第二节 测斜仪器的工作原理
第二节 测斜仪器的工作原理
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
测斜仪器的工作原理
一、磁性测斜仪测量井斜的原理
1.原理：利用重力始终指向地心（摆锤） 的原理测量井斜角，利用地磁场（罗盘指 向）测量方位角（图5.2.1）。
图5.2.1 罗盘
2.磁性测斜仪应注意的问题： ①在磁性测斜仪中，磁罗盘对地球磁场产生感应。罗盘指向会受到局 部磁场的干扰。（钢钻铤和钻头都可能被磁化，为避免磁罗盘产生可能的 误差，测斜仪所在的钻铤由含有铜、镍、铬和其他金属的合金制成，称为 无磁钻铤；如果测量部位邻近有钢性的套管或在套管中测量方位，会存在 较大的误差。） ②测量区域不同，磁北和真北之间有一定的角度偏差。利用罗盘测量 的方位结果还需进行磁偏角校正(图5.2.2）。（所有测量结果都应以真北 方向报告。偏角的大小（磁偏角）由地理位置决定。）
图5.2.4 陀螺仪的结构
陀螺具有进动性，即外框架转轴上有干扰力矩时，内框架转轴进 动，使陀螺轴发生倾斜；而内框架转轴上有干扰力矩时，外框架转轴转 动；因此陀螺轴会产生漂移，在使用陀螺仪前需要进行漂移量修正，使 陀螺轴指向真北方向，以提高测量精度。
3.特点 陀螺罗盘的定向是依靠自身的转动惯量保持方向不变，因而其不受磁 场的影响。 当用磁性罗盘在下完套管的井内进行测量时，由于钢套管的存在将会 得出错误的结果。即使在裸眼井中，如果邻近井下有套管，结果也存在误 差。在丛式井平台上的定向造斜过程中，由于邻井很接近，磁单点测斜仪 的测量结果是不可靠的。在这些情况下，就应使用的陀螺罗盘来代替磁罗 盘。
图5.2.7磁力仪测量方位角原理示意图
北海地区磁偏角=-7° N60E（磁）=N53E（真）
加利福尼亚地区磁偏角=+15° N60E（磁）=N75E（真）
图5.2.2 磁偏角和真方位的转换
测斜仪的原理
测斜仪的原理
测斜仪是一种用于监测土体或结构体的倾斜变形的仪器，它的原理是通过测量倾斜角度和位移来判断土体或结构体的变形情况。
测斜仪在土木工程、建筑工程、地质勘探等领域有着广泛的应用。
测斜仪的原理主要包括以下几个方面：
首先，测斜仪利用了倾斜传感器来测量倾斜角度。
倾斜传感器是一种能够感知重力方向并将其转化为电信号输出的装置。
当土体或结构体发生倾斜时，倾斜传感器会感知到重力方向的变化，并将倾斜角度转化为电信号输出。
通过这种方式，测斜仪可以准确地测量出土体或结构体的倾斜角度。
其次，测斜仪利用了位移传感器来测量位移变化。
位移传感器是一种能够感知位移变化并将其转化为电信号输出的装置。
当土体或结构体发生位移变化时，位移传感器会感知到位移的变化，并将位移量转化为电信号输出。
通过这种方式，测斜仪可以准确地测量出土体或结构体的位移变化。
此外，测斜仪还利用了数据采集系统和数据处理系统来实现对测量数据的采集和处理。
数据采集系统能够实时地采集倾斜角度和位移变化的数据，并将其传输给数据处理系统。
数据处理系统能够对采集到的数据进行处理和分析，并生成相应的监测报告。
通过数据采集系统和数据处理系统，测斜仪可以实现对土体或结构体变形情况的实时监测和分析。
综上所述，测斜仪的原理是通过测量倾斜角度和位移来判断土体或结构体的变形情况。
它利用倾斜传感器和位移传感器来实现对倾斜角度和位移变化的测量，同时借助数据采集系统和数据处理系统实现对测量数据的采集和处理。
测斜仪在工程监测中具有重要的应用价值，能够帮助工程师及时发现土体或结构体的变形情况，保障工程的安全和稳定。
测斜仪工作原理以及使用方法【干货技巧】
在工程测量与建筑中，除了要求工作人员要有专业的知识和认真细心对待的决心外，还需要借助许多外界的力量和设备才能精确地完成任务。
