CN102095407B - 一种用于检测管桩倾斜程度的装置及管桩倾斜检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测管桩倾斜程度的装置及管桩倾斜检测方法，命令输入单元与主控单元相连，传感器单元与信号调理单元相连，传感器单元中的电子罗盘直接与主控单元相连，电子罗盘与主控单元相连，温度传感器与主控单元相连，传感器单元经过信号调理单元及A/D转换单元与主控单元相连，显示单元与主控单元相连，通信接口与主控单元相连。其步骤：A、装置自检。B、读取电子罗盘。C、采样X轴、Z轴加速度。D、由X轴和Z轴加速度解算俯仰角。E、采样Y轴、Z轴加速度。F、由Y轴和Z轴加速度解算横滚角。G、由俯仰角和横滚角合成垂直倾斜角。H、温度补偿修正。测量精度高，操作方便快捷，经济实用。

Description

一种用于检测管桩倾斜程度的装置及管桩倾斜检测方法

技术领域

本发明涉及岩土工程地基基础测试领域，更具体涉及一种用于检测预制管桩倾斜程度的装置，同时涉及一种检测预制管桩倾斜程度的方法，适用于预制管桩施工验收工作。

背景技术

地基基础施工中，管桩施工是最基础也是最重要的一步。预制桩是管桩施工中比较普遍使用的一种方式。预制桩通常在工厂或施工现场制成，施工时用沉桩设备将桩打入、压入或振入土中，有木桩、混凝土桩、钢桩等，中国建筑施工领域采用较多的主要是混凝土桩和钢桩两类。常用的混凝土桩有混凝土实心方桩和预应力混凝土空心管桩，常用的钢桩有钢管桩和H型钢桩。其中混凝土空心管桩(以下简称管桩)最为常见，管桩为正圆柱体，轴线为直线，垂直于轴线的任意截面的外轮廓为相同的圆形，因其坚固耐久、施工速度快、能承受较大的荷载而应用广泛。

目前管桩除广泛应用于工业与民用建筑外，还大量应用于铁路、公路、港口、桥梁、水利工程等领域。管桩产品已有较完善的标准体系，如《GB 13476-1999先张法预应力混凝土管桩》、《03SG409预应力混凝土管桩》、《JC 888-2001先张法预应力混凝土薄壁管桩》、《JC/T 947-2005先张法预应力混凝土管桩用端板》、《JC/T 950-2005预应力高强混凝土管桩用硅砂粉》、《JC/T 948-2005混凝土制品用脱模剂》、《JC/T540-2006混凝土制品用低碳冷拔钢丝》等。管桩施工验收也有明确的规范要求，如《GB/T 19496-2004钻芯检测离心高强混凝土抗压强度试验方法》、《GB50202-2002建筑地基基础工程施工质量验收规范》、《DB42/489-2008预应力混凝土管桩基础技术规范(湖北省地方规范)》等。

在管桩施工中，常常由于地质条件、施工条件、施工工艺等因素，导致管桩出现倾斜，使得管桩在施工过程中易受到损伤。同时管桩垂直倾斜角度的偏差也会影响管桩的竖向承载力或水平抗剪力，给上部建筑物留下隐患。上述规范对管桩的垂直度，即垂直倾斜角度的偏差有着明确的要求，因此在施工过程中应及时检测管桩倾斜程度、控制纠偏其垂直度。

管桩由于其外部几何形状非常规则，检测其倾斜程度实际上就是检测施工中或施工后管桩轴线的垂直倾斜角度。管桩倾斜会影响上部建筑物结构的受力状态，这种影响不仅仅与管桩轴线相对于铅垂线的倾斜有关，还与管桩轴线倾斜的方位有关，也就是说检测管桩倾斜程度应该同时检测两个角度：垂直倾斜角B——自管桩桩顶指向管桩桩底的管桩轴线相对于铅垂线的角度和水平方位角A——自管桩桩顶指向管桩桩底的管桩轴线在水平面上的投影相对于正北方位的角度。

