組合齒輪式測微裝置在巖石侵蝕速率測量領(lǐng)域的應(yīng)用

李懷彬，劉陽，黃費新，張志炳，吳皓然

(中國冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院，北京 100025)

0 引言

工程上高度測量是長度測量的一種，目前有鋼尺量高、水準(zhǔn)儀配合鋼尺測高、經(jīng)緯儀配合鋼尺測高、全站儀測高、測高儀測高、GPS測高及多種儀器配合解析法間接量高等多種方法[1-5]。目前，主流RTK測高的精度已達(dá)厘米級，但是在微變形領(lǐng)域這種測量精度明顯偏低。隨著信息技術(shù)和MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，對納米精度的檢測技術(shù)提出了越來越高的要求[6]。激光干涉檢測技術(shù)由于靈敏度高、精度高及非接觸性等優(yōu)點已得到廣泛應(yīng)用，但干涉信號容易受干擾，且儀器價格昂貴，在工程監(jiān)測領(lǐng)域難以實現(xiàn)無人化、批量化布設(shè)。

目前，獲取地表侵蝕速率最有效的方法是利用微侵蝕測量儀直接測量巖石表面的高度變化[7]。微侵蝕測量儀易于直接測量特定地區(qū)巖石表面侵蝕速率，現(xiàn)在已被應(yīng)用到多種自然環(huán)境條件下[8-9]。但限于螺旋測微器精度(0.01 mm)不足的原因，仍難以滿足大多數(shù)地區(qū)短時間內(nèi)測量出準(zhǔn)確侵蝕速率值的要求，也不便于大規(guī)模開展測量。因此，亟需研發(fā)一種測量精度高、攜帶方便且成本較低的測量裝置。本文在前人的研究[10-11]基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加組合齒輪組裝置和擴(kuò)展可移動圓盤，有效地提高了測量精度，理論上可達(dá)納米級。

1 裝置的組成及原理

本裝置基于螺旋測微器進(jìn)行了改進(jìn)，增加了組合齒輪組(輸入和輸出比為500∶1)和擴(kuò)展可移動圓盤(擴(kuò)展可移動圓盤100的整數(shù)倍)。利用輸入和輸出比為500∶1(優(yōu)點是易于直接讀出測量結(jié)果)或1000∶1(優(yōu)點是精度稍高)的組合齒輪組裝置，根據(jù)齒輪嚙合運動時機(jī)械放大原理，對裝置進(jìn)行再改進(jìn)，理論上也可實現(xiàn)納米級測量，且容易達(dá)到更高精度控制。產(chǎn)品原理見圖1，主要包括螺旋測微頭(0～25 mm帶螺母平頭)、500∶1的減速齒輪組和支架。

圖1中原來裝置的500刻度圓盤替換為1個模數(shù)0.5齒數(shù)50的齒輪，齒數(shù)與下方的螺旋測微器每一螺距的50等分?jǐn)?shù)值相對應(yīng)。減速齒輪組由1個模數(shù)0.5齒數(shù)50、3個模數(shù)0.5齒數(shù)100和10的雙層齒輪嚙合在一起，可實現(xiàn)500倍的放大效果。因此最末端齒輪轉(zhuǎn)動500圈，螺桿便沿著旋轉(zhuǎn)軸線方向前進(jìn)或后退一個螺距的距離(0.5 mm)。即末端齒輪每轉(zhuǎn)1圈對應(yīng)1 μm，每1齒對應(yīng)10 nm，加上估讀數(shù)即到納米級。組合齒輪設(shè)計還有一個優(yōu)點是讀數(shù)精度擴(kuò)展性非常好，雖然目前因為接觸標(biāo)志精度限制達(dá)不到納米級測量，但如果能實現(xiàn)納米級接觸判斷，只需再增加一個齒輪，儀器讀數(shù)精度就提高到了納米級。

為了使用上述測量裝置適用于在野外測量巖石侵蝕速率，我們對該裝置進(jìn)行了改造，添加輔助裝置使其變?yōu)閹r石侵蝕速率測量裝置(如圖2)。決定測量精度的關(guān)鍵因素之一是準(zhǔn)確認(rèn)定螺旋測微器測桿和巖石表面的接觸瞬間時刻，目前靠人工撥動裝置轉(zhuǎn)動的方式儀器測量精度為1 μm左右。本次為了提高儀器的測量精度，在螺旋測微器測頭位置安裝了壓電感應(yīng)式燈泡，利用燈泡亮和滅來判斷測頭與測量物的接觸瞬間，這大大提高了儀器測量精度的有效性。

1. 螺旋測微頭/千分尺；2. 100齒齒輪；3. 指針；4. 100刻度可移動圓盤；5. 裝置框架；6. 軸桿；7. 底座；8. 壓電感應(yīng)式燈泡

圖3是一個簡便的雙測頭1000∶1齒輪組測量裝置原型機(jī)照片，左測頭用來測量巖石表面的高低變化，右測頭用來作對照。

2 測量方法

為保證測量精度，排除系統(tǒng)測量誤差，圖3右測頭用來作對照，左測頭用來進(jìn)行巖石侵蝕面測量。第一次測量左右測頭各測得一個數(shù)值，第二次測量再各得到一個數(shù)值，將兩次所測數(shù)值進(jìn)行差值計算。將左測頭差值根據(jù)右測頭差值進(jìn)行校正后得到的值，即為侵蝕量數(shù)值。如果每日測一次，則為巖石固定面的日侵蝕量；每月測一次，即為巖石固定面的月侵蝕量。

圖3 雙測頭組合齒輪式納米級測量裝置原型機(jī)

為了驗證儀器的性能，利用原型機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)模擬測量。由于原型機(jī)的齒輪組合是1000∶1，因此取前后2次記錄數(shù)值的差值的1/2為測量差值。為提高測量精度，減小系統(tǒng)測量誤差，左測頭和右測頭同時測量，在相同的溫壓條件下，共測得25組數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1 雙測頭組合齒輪式納米級測量裝置模擬測量數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1，將右測頭所測數(shù)據(jù)投影到散點圖上(圖4)，能夠清晰地顯示右測頭測量數(shù)據(jù)集中在±0.000 060 mm之間變化，只有3組數(shù)據(jù)在范圍之外。將左測頭所測數(shù)據(jù)投影到散點圖上(圖5)，其投影點也集中在±0.000 060 mm之間，這更加說明了儀器的測量精度在0.1 μm，其測量精度明顯比原儀器[10-11]提高了1～2個數(shù)量級。

圖4 右測頭測量差值散點圖

圖5 左測頭測量差值散點圖

3 結(jié)論

本文介紹的測量裝置已獲批實用新型專利證書，該測量裝置對已研發(fā)的微米級便攜式高精度游標(biāo)螺旋測微儀進(jìn)行了升級改造，利用組合齒輪組和擴(kuò)展可移動圓盤，使得儀器理論上測量精度達(dá)到納米級。經(jīng)過室內(nèi)模擬測量驗證，其結(jié)果顯示該測量裝置實際測量精度可達(dá)0.1 μm。原型機(jī)目前為手工制作，加工材料多用膠水和塑料，其牢固性和穩(wěn)定性不夠，使得測量精度達(dá)不到理論值，精密制造顯然有助于提高測量精度和穩(wěn)定性。該裝置不僅可以廣泛應(yīng)用于巖石侵蝕速率的直接測量，同時也可以為活動構(gòu)造變形研究、自然地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、泥石流等)和礦山地質(zhì)災(zāi)害(冒頂、片幫、塌方等)預(yù)防提供一種新的高精度測量手段。