而测斜仪就是一种工程测量中经常用到的工具，工作人员利用这种仪器进行钻孔、基坑、地基基础、墙体和坝体坡等工程构筑物的顶角、方位角的测量，使得工程顺利精确地进行。
可是测斜仪原理我们都了解多少呢？我们应该怎样运用测斜仪原理为我们的生活提供更多的便利，接下来将为大家具体的介绍有关测斜仪原理的相关知识。
测斜仪定义:所谓井眼轨迹，实指井眼轴线。
一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。
为了进行轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测量，这就是“测斜”。
所使用的仪器就称为“测斜仪”。
每隔一定长度的井段测一个点，这些井段称为“测段”，这些点称为测点。
测斜仪在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜角和井斜方位角。
这三个参数就是轨迹的基本参数。
测斜仪原理:测斜管通常安装在穿过不稳定土层至下部稳定地层的垂直钻孔内。
使用数字垂直活动测斜仪探头，控制电缆，滑轮装置和读数仪来观测测斜管的变形。
第一次观测可以建立起测斜管位移的初始断面。
其后的观测会显示当地面发生运动时断面位移的变化。
观测时，探头从测斜管底部向顶部移动，在半米间距处暂停并进行测量倾斜工作。
探头的倾斜度由两支受力平衡的伺服加速度计测量所得。
一支加速度计测量测斜管凹槽纵向位置，即测斜仪探头上测轮所在平面的倾斜度。
另一支加速度计测量垂直于测轮平面的倾斜度。
倾斜度可以转换成侧向位移。
对比当前与初始的观测数据，可以确定侧向偏移的变化量，显示出地层所发生的运动位移。
绘制偏移的变化量可以得到一个高分辨率的位移断面图。
此断面图有助于确定地面运动位移的大小，深度，方向和速率。
测斜仪特点:1.性能卓越：便携式数字垂直活动测斜仪以其耐久性，高精度和反应快速而赢得世界广泛的赞誉。
2.可重复探测：为确保在各种测斜管上同样可以探测，测斜仪探头配备了坚固的轮架，密封的轮轴和特殊设计的测轮。
建筑物倾斜监测中的测斜仪原理
建筑物倾斜监测中的测斜仪原理建筑物倾斜监测是工程施工及建筑物使用过程中的一项重要工作，旨在及时监测建筑物是否倾斜，并及时采取措施以防止安全事故的发生。
测斜仪作为建筑物倾斜监测中的主要仪器，起到了至关重要的作用。
本文将对测斜仪的原理进行详细介绍。
一、测斜仪的概述测斜仪是一种用来测量建筑物倾斜角度的仪器。
它通常由测斜装置、传感器、数据采集系统和数据处理软件等组成。
测斜仪能够准确地获取建筑物的倾斜角度，并将数据传送到数据采集系统中，通过数据处理软件分析数据，为相关人员提供准确的倾斜监测报告。
二、测斜仪的工作原理测斜仪的工作原理是基于倾角测量技术，它通过测量建筑物的倾斜角度来判断是否存在倾斜。
具体而言，测斜仪的传感器可以检测建筑物在水平方向和垂直方向上的倾斜角度，并将倾斜角度数据传输给数据采集系统。
在传感器中，常用的倾斜角度测量方式有两种：1. 基于测斜电容传感器的原理这种测斜仪采用电容传感器作为倾斜角度的测量元件。
电容传感器的工作原理是基于电容与倾角之间的关系。
当建筑物倾斜时，电容传感器会受到重力的影响而发生改变，通过测量电容的变化可以确定倾斜角度。
2. 基于MEMS技术的原理这种测斜仪采用微机电系统（MEMS）技术来实现倾斜角度的测量。
MEMS技术利用微小的机械结构和微型传感器来进行测量。
当建筑物倾斜时，传感器中的微型结构会发生微小位移，通过测量位移可以精确计算出倾斜角度。
三、测斜仪的应用及优势测斜仪广泛应用于各类建筑物倾斜监测工作中，包括高层建筑、桥梁、塔吊等工程项目。
测斜仪的主要优势包括：1. 高精度：测斜仪采用先进的传感器和测量技术，具有非常高的测量精度，能够准确测得建筑物的倾斜角度。