传统的管桩倾斜程度检测方法是采用数字水平尺进行测量，不仅操作复杂、效率低、精度差，而且不能直接测得管桩的垂直倾斜角度，并且只是单方向的测量，无法测得两个方向的角度，已不能满足实际需要。现有技术中尚无快速有效的检测管桩倾斜程度的方法，也没有专业的测量管桩倾斜程度的装置，只能采用通用的测斜仪装置进行测量。

现有技术中的电子测斜仪装置多针对滑坡区和深洞开挖土体的侧向位移监测，以及堤坝结构变形监测、地层位移监测等，并非专门针对管桩研制。其中可用于管桩测斜的并不多，如国产LS160水平尺、瑞士莱卡D5激光测距仪等。国产LS160水平尺用于测量水平尺表面与水平面夹角，虽然价格便宜，但精度较低，仅能达到0.1°，且其仅能测量垂直倾斜角B，不能测量水平方位角A，另外，其使用段式数码管显示测量结果，需要手动记录数据，加大了操作人员的工作量，因此并不便适用于管桩测斜工作。瑞士莱卡D5激光测距仪功能全面，主要功能为激光测距，兼具测斜功能，可用于测量仪器表面与水平面夹角，并有分析软件，但其与国产LS160水平尺一样仅能测量垂直倾斜角B，不能测量水平方位角A，精度也只能达到0.1°，且其价格较贵，也并非专业测斜工具，也不便适用于管桩测斜工作。另外，现有技术的电子测斜仪装置均无报表功能，需要操作人员手动编制报表，后期工作量比较繁琐。因此，需要开发出一种专检测量管桩倾斜程度的装置及方法，能够准确、经济、方便、快捷地进行施工过程中的管桩测斜纠偏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明的目的是在于提供了一种用于检测管桩倾斜程度的装置，该装置结构简单、成本低，价格仅为进口产品瑞士莱卡D5价格的1/3，实现了准确、经济、方便、快捷的要求。

本发明的另一个目的是在于提供了一种检测管桩倾斜程度的检测方法，方法易行、操作简便，可准确、经济、方便、快捷地检测管桩的垂直倾斜角B和水平方位角A。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施：

本发明采用垂直方向的倾斜传感器如两轴加速度计测量管桩的垂直倾斜角B，采用水平方向的倾斜传感器如电子罗盘测量管桩的水平方位角A。一方面，测量垂直倾斜角B的原理为：静态物体在倾斜情况下，其重力加速度会在倾斜方向上有一个分量。在每个已知的轴上测量该分量的大小，利用该分量与重力加速度的值进行相关的运算便可以得出每个轴相对于水平面的倾角。当保证管桩倾斜仪垂直方向的倾斜传感器的某条轴线与被测管桩母线平行时便可以方便地测量出管桩的垂直倾斜角B。另一方面，测量水平方位角A的原理为：由于地磁场的作用，磁阻芯片在不同的方向的输出值是不一样的。电子罗盘利用检测地磁场的原理来检测罗盘本身与地磁北极的夹角，即为管桩的水平方位角A。

一种用于检测管桩倾斜程度的装置，该管桩倾斜检测装置由主控单元、命令输入单元、传感器单元、信号调理单元、A/D转换单元、存储单元、显示单元、通信接口组成，其中传感器单元、信号调理单元、存储单元还包含子单元。具体来说，传感器单元包括加速度计、电子罗盘、温度传感器；信号调理单元包括幅值变换单元及低通滤波单元；存储单元包括SD卡及Flash存储器。其特征在于：命令输入单元与主控单元相连，传感器单元与信号调理单元相连，传感器单元中的电子罗盘(DCM220)直接与主控单元相连，传感器单元中的加速度计与信号调理单元相连，加速度计(SCA100TD02)依次经过信号调理单元中的幅值变换单元(放大器OPA2340)、低通滤波单元及A/D转换单元(C8051F350)后与主控单元相连，电子罗盘(DCM220)直接与主控单元相连，温度传感器(DS18B20)直接与主控单元相连，传感器单元中的加速度计并非直接与主控单元相连，而是依次经过信号调理单元(放大器OPA2340)及A/D转换单元(C8051F350)后再与主控单元相连。A/D转换单元与信号调理单元及主控单元相连，存储单元包括SD卡以及Flash存储器，均与主控单元相连。显示单元114与主控单元102相连，通信接口116(USB)与主控单元102相连。各组成部分分别执行各项功能：命令输入单元用于输入操作指令；传感器单元用于采集被测管桩测点处的各种有用信息，将这些信息转换为电信号，传输给主控单元；加速度计用于测量管桩的垂直倾斜角B，电子罗盘用于测量管桩的水平方位角A，温度传感器用于最后合成管桩倾角时提供多点温度补偿。

