沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)靜力水準(zhǔn)儀的分類及選型

時(shí)間：2022-05-30作者：吳興新一光測(cè)給儀器經(jīng)營(yíng)部瀏覽：1053

本文從各種靜態(tài)水平儀的原理和分類出發(fā)，詳細(xì)說(shuō)明了各種水平儀的優(yōu)缺點(diǎn)；幫助用戶在項(xiàng)目中選擇合適的水平儀。

   

一、靜力水平儀簡(jiǎn)介

   

對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大的因素是重力，因此以結(jié)構(gòu)的豎向位移較能代表結(jié)構(gòu)位置的變化。豎向位移通常也簡(jiǎn)稱沉降。對(duì)豎向位移的觀測(cè)也叫沉降觀測(cè)。

   

傳統(tǒng)的人工測(cè)量耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，只能反映變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)。難以響應(yīng)快速變化的垂直位移。因此，業(yè)內(nèi)人士發(fā)明了靜態(tài)水平儀，用于自動(dòng)測(cè)量垂直位移。

   
   

二、靜力水準(zhǔn)儀的原理及分類

   

靜態(tài)水準(zhǔn)儀根據(jù)連通管原理進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，即兩端開口U注入液體后，液體較終會(huì)在大氣壓力和重力的作用下保持在同一高度。

   

根據(jù)這一原理，市場(chǎng)上有兩種不同形式的靜態(tài)水平儀，即液位靜態(tài)水平儀和壓差靜態(tài)水平儀。液位水平儀通過(guò)測(cè)量不同傳感器的液位變化高度來(lái)計(jì)算沉降，壓差靜態(tài)水平儀計(jì)算不同傳感器之間的液壓變化，然后除以液體的密度和重力加速度來(lái)獲得沉降值。

   

根據(jù)液位測(cè)量，液位水準(zhǔn)儀可分為磁致伸縮、超聲波和電容。

   

三、磁致伸縮靜力水平儀的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

   

磁致伸縮是指磁體中磁化方向的變化會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)晶格間距的變化，從而改變磁體的長(zhǎng)度和體積。磁致伸縮液位傳感器利用磁致伸縮效應(yīng)和檢測(cè)到兩個(gè)不同磁場(chǎng)交叉時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變脈沖信號(hào)的時(shí)間來(lái)計(jì)算磁場(chǎng)交叉點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，從而測(cè)量液位的高度。

   

磁致伸縮液位計(jì)的傳感器測(cè)桿外配有浮子，可隨液位的變化上下移動(dòng)。浮子內(nèi)部有一組*磁環(huán)。當(dāng)脈沖電流磁場(chǎng)遇到浮子產(chǎn)生的磁環(huán)磁場(chǎng)時(shí)，浮子周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，使由磁致伸縮材料制成的波導(dǎo)線在浮子所在的位置產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波脈沖，沿波導(dǎo)線以固定速度傳回，由檢出機(jī)構(gòu)檢出。浮子的位置可以通過(guò)測(cè)量脈沖電流和扭轉(zhuǎn)波的時(shí)差來(lái)準(zhǔn)確確定。

   
   

優(yōu)缺點(diǎn)：

   

磁伸縮液位計(jì)價(jià)格*，主要用于石油、化工原料儲(chǔ)存、生化、醫(yī)藥、食品飲料、大壩水位、水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)和污水處理。近年來(lái)，一些業(yè)內(nèi)人士用于觀察建筑結(jié)構(gòu)的沉降。

   

磁致伸縮靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量精度為1mm，測(cè)量浮子的移動(dòng)高度。液位的變化可以通過(guò)透明罐直觀地看到。

   

由于使用浮子，有移動(dòng)部件，體積難以縮小，有些地方妨礙觀察，使用有限。范圍較有限，通常是100-200mm，大量程很難做到。

   

由于液位變化是通過(guò)磁場(chǎng)變化獲得的，因此抗電磁干擾能力較弱，不建議在電廠、高鐵接觸網(wǎng)和大型電力設(shè)備附近使用。

   

如果溫度變化較大，浮子內(nèi)空氣的體積變化會(huì)導(dǎo)致浮力變化，此時(shí)浮力會(huì)帶來(lái)較大的系統(tǒng)誤差。因此，適合在相同的溫度下進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。在晝夜溫度變化較大的地方，必須進(jìn)行保溫和保溫處理。

   
   

四、超聲靜力水平儀的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

   

原理：

   

超聲波靜態(tài)水平儀的基本原理與磁伸縮液位計(jì)相同。區(qū)別在于用超聲波測(cè)量液位的高度。超聲波信號(hào)通過(guò)安裝在儀器底部的超聲波探頭發(fā)出，并根據(jù)探頭接收到的反射回波的時(shí)差和超聲波在液體中的傳播速度反射到液體表面。0.01mm。

   
   

優(yōu)缺點(diǎn)：

   

超聲靜態(tài)水平儀的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)機(jī)械活動(dòng)裝置，傳感器不接觸液體，抗電磁干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是溫度變化很大。

   

超聲靜態(tài)水準(zhǔn)儀的基本原理與磁致伸縮水準(zhǔn)儀相同，因此體積大，安裝不便。

   

影響超聲波靜態(tài)水平儀的因素是液體表面和內(nèi)部的氣泡和懸浮物，導(dǎo)致反射混亂和測(cè)量誤差。使用時(shí)應(yīng)采取保溫措施，避免太陽(yáng)引起的液體蒸發(fā)和氣泡。

   