2. 实时监测：测斜仪可以实时监测建筑物的倾斜情况，并及时传输数据到数据采集系统中，对潜在的安全隐患进行预警。
3. 自动化操作：测斜仪可以自动进行倾斜角度的测量和数据传输，减少了人工操作的工作量，提高了工作效率。
测斜仪器及其测斜原理
测方位原理—重力原理 测方位原理 重力原理
1.磁罗盘 磁罗盘
– 磁罗盘是中华民族的伟大发明。 磁罗盘是中华民族的伟大发明。 – 磁罗盘始终处于水平位置，并可自由转动，罗盘始 磁罗盘始终处于水平位置，并可自由转动， 终指出磁北极的方向。 终指出磁北极的方向。 – 与重锤罗盘和为一体，在测得井斜角的同时，也测 与重锤罗盘和为一体，在测得井斜角的同时， 出井斜方位角。 出井斜方位角。
测方位原理—磁北原理 测方位原理 磁北原理 2.磁通门 井斜方位角计算 磁通门— 磁通门
• 这是水平面上的 投影图。 投影图。 • 显然，井斜方位 显然， 角φ可用下式计 可用下式计 算： 当V1>0时，用下式 时 计算： 计算：
Hale Waihona Puke V2 φ = tg V1−1
当V1<0时，用下式 时 计算： 计算：
不讲！ 不讲！ 原理—磁北原理 测方位原理 磁北原理
2.磁通门 井斜方位角计算 磁通门—井斜方位角计算 磁通门 • 第二种计算方法： 第二种计算方法：
• X、Y、Z三个方向上的三个磁通 门的测值，分别为：HX、HY、 HZ 。 • X、Y、Z三个方向上的三个重力 加速度计的测值，分别为：GX、 GY、GZ 。 • 当地的磁倾角为β； • 则测点的井斜方位角可用下式计 算：
测斜原理—重力原理 测斜原理 重力原理
3.重力加速度计 重力加速度计
• 原理： 原理：
– 重力元在重力作用下要 发生位移， 发生位移，引起电容传 感器的电容发生变化， 感器的电容发生变化， 此变化信号通过放大以 后，使线圈产生一定的 电流， 电流，该电流产生磁力 使重力元复位。 使重力元复位。 – 重力元位移大小，反映 重力元位移大小， 在线圈给出的电压大小。 在线圈给出的电压大小。 – 重力元的位移大小与重 力元在空间的状态有关。 力元在空间的状态有关。
2测斜仪器及其测斜原理
2测斜仪器及其测斜原理测斜仪是一种用于测量各种工程和建筑物的倾斜角度的仪器。
它的主要原理是基于物体的重力作用和重力线的方向和水平线的夹角。
常见的测斜仪器有两种类型：气泡测斜仪和电子测斜仪。
1.气泡测斜仪气泡测斜仪是一种基于液体的毛细现象测量倾斜角度的仪器。
它包括一个透明的管状物体，内部填充着液体和一个气泡。
当测量的物体倾斜时，重力会使液体流向低处，气泡也会随之位移。
通过观察气泡在液体中的位置，可以确定物体的倾斜角度。
气泡测斜仪的测量精度取决于液体的粘度和管径的大小。
常见的气泡测斜仪有静态气泡测斜仪和动态气泡测斜仪。
静态气泡测斜仪适用于对平面和水平线的测量，而动态气泡测斜仪适用于测量物体在不同角度下的倾斜。
2.电子测斜仪电子测斜仪通过使用电子器件来测量倾斜角度。
它通常由一个传感器和一个显示屏组成。
传感器可以是加速度计、陀螺仪或倾斜传感器。
加速度计是电子测斜仪的常见传感器之一，它可以测量物体在三个轴上的加速度，并通过计算得出倾斜角度。
加速度计是基于牛顿第二定律来工作的，其中物体的加速度与施加在物体上的力成正比。
通过将物体的质量和施加在物体上的力除以加速度，可以得到物体的倾斜角度。
陀螺仪是另一种常见的电子测斜仪传感器。
它是通过测量物体在空间中旋转的速率来测量倾斜角度的。
陀螺仪使用陀螺效应来测量旋转速度，其中陀螺的自转轴保持固定不变，而外部物体旋转时，陀螺会保持在现有的平面上。
倾斜传感器是一种专门用于测量倾斜角度的电子传感器。