一种检测管桩倾斜程度的检测方法，其步骤是：

A、装置自检。管桩倾斜检测装置各组成部分包括主控单元、命令输入单元、传感器单元、信号调理单元、A/D转换单元、存储单元、显示单元、通信接口依次启动，装置准备工作。

B、读取电子罗盘。主控单元直接读取电子罗盘的输出值。

C、采样X轴加速度、采样Z轴加速度。加速度计输出模拟电压信号，需经信号调理单元进行幅值变换和低通滤波、再经A/D转换单元转换为数字量后才能被主控单元处理。

D、由X轴加速度和Z轴加速度解算俯仰角，并进行卡尔曼滤波，得到加速度计平面与水平面的纵向夹角即俯仰角(Pitch)。

E、采样Y轴加速度、采样Z轴加速度。

F、由Y轴加速度和Z轴加速度解算横滚角，并进行卡尔曼滤波，得到加速度计平面与水平面的横向夹角即横滚角(Roll)。

G、由俯仰角(Pitch)和横滚角(Roll)合成垂直倾斜角。

H、获取3-6个测点(电路板上均匀分布的3-6个测点)温度、进行多点温度补偿。

I、显示、存储结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：第一，测量精度和准确度明显提高，例如，本发明的装置垂直倾斜角B精度可达0.01°或0.01％、水平方位角A精度可达1°，而国产LS160水平尺仅能达到0.1°。第二，操作更为方便快捷，例如，本发明的装置可通过LCD屏幕直接显示垂直倾斜角B水平方位角A，且自动生成报表，而国产LS160水平尺需要操作人员手工记录检测结果、整理报表。第三，操作人性化，例如本发明的装置可在检测结果超过预警值时(如垂直倾斜角度0.6°或百分比1％)自动进行声音报警、低电情况下报警。第四，更为经济实用，由于本发明定位为专用管桩倾斜检测装置，提高专用性能的同时精简了结构、降低了成本，价格仅为进口产品瑞士莱卡D5价格的1/3。因此，完全实现了前文所述准确、经济、方便、快捷的要求。

附图说明

图1为一种用于检测管桩倾斜程度的装置的结构示意框图。

其中：102-主控单元(MCU STM32)；104-命令输入单元(键盘、触摸屏)；106-传感器单元(包括加速度计、电子罗盘、温度传感器)；108-信号调理单元(幅值变换单元、低通滤波单元)；110-A/D转换单元(单片机C8051F350)；112-存储单元(SD卡、FLASH存储器)；114-显示单元(320*240TFT，液晶驱动模块HX8347)；116-通信接口(USB转串口CP2102；RS232接口ST3232ECTR)；120-加速度计(SCA100TD02)；122-电子罗盘(DCM220)；124-幅值变换单元(放大器OPA2340)；126-低通滤波单元；128-SD卡；130-FLASH存储器；132-温度传感器。

图2为一种检测管桩倾斜程度的检测方法流程图。

图3为图2所示管桩倾斜检测方法中计算垂直倾斜角的坐标示意图。

图4为图2所示管桩倾斜检测方法中计算水平方位角的坐标示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的实施例作进一步详细的说明。虽然本发明将结合实施例进行阐述，但应理解这并非意指将本发明限定于这些实施例。相反，在本发明各种范围内所定义的可选项，可修改项和等同项。结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。

本文描述的实施例将结合通常概念上计算机可执行的指令进行描述。计算机可执行的指令指可被一台或多台计算机或其它类似设备执行的计算机可用的媒介，如程序模块。通常来说，程序模块包括执行特定任务、或对特定抽象数据类型进行操作的例行程序、对象、组件，数据结构等等。程序模块的功能可根据不同实施例的需求进行组合或拆分。

