precision.

Finally, the data from experiment is analyzed using MATLAB, obtaining the basic laws of the measurement error of inclinometer in the condition of vibration and showing the function of the elastic element to reduce the measurement error. According to the standard quantity insertion method and the error prediction of the regression model in stationary random process, I get the real-time compensation of the system error and random error, thus compensating the synthetic error.

Through the placement of elastic element and the prediction of random error, combining the hardware improvement and the software compensation, the accuracy of the inclinometer has been improved.

Key Words: Inclinometer, standard quantity insertion method, regression model, stationary random process

目 录

1绪论 1

1.1课题来源与研究背景 1

1.2国内外研究现状 4

1.3主要研究内容 4

2倾角仪简介 6

2.1倾角仪分类 6

2.2加速度型倾角仪工作原理 8

2.3倾角仪振动模型 11

3隔振技术的应用 13

3.1力学模型 13

3.2选择隔振方案 16

4振动实验 18

4.1实验目的 18

4.2实验平台 18

4.3实验方案 19

4.3.1变频振动实验 19

4.3.2隔振实验 20

4.3.3振动方向实验 22

4.3.4猜想验证实验 26

5误差分离及修正 27

5.1误差分离技术 27

5.2误差修正技术 28

5.2.1系统误差修正 29

5.2.2随机误差修正 30

5.3随机误差数学模型 31

5.3倾角仪动态误差分析 34

5.3.1误差来源分析 34

5.3.2系统误差分析 34

5.3.3随机误差分离 35

5.3.4随机误差预报 36

6.总结与展望 38

参考文献 40

致 谢 42

1绪论

1.1课题来源与研究背景

目前，随着我国城市化水平的高速发展，大量的人口向大城市涌入，提高了城市交通的压力。越来越严重的交通拥堵对人们的正常出行造成了很大的不便，并在很大程度上影响了城市的发展。而因为地面空间是有限的，其所能提供的道路也是有限的。因此，解决拥堵问题的办法则是大力发展大容量的地下公共交通----地铁。城市交通中建设地铁的优势有：能避开城市的地上空间，节省土地资源；以电能作为驱动能源，没有废气排放，既能节约能源又能避免污染环境；相比于其他城市交通工具，地铁还具有运输能力强，速度快，交通干扰少等诸多优点。因此，地铁建设将成为未来城市交通建设的一大重点^[1]。

我国目前的隧道施工当中又以盾构法居多。盾构法是指利用盾构机进行隧道的施工，其工作的基本原理是通过一个可以承受地面压力又可以在地底按照预定轨道轴线推进的圆柱形钢筒对土地层进行挖掘^[2]。其优势有：大部分施工过程在地底进行，在不影响地面正常交通的同时也基本不受外界环境影响；采用机械化作业，自动化程度高，施工速度快，节省人力^[3]。因为盾构法具有上述这些其他施工方式所没有的优势，其在城市隧道建设中越来越多的被使用。盾构机的基本结构如下图1.1所示。在中国，通常将用于软土挖掘的掘进机称为盾构机，用于硬岩挖掘的掘进机称为TBM(Tunnel Boring Machine，全断面隧道掘进机)^[4]。但实际上，盾构机和TBM都是在隧道或隧洞的挖掘中，集全断面开挖一次成型、排土、护壁衬砌、行走导向、机电液光等多项技术于一体的系统集成大型施工机械设备^[5]。