它可以通过测量物体在水平方向和垂直方向上的加速度来计算倾斜角度。
传感器中的振射器会受到物体倾斜时的重力变化的影响，由此可以计算出物体的倾斜角度。
总结：测斜仪是一种用于测量物体倾斜角度的仪器。
气泡测斜仪利用液体的毛细现象来测量倾斜角度，而电子测斜仪利用电子传感器来测量倾斜角度。
常见的电子传感器包括加速度计、陀螺仪和倾斜传感器。
这些仪器不仅广泛应用于工程和建筑领域，还被应用于模拟和控制系统中。
测斜仪的工作原理
测斜仪的工作原理
在基坑工程中测斜装置主要是用来量测挡墙的水平位移以及土层中各点的水平位移的。
测斜装置由三部分组成;测斜仪、测斜管和数字式测读仪，其中测斜管埋设于挡墙内或土体中，量测时将测斜仪伸入测斜管内，并由引出导线将测斜管的水平位移量值瞬时反映在测读仪上。
测斜仪的外观为细长金属鱼雷状探头，上、下两端配有两对导向轮，上端有与测读仪连接的绝缘量测导线。
图129所示为一个测斜仪的构造示意图。
其工作原理是，利用重力摆锤始终保持铅直方向的性质，测得仪器中轴线与摆锤垂线的倾角。
倾角的变化可由电信号转换而来，从而可以知道被测对象的位移变化值。
在摆锤上端固定一个弹簧铜片，铜片上端固定，下端靠着摆线，当测斜仪倾斜时，摆线在摆锤的重力作用下保持铅直，压迫簧片下端，使簧片发生弯曲，由粘贴在簧片上的电阻应变片输出电信号，测出簧片的弯曲变形，即可得知测斜仪的倾角，从而推出测斜管的位移。
市场上供应的测斜管一般有 PVC塑料管和铝合金管两种，管长分有 2m和4m 两种规格，管段之间由外包接头管连接。
测斜管内对称分布有四条十字型凹型导槽，作为测斜仪导向轮上下滑行的滑道。
铝合金管的韧性和柔度较好，比PVC 管更适合于现场监测，但成本较高。
实际量测时，将测斜仪与标有刻度的信号传输线连接，信号线另一端与测读仪连接。
测斜仪上有两对导向轮，可以沿测斜管的凹型导槽滑入管底，然后每隔一段距离向上拉线读数，测定各位置处管道与垂直线之间的相对倾角，假定土体或挡墙与测斜管之间挠曲变形相协调，就能得到土层或挡墙内不同标高
位置处的水平位移，只要配备足够多的量测点，所绘制的曲线是连续光滑的。
测斜仪工作原理
测斜仪工作原理
测斜仪是一种用于测量物体的倾斜角度的仪器。
它通常应用于建筑、工程和航空领域中。
测斜仪的工作原理主要基于重力和浮力的平衡。
测斜仪内部通常包含一个气泡管和一个底座。
底座上有一个刻度盘，用于读取仪器指示的倾斜角度。
当测斜仪放置在水平表面上时，气泡会均匀地分布在气泡管内。
当测斜仪被倾斜时，气泡会向离开中心位置的方向移动。
测斜仪的工作原理可以通过浮力和重力之间的平衡来解释。
当测斜仪被倾斜时，气泡在液体中的形状会发生变化，从而改变了气泡所受到的浮力。
与此同时，气泡所受到的重力也会发生变化。
当气泡移动到平衡位置时，浮力和重力相等，仪器此时会指示出物体的倾斜角度。
值得注意的是，测斜仪的精度和准确性取决于气泡管内的液体。
通常使用高粘度的液体，以减少气泡的运动并提高仪器的稳定性。
此外，仪器还应在稳定的环境中使用，避免外部震动和干扰。
总而言之，测斜仪的工作原理是基于重力和浮力之间的平衡。
通过观察气泡在倾斜过程中的移动，可以准确地测量物体的倾斜角度。
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r r r r i = i1 + i2 + i3
如果已知矢量的大小和主矢量的方向，那么，很容易计算出分矢量与 主矢量的夹角。 重力加速度和地磁场都可分解为三个相互垂直方向的分量。测得这三 个分量的大小，可精确计算出分量的空间方向。如果将某一分量至于井眼 轴线方向，那么可精确得到井眼的井斜角和方位角（图5.2.5）。
北海地区磁偏角=-7° N60E（磁）=N53E（真）