通过具体实例，但非限制，计算机可用的媒介可包括计算机存储媒介及通信媒介。计算机存储媒介包括易失性的及非易失性的、可移除的及不可移除的，可实施于任何方法或技术的媒介，用于存储信息，如计算机可读指令、数据结构、程序模块及其它数据。计算机存储媒介包括，但不仅限于，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存存储器及其它存储器技术、只读压缩光盘(CD-ROM)、数字多用途光盘(DVD)及其它光学存储技术、盒式磁带、磁性碟片存储器及其它磁性存储器，及其它可用来存储信息的媒介。

通信媒介可为一调制数据信号中的计算机可读的指令、数据结构、程序模块及其它数据，调制数据信号包括任何信息传递媒介，如载波或其它传输机制。术语“调制数据信号”表示为了将信息加载在某个信号上，将此信号的某种或多种特性进行了设置或改变。例如，但不仅限于，通信媒介可包括有线媒介及无线媒介。有线媒介如有线网络、直线连接。无线媒介如声波、射频(RF)、红外及其它。上述任意组合同样也应包含在计算机可读媒介的范围内。

此外，在以下对本发明的详细描述中，为了提供一个针对本发明的完全的理解，阐明了大量的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外的一些实例中，对于大家熟知的方案、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明之主旨。

请参阅图1，为本发明管桩倾斜仪的优选实施方式的硬件结构示意框图。如图1所示，一种用于检测管桩倾斜程度的装置，该管桩倾斜检测装置100由主控单元102(MCU STM32)、命令输入单元104(按键)、传感器单元106、信号调理单元108、A/D转换单元110、存储单元112、显示单元114、通信接口116组成，其中传感器单元106、信号调理单元108、存储单元112还包含子单元。具体来说，传感器单元106包括加速度计120、电子罗盘122、温度传感器132；信号调理单元108包括幅值变换单元124及低通滤波单元126；存储单元112包括SD卡128及Flash存储器130。命令输入单元104(操作按键)与主控单元102(MCU STM32)相连，传感器单元106中的电子罗盘122(DCM220)直接与主控单元102相连，传感器单元106中的加速度计120(SCA100TD02)与信号调理单元108相连，加速度计120(SCA100TD02)依次经过信号调理单元108中的幅值变换单元124(放大器OPA2340)、低通滤波单元126及A/D转换单元110后与主控单元102(MCU STM32)相连，温度传感器132直接与主控单元102相连。A/D转换单元110与信号调理单元108及主控单元102相连，存储单元112包括存储测量数据的SD卡128以及存储汉字字库及临时缓存用的Flash存储器130(FLASH)，均与主控单元102直接相连。显示单元114与主控单元102相连，通信接口116与主控单元102相连，分别执行各项功能。主控单元102为管桩倾斜检测装置100的核心部分，用于控制整个管桩倾斜检测装置100的运作，例如主控单元可选用ARM7核心的STM32系列微控制器(MCU)。命令输入单元104与主控单元102相连，用于输入操作指令。例如，命令输入单元104可选用普通8按键矩阵键盘，或触摸屏。当操作人员按下开始按键时，传感器106开始采集倾角信息，主控单元102读取数据、计算垂直倾斜角B及水平方位角A；当操作人员按下存储按键时，主控单元102将缓存于其片内的数据按照预定的格式存储于SD卡128中。

传感器单元106包括加速度计120、电子罗盘122以及温度传感器132，其中加速度计120与信号调理单元108相连，电子罗盘122以及温度传感器132直接与主控单元102相连，使用过程直接与被测管桩的某个测点接触，采集被测管桩测点处的相关信息，将这些信息转换为电信号，传输给信号调理单元108或主控单元102。

加速度计120为垂直方向的倾斜传感器(SCA100TD02)，例如芬兰VTI科技生产的±90°量程2轴加速度计SCA100TD02，加速度计120输出信号依次经过信号调理单元108中的幅值变换单元124、低通滤波单元126及A/D转换单元110后与主控单元102相连，用于测量管桩的垂直倾斜角B。SCA100TD02型加速度计120输出方式可为SPI和模拟量，本发明中采用模拟量输出方式，其输出分辨率为0.0025°。