此外，超聲靜力水平儀的量程較小，通常只有50-300mm。在安裝和使用過(guò)程中，位置要求較高，需要手動(dòng)使用水平儀進(jìn)行復(fù)制，靜態(tài)水平儀安裝在同一水平，以盡可能使用有限的范圍。

   

超聲靜態(tài)水平儀是一種精密精致的儀器，對(duì)使用環(huán)境要求高，適用于室內(nèi)使用，如環(huán)境溫度變化小、液體介質(zhì)控制實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)。它很少用于戶外建筑工地和其他項(xiàng)目。

   

五、壓差靜態(tài)水平儀的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

           壓差靜態(tài)水平儀用壓力傳感器測(cè)量液體壓力的變化，然后除以液體密度和重力加速度。因此，關(guān)鍵指標(biāo)高度依賴于壓力傳感器和計(jì)算MCU還有算法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量液體壓力的傳感器不斷出現(xiàn)，如擴(kuò)散硅MEMS固態(tài)傳感器體積小，*，數(shù)字化，易于和解MCU集成等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。因此，數(shù)字壓力傳感器也被廣泛應(yīng)用于靜態(tài)水平儀器中。 壓差靜態(tài)水平儀采用帕斯卡原理，液體壓力僅與液體表面高度有關(guān)，因此體積非常小，易于安裝和使用。壓差靜態(tài)水平儀通常使用擴(kuò)散硅壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。因此，可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)姆秶途?。通常，壓力傳感器的精?.01%FS。例如，1米的量程精度為1mm，分辨率為0.1mm。需要注意的是，有些企業(yè)為了某些目的，標(biāo)記的精度是分辨率，有些企業(yè)甚至不知道精度的意義，直接標(biāo)記分辨率。 靜態(tài)水平儀使用水作為介質(zhì)，對(duì)溫度非常敏感。如低溫*結(jié)冰，高溫*膨脹等。需要采取防凍保溫措施。例如，在低溫環(huán)境中使用防凍劑。在高溫下，使用絕緣泡沫材料進(jìn)行絕緣，以避免溫差過(guò)大。
   

六、小結(jié)

           以上類型的靜態(tài)水平儀采用連接器原理，當(dāng)管道和容器中的液體達(dá)到液位平衡時(shí)，實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量。由于流動(dòng)水具有慣性、粘度和溫差，必須在水完全停止流動(dòng)后準(zhǔn)確測(cè)量，系統(tǒng)溫度趨于一致，否則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)據(jù)波動(dòng)，導(dǎo)致頻繁的誤報(bào)。如果測(cè)量對(duì)象具有外力、振動(dòng)、管道長(zhǎng)、系列測(cè)量點(diǎn)多，水面需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完全平靜，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)位移測(cè)量。 下圖顯示了鐵路隧道路基側(cè)墻沉降的數(shù)據(jù)曲線圖。紅色表示測(cè)量點(diǎn)的垂直位移數(shù)據(jù)曲線，黑點(diǎn)表示雷達(dá)檢測(cè)到列車通過(guò)時(shí)自動(dòng)標(biāo)記的數(shù)據(jù)曲線。 從圖中的數(shù)據(jù)曲線可以看出，當(dāng)列車通過(guò)時(shí)，數(shù)據(jù)顯示側(cè)墻有厘米級(jí)的沉降，并在列車離開后反彈到原始位置，這與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況完全不一致。如果設(shè)置了報(bào)警閾值，則不會(huì)導(dǎo)致非常規(guī)的靜態(tài)報(bào)警。 當(dāng)時(shí)，如果列車通過(guò)時(shí)，則不能使用雷達(dá)檢測(cè)到傳感器檢測(cè)到靜態(tài)閾值。
   

七、動(dòng)力水平儀的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

   

隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)要求的不斷提高，對(duì)垂直位移的測(cè)量也有了新的要求。如橋梁動(dòng)態(tài)撓度、列車通過(guò)時(shí)軌道垂直位移變化、高壓灌漿 路基隆起、管廊架空施工時(shí)撓度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?/p>    

   

壓力傳感器、加速度傳感器、傾斜角 度傳感器、溫度傳感器硬件采集數(shù)據(jù)嵌入同一外殼，高性能MCU運(yùn)行實(shí)現(xiàn) 多傳感器數(shù)據(jù)集成算法，實(shí)時(shí)計(jì)算和補(bǔ)償液體的流動(dòng)慣性、粘性阻尼和 溫度，以獲得高精度、高頻率的垂直位移。

   
   

靜力水準(zhǔn)儀和動(dòng)力水準(zhǔn)儀在同一環(huán)境下的性能對(duì)比試驗(yàn):

   

將靜態(tài)水平儀和動(dòng)力水平儀牢牢地困在一起。在臺(tái)面靜止5秒后，將其撿起并放置到高度130mm在盒子上，10秒后從盒子上推下，落回臺(tái)面。

   

從下面的數(shù)據(jù)可以看出，從拿起、放置、跌落到桌子后的反彈和靜態(tài)過(guò)程。靜態(tài)水平儀的數(shù)據(jù)在靜態(tài)一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定，但在振動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，甚至完全扭曲。動(dòng)力水平儀的性能令人滿意。傳感器從桌子到盒子的光滑位移曲線與實(shí)際過(guò)程完全一致。

   

從數(shù)據(jù)對(duì)比圖可以看出，靜態(tài)水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)在相同條件下波動(dòng)很大，而動(dòng)力水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)曲線光滑，準(zhǔn)確還原了測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)過(guò)程。

   

由此可見，動(dòng)力水平儀可以克服靜力水平儀的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)位移的高精度準(zhǔn)確測(cè)量。

   

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