加利福尼亚地区磁偏角=+15° N60E（磁）=N75E（真）
图5.2.2 磁偏角和真方位的转换
二、陀螺仪测量井斜的原理
2.照相测斜仪 1.陀螺测斜仪的测斜原理
利用摆锤测量井斜角，利用高速陀螺的 方位不变的特性测量方位角。 2.陀螺定向原理（图5.2.3） 三自由度高速旋转的陀螺，由于自身的 转动惯量，在轴承无磨擦的情况下，陀螺转 子轴在空间的方向保持不变，此特性称作陀 螺仪的定轴性。用方向不变的陀螺转子轴作 测量方位的参考，此为陀螺定向的基本原 理。 图5.2.3陀螺定向原理
3.陀螺仪的结构 陀螺仪（图5.2.4)由一个坐在水平轴上的旋转轮组成，轮子由电机 驱动，转数高达400OOr/min。高速旋转陀螺支撑于自身的转轴及内、外 环的转轴上，三轴在空间相互垂直正交并交于一点，该点与陀螺的重心 重合，使陀螺具有三个方向的自由度。陀螺转子轴的方向始终指向真北 方向。 外环 陀螺轴 真北方向 刻度盘 内环
图5.2.4 陀螺仪的结构
陀螺具有进动性，即外框架转轴上有干扰力矩时，内框架转轴进 动，使陀螺轴发生倾斜；而内框架转轴上有干扰力矩时，外框架转轴转 动；因此陀螺轴会产生漂移，在使用陀螺仪前需要进行漂移量修正，使 陀螺轴指向真北方向，以提高测量精度。
3.特点 陀螺罗盘的定向是依靠自身的转动惯量保持方向不变，因而其不受磁 场的影响。 当用磁性罗盘在下完套管的井内进行测量时，由于钢套管的存在将会 得出错误的结果。即使在裸眼井中，如果邻近井下有套管，结果也存在误 差。在丛式井平台上的定向造斜过程中，由于邻井很接近，磁单点测斜仪 的测量结果是不可靠的。在这些情况下，就应使用的陀螺罗盘来代替磁罗 盘。
图5.2.6 加速度计工作原理示意图
②方位角测量元件—磁力仪工作原理 磁力仪是检测固定轴向的地磁场强度的传感器。其原理如图5.2.7： 一个有环绕线圈的软铁磁心，放在变化的磁场中时，则磁通量将集中在螺 线管内，并在线圈内产生电流。电流的大小取决于暴露在磁场中的导磁物 质的量。线圈环与磁力线成90ْ 电流最大。当线圈环转动到以较小的面积 时 暴露在磁场中时，电流就会减少。因此，线圈中获得的电流大小可以用作 测量磁场和线圈之间角度的一种方法。 磁力线
井眼轴线
北极方向
重力加速度 图5.2.5 重力加速度和地磁场矢量的分解
2.电子测斜仪的传感器 为测得重力加速度和地磁场三个相互垂直方向的分量的大小，人们 利用电、磁原理发明了加速度传感器和磁力仪，精确测得重力场和磁力 场的分量。 ①井斜角测量元件—加速度传感器的工作原理（图5.2.6） 利用一个石英铰固定一个测试体，使该物体只能沿一个轴运动。当 仪器下井后，沿该轴作用的重力分量将推动测试体运动。测试体的移动 在电容器之间产生不平衡，由伺服放大器检测出来。然后在线圈内通 电，产生一个反力，使测试体恢复原来位置。重力分量越大，所需要的 产生反力的电流就越大。测量已知电阻上的电压降，就可直接得到重力 分量值。
第二节
测斜仪器的工作原理
一、磁性测斜仪测量井斜的原理
1.原理：利用重力始终指向地心（摆锤） 的原理测量井斜角，利用地磁场（罗盘指 向）测量方位角（图5.2.1）。
图5.2.1 罗盘
2.磁性测斜仪应注意的问题： ①在磁性测斜仪中，磁罗盘对地球磁场产生感应。罗盘指向会受到局 部磁场的干扰。（钢钻铤和钻头都可能被磁化，为避免磁罗盘产生可能的 误差，测斜仪所在的钻铤由含有铜、镍、铬和其他金属的合金制成，称为 无磁钻铤；如果测量部位邻近有钢性的套管或在套管中测量方位，会存在 较大的误差。） ②测量区域不同，磁北和真北之间有一定的角度偏差。利用罗盘测量 的方位结果还需进行磁偏角校正(图5.2.2）。（所有测量结果都应以真北 方向报告。偏角的大小（磁偏角）由地理位置决定。）
图5.2.7磁力仪测量方位角原理示意图