电子罗盘122为水平方向的倾斜传感器(磁阻芯片)，例如深圳瑞芬科技生产的二维电子罗盘DCM220，电子罗盘122直接与主控单元102相连，用于测量管桩的水平方位角A。DCM220型电子罗盘122包含单片机(Atmel8L)和补偿电路(磁偏角补偿和硬铁补偿)，不需要再对其输出的数据进行滤波和补偿，仅根据通信协议的输出格式获取相应的数据并重新对其正北零度进行归零即可。DCM220型电子罗盘122输出方式为I ²C或SCI格式的数据，输出结果为0-360°的角度。I ²C或SCI格式直接被主控单元102接收并转换为倾角和方位角，不需要再做模数转换。

温度传感器132(DS18B20)直接与主控单元102相连，不用作倾斜检测，用于最后合成管桩倾角时提供多点温度补偿。由于温度对加速度计120的0°基准输出和敏感度有影响，例如SCA100TD02型加速度计120的温度曲线见其数据手册，主控单元102将在最后结合温度传感器132量取的温度采用适当的算法矫正漂移误差和温度误差，进行温度补偿和零度校准。

如图1所示，传感器单元106中的加速度计120并非直接与主控单元102相连，而是先依次经过信号调理单元108及A/D转换单元110后再与主控单元102相连。信号调理单元108包括幅值变换单元124及低通滤波单元126，幅值变换单元124将加速度计120的输出变换为适合A/D转换单元110处理的幅值范围，例如，若采用SCA100T型加速度计120，其输出信号为0-5V，而A/D转换单元110的信号输入范围为0-2.5V，则幅值变换单元124应将加速度计120的输出衰减为原来的1/2。例如，幅值变换单元124可采用放大器OPA2340搭建，本领域普通技术人员可以理解，在此不复赘述。低通滤波单元126可采用常规RC滤波器，用于滤去信号中高频杂波。加速度计120采集的信号经过幅值变换单元124及低通滤波单元126后传输至A/D转换单元110。

A/D转换单元110与信号调理单元108及主控单元102相连，用于将采集、调理后的模拟信号转换为数字信号，以方便主控单元102处理。例如，A/D转换单元110可采用集成混合信号片上系统型MCU C8051F350。申请人用到的是C8051F350型MCU的片内24位A/D，采样率1kHz，包含可编程增益放大器(PGA)，并具有片内校准功能。A/D转换单元110与主控单元102之间可使用UART通信，例如C8051F350与STM32通信时，波特率可设为115200，通信帧格式可如表1所示设置。数据缓存于主控单元102内部RAM中，主控单元102在计算倾角时取出缓冲区内的数据先进行滤波处理，再进行代数运算获得倾角值。

表1C8051F350与STM32通信帧格式

存储单元112包括SD卡128以及Flash存储器130，均与主控单元102直接相连。SD卡128用于存储最终的检测结果及相关信息。当操作人员通过命令输入单元104输入存储命令时，例如按下存储按键时，主控单元102将缓存于其片内Flash的数据按照预定的数据记录格式存储于SD卡128中。主控单元102对SD卡128构建文件系统，将管桩数据直接存储在一个预先建立的文件夹内，以TXT格式存储，今后可直接读取并生成报表文件，方便通用。在SD卡128内移植文件系统能够大大的简化对SD卡128内数据的操作，只需调用最基本的函数便可以对文件进行各种操作。SD卡128的操作代码目前已经有人完成了，经过简单的移植即可对SD卡128进行读写操作，常见的文件系统有UCOS2公司的UC/FS、周立功用于教学的ZLG/FS、开源的文件系统efsl和FatFs。本实施方式中移植的是FatFs的改良版本TFF(Tiny FATFile system)0.06。TFF是专门针对ARM7系列单片机改良的FAT32文件系统，可在网络上获取。SD卡128存储容量较大例如，假设打包后每组数据占用20byte，存储容量为999根桩、每桩100个数据，则共需要1000*100*20＝2M byte的空间。目前普遍的SD卡128容量为2G或4G，足够使用。SD卡128与主控单元102采用SPI方式通信。

SD卡128存储的管桩数据格式可根据检测需要预先设定，例如，可采用如表2所示管桩数据存储格式：

表2管桩数据存储格式

Flash存储器130还用于存储汉字字库，供文字显示。例如，220*240液晶显示单元114通常采用8*16点阵和16*24点阵汉字字库。将字库按照汉字的内码排列好，通过主控单元102的SPI接口烧写进Flash存储器130中即可。显示时，根据要显示的汉字的内码，搜索对应字库在Flash存储器130中的首地址，读到缓冲区，供液晶显示单元114调用。

显示单元114与主控单元102相连，用于实时显示检测结果及相关信息，如垂直倾斜角B、水平方位角A、测试序号、测试时间等。显示界面可根据实际需要编写，采用GUI设计。例如，显示单元114可由分辨率220*240的2.8寸TFT液晶显示屏及其驱动程序组成。显示屏能够一屏显示全部测量参数。TFT控制器采用常用的HX8347，其控制代码资源丰富，方便移植，另外还可采用R6150V、SSD1289等。

通信接口116与主控单元102相连，通信接口116为PC机与管桩倾斜检测装置100进行通信的接口，使PC机能够访问SD卡128中存储的管桩数据和目前采集的数据，包括RS232接口及USB转串口接口。主控单元102(STM32)本身具有一个USB全速控制器，能够提供USB slave功能，可根据ST公司提供的USB库文件进行相关设计。在本优选实施方式中，采用SALAB公司提供的CP2102芯片将主控单元102(STM32)其中一个UART接口转换为USB接口。当管桩倾斜检测装置100连接上USB端口时，PC机的设备管理器中会自动增加一个串口，上位机软件将其作为PC机串口访问。另外提供常规RS232接口，采用ST3232ECTR芯片控制。

图2是本发明管桩倾斜检测方法的优选实施方式的详细流程图，本方法适用于图1所示管桩倾斜检测装置100，用于检测管桩的垂直倾斜角B和水平方位角A，但非限制。相反，本领域普通技术人员可以理解该方法同样适用于其它倾斜检测装置。图3为该管桩倾斜检测方法中计算垂直倾斜角的坐标示意图，图4为该方法中计算水平方位角的坐标示意图，下面结合图3及图4描述该管桩倾斜检测方法的优选实施方式。

如图3所示，方块为示意的加速度计120，实际上前文所述芬兰VTI科技生产的SCA100TD02型加速度计120即为所示方块形。图3中X，Y，Z代表加速度计120上预先设定的3个互相正交的轴，以加速度计120芯片SCA100TD02的起始引脚(引脚1，SCK)为中心，令加速度计120芯片其中一边如短边为X轴，与之垂直的一边如长边为Y轴，垂直于加速度计120芯片表面的方向为Z轴。当加速度计120倾斜后，ρ、Φ、θ分别代表X轴、Y轴、Z轴与水平面的夹角。当加速度计120为静态时，加速度计120输出重力加速度在各个轴上的分量A_X、A_Y、A_Z。可知：

$\mathrm{\ρ}=\arctan \left(\frac{A_X}{\sqrt{{A_Y}^2+{A_Z}^2}}\right)\·\·\·\left(1\right)$

$\mathrm{\φ}=\arctan \left(\frac{A_Y}{\sqrt{{A_X}^2+{A_Z}^2}}\right)\·\·\·\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\sqrt{{A_X}^2+{A_Y}^2}}{A_Z}\right)\·\·\·\left(3\right)$

SCA100TD02型加速度计120为2轴加速度计，需要用到其输出的V_OUTX、V_OUTY、OffsetX、OffsetY、Sensitivity，其中V_OUTX、V_OUTY为SCA100TD02的引脚直接输出模拟量，OffsetX、OffsetY、Sensitivity为SCA100TD02的固有参数，在一定的范围内浮动，可在其数据手册上查询得到。由公式(1)(2)(3)，可知相应倾角的表达式为：

$\mathrm{\ρ}=\arctan \left(\frac{A_X}{\sqrt{{A_Y}^2+{A_Z}^2}}\right)=\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{OUTX}}-\mathrm{OffsetX}}{\mathrm{Sensitivity}}\right)\·\·\·\left(4\right)$

$\mathrm{\φ}=\arctan \left(\frac{A_Y}{\sqrt{{A_X}^2+{A_Z}^2}}\right)=\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{OUTY}}-\mathrm{OffsetY}}{\mathrm{Sensitivity}}\right)\·\·\·\left(5\right)$

如图4所示，圆圈为示意的电子罗盘122，输出为电子罗盘122正向与正北方向的夹角，即为本发明管桩倾斜检测方法所要检测的管桩水平方位角A。

由于正弦函数的单调性，加速度计120的倾角输出在0°附近精度最高，在90°附近精度最低，而管桩通常垂直于地面，因此，将加速度计120芯片水平安装时管桩倾斜检测装置100的精度最高。管桩倾斜检测装置100安装时应保持加速度计120芯片平面与管桩的母线垂直，(3)式中θ即为待测管桩的倾斜角。本发明的主要创新点便是根据加速度计120静态测量两轴倾角ρ、Φ快速准确地推算出θ角，提高测量精度。

令tan²ρ＝m；

根据公式(4)、公式(5)，可以推算出：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\sqrt{\frac{3*m*n+2*m-1}{1-m*n}}\right)\·\·\·\left(6\right)$

$m={\tan }^2\left(\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{outx}}-\mathrm{OffsetX}}{\mathrm{Sensitivity}}\right)\right)$

其中 $n={\tan }^2\left(\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{outy}}-\mathrm{OffsetY}}{\mathrm{Sensitivity}}\right)\right)$

在0°附近由于tan()值非常小，而在90°附近tan()值又非常大，平方后的值会更小或更大。因此，为了防止由于计算机字长而引起的误差，本发明中在θ＝0°附近将tanθ扩大一定倍数，而在θ＝90°附近要将tanθ缩小一定倍数运算。公式(6)运算过程有大量的浮点反三角运算，计算量较大。因此，本发明中将涉及到的sin()、tan()分别做成函数表预先存储在主控单元102的片内Flash中。例如，为保证管桩倾斜检测装置100精度0.01°，将角度自变量的增量设为0.005°，则需72K片内Flash。可知STM32型主控单元102能够满足其要求。

回到图2，本发明管桩倾斜检测方法的优选实施方式执行的步骤。

一种检测管桩倾斜程度的检测方法，其步骤是：

A、装置自检202。在装置自检202步骤中，管桩倾斜检测装置100各组成部分包括主控单元102、命令输入单元104、传感器单元106、信号调理单元108、A/D转换单元110、存储单元112、显示单元114、通信接口116依次启动，装置准备工作。

B、读取电子罗盘204。电子罗盘122的输出值即为水平方位角A，精确到1°。主控单元102直接读取电子罗盘122的输出值。

C、采样X轴加速度206、采样Z轴加速度208。加速度计120输出模拟电压信号，需经信号调理单元108进行幅值变换和低通滤波、再经A/D转换单元110转换为数字量后才能被主控单元102处理。

D、由X轴加速度和Z轴加速度解算俯仰角，并进行卡尔曼滤波212。解算按公式(4)，得到加速度计平面与水平面的纵向夹角即俯仰角(Pitch)。

E、采样Y轴加速度214、采样Z轴加速度216。同步骤C。

F、由Y轴加速度和Z轴加速度解算横滚角，并进行卡尔曼滤波220。解算按公式(5)，得到加速度计平面与水平面的横向夹角即横滚角(Roll)。

G、由俯仰角(Pitch)和横滚角(Roll)合成垂直倾斜角226。

H、获取多个测点温度222、进行多点温度传感器补偿224。由于加速度计120的输出值随温度变化会出现零漂，计算时必须进行偏移值修正，本步骤即可减小温度导致的误差，修正值可参考加速度计120的温度特性曲线。

I、显示、存储结果230。管桩倾斜检测装置100采集、计算得到的水平方位角A及垂直倾斜角B一方面在显示单元114上显示，另一方面可在存储单元112中存储。根据本发明的其中一种实施方式，检测结果实时显示，但存储需要操作人员发送存储指令。本实施例中，管桩倾斜检测装置100的检测结果以TXT文件存放，每根管桩的数据存储为一个TXT文件。为了方便按桩删除，TXT文件的名称为桩号。每个TXT文件中，按测量时间存放管桩倾斜检测结果数据。当不选择管桩时，自动建立新的TXT文件，并自动编号。每次测量数据存储格式如上文表2。

本发明的管桩倾斜检测装置及方法采用加速度计结合电子罗盘检测管桩的垂直倾斜角B和水平方位角A，采用微控制器控制采集并进行倾角计算，同时提供多点温度补偿，可准确、经济、方便、快捷地检测管桩的倾斜程度，提供了一种管桩专用检测装置和方法。

虽然之前的说明和附图描述了本发明的较佳实施例，应当理解在不脱离所界定的本发明原理的精神和保护范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露的实施例仅用于说明而非限制，本发明的保护范围由权利要求书中技术方案及其合法等同物界定，而不限于此前的描述。

Claims (1)

1.一种检测管桩倾斜程度的方法，其步骤是：

A、装置自检（202）：在装置自检（202）步骤中，管桩倾斜检测装置（100）各组成部分包括主控单元（102）、命令输入单元（104）、传感器单元（106）、信号调理单元（108）、A/D转换单元（110）、存储单元（112）、显示单元（114）、通信接口（116）启动；

B、读取电子罗盘（204）：主控单元（102）直接读取电子罗盘（122）的输出值得到水平方位角A；

C、采样X轴加速度（206）、采样Z轴加速度（208），加速度计（120）输出模拟电压信号，经信号调理单元（108）进行幅值变换和低通滤波、再经A/D转换单元（110）转换为数字量后被主控单元（102）处理；

D、由X轴加速度和Z轴加速度解算加速度计平面与水平面的纵向夹角即俯仰角，并进行卡尔曼滤波（212），解算按公式

得到俯仰角；其中，ρ为俯仰角，A_X、A_Y、A_Z分别为加速度计（120）输出重力加速度在X、Y、Z轴上的分量，V_OUTX为型号为SCA100TD02的加速度计（120）的引脚直接输出模拟量，OffsetX、Sensitivity为型号为SCA100TD02的加速度计（120）的固有参数；

E、采样Y轴加速度（214）、采样Z轴加速度（216），同步骤C；

F、由Y轴加速度和Z轴加速度解算加速度计平面与水平面的横向夹角即横滚角，并进行卡尔曼滤波（220），解算按

得到横滚角；其中φ为横滚角，A_X、A_Y、A_Z分别为加速度计（120）输出重力加速度在X、Y、Z轴上的分量；V_OUTY为型号为SCA100TD02的加速度计（120）的引脚直接输出模拟量；OffsetY、Sensitivity为型号为SCA100TD02的加速度计（120）的固有参数；

G、由俯仰角和横滚角合成垂直倾斜角B（226）；

H、获取电路板上均匀分布的3-6个测点温度（222）、根据加速度计（120）的温度特性曲线进行多点温度补偿（224）； 

I、显示、存储结果（230），管桩倾斜检测装置（100）采集、计算得到的水平方位角A及垂直倾斜角B，在显示单元（114）上显示，在存储单元（112）中存储，

管桩倾斜检测装置（100）包括主控单元（102）、命令输入单元（104）、传感器单元（106）、信号调理单元（108）、A/D转换单元（110）、存储单元（112）、显示单元（114）、通信接口（116），其特征在于：命令输入单元（104）与主控单元（102）相连，传感器单元（106）包括电子罗盘（122）和加速度计（120），信号调理单元（108）包括依次相连的幅值变换单元（124）、低通滤波单元（126），所述的电子罗盘（122）直接与所述主控单元（102）相连，所述的加速度计（120）依次经过所述的信号调理单元（108）中的幅值变换单元（124）、低通滤波单元（126）及A/D转换单元（110）后与主控单元（102）相连，存储单元（112）与主控单元（102）直接相连，显示单元（114）与主控单元（102）相连，通信接（116）与主控单元（102）相连，存储单元（112）包括SD卡（128）以及Flash存储器（130），传感器单元（106）包括温度传感器（132），所述的温度传感器（132）直接与所述主控单元（102）相连。 

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