静力水准系统在大科学工程中的应用及发展趋势

 静力水准系统在大科学工程中的应用及发展趋势
作者：何晓业





     静力水准系统 ,是利用相连的容器中 ,液体总是寻求具有相同势能的水平原理 ,测量和监测参考点彼此之间的垂直高度的差异和变化量。它以很高的测量精度，在测量领域获得广泛应用。尤其是在大型精密工程测量中 ,如对水电站、核电站、大型科学科研工程的垂直位置的变化监测等发挥着重要作用 ,静力水准系统具有精度高、自动化性能好、实时测量功能等特点。在国际上 ,静力水准系统有统一的英文名称 , 即 Hydrostatic Leveling System , 简 称HL S。在国内不同的单位的英文名称并不统一。

1 　HLS 的基本原理

       HL S 系统传感器的基本原理并不复杂 ,用管道连接的容器中注入一定的液体 ,所有的容器中的液体将在管道中自由流动 ,其结果是当平衡或者静止时各个容器中的液体表面将保持相同的高度 ,但是各个容器中的液体深度并不相同 ,这也就反映了各个容器所在的各个参考点的高度的不同 :如果容器和连通管道中使用的液体密度均匀一致 ,环境压力等因素也相同 ,第一种情况显示的是两个容器对称分布 ,处于相同的高度 ,此时 :d1 = d2 , h1 = h2式中 , d 表示标志物到容器底面的距离 ; h 为容器中液体的高度。所以两个容器所在位置之间的高度差为零 ,即 :Δh = 0对于第二种情况 ,由于两个容器所处位置的高度发生了变化 ,有：h′1 = h1 +Δh /2，h′2= h2 -Δh /2，所以d′1 = d1 +Δd /2，d′2= d2 -Δd /2，可以得到 :Δh = d′1 - d′2 (1)　　如果两个容器的距离比较远 ,假如液体的密度也不同 ,则当处于平衡 (静止) 状态时 ,有下面的关系式 :P1 +ρ1 g1 H1 = P2 +ρ2 g2 H2 = C (2)式中 , P 为大气压力 ;ρ为液体密度 ; g 为重力加速度 ; H 是从基准水平面起算的液面的高度 ,例如容器内液体液面到系统 (包括连通管) 中液体最低点的高度。在一个复杂的、测量范围比较大的静力水准系统中 ,温度、压力等因素必须要加以考虑 , 在以后的章节中将给予进一步讨论。

2、主要技术

       由于不同的国家和单位所掌握的技术的不同 ,如何测量各个容器中的液体表面的高度又将用到不同的原理和技术。目前用在这方面的技术和方法有以下几种 :

2.1.1 电容式传感器

       ESRF (欧洲同步辐射实验室) 最先开发了这类产品 ,目前世界上加速器实验室中用的大部分 HL S 系统多是这种传感器。它利用液体表面作为电容器的一极 ,用某种材料做成电容器的另一极。当液面高度变化时 ,电容器的极距就发生变化 ,电容值也随之变化。通过导线和数据采集系统将各个传感器的电容值记录、放大、滤波和 A/ D 转化 ,输入计算机进行处理 ,就能得到各个参考点的相对高度变化情况。测量精度取决于 A/ D 卡 , 最好测量精度可达±01 15μm。

2.1.2 光电式传感器

       1992 年美国阿贡 ( AR GONN E) 实验室开始研究这种传感器 ,1993 年通过测试。一束激光从传感器容器壁底部的窗口按一定的角度射向液体表面 ,经过液面的全反射 ,光束在安放于容器底面另一端的线性光电位置传感器 (OPS) 上形成光斑。当液面高度发生变化时 ,激光的反射光斑在 OPS 上的位置就发生变化 ,通过 OPS 输出的信号也就随之变化。同样 ,这个信号经过处理送入计算机 ,得到各个参考点的相对高度 ,这种方法的测量标称精度达到 ±1μm。

2.1.3电感式传感器

       这种传感器利用线性差动变压器把位移量变成电信号 。铁芯安装在浮力座上 ,可以随着传感器容器里液面的升降而升降。当铁芯在线圈内移动时 ,改变了磁通的空间分布 ,也就改变了初、次级线圈之间的互感量 ,特别是两个次级线圈的互感量之比发生了变化。供给初级线圈一定频率的交变电压 ,次级线圈 就产生感应电动势 ,互感量不同 ,次级线圈产生的感应电动势就不同 ,这样就把铁芯的位移值变为电压信号 ,同样 ,经过处理后输入计算机 ,可以得到不同参考点的相对高度。目前国家地震局地震研究所生产这种产品 ,标称测量精度为 ±0.01 mm。另外 ,还有利用超声波、接触式探头、磁致伸缩式等原理做成的传感器。

3、HLS在国外科学工程中的开发应用现状

       HLS 首先由 ESRF 的准直测量组开发和应用于监测 ESRF 储存环的垂直位移 ,后经过FO GAL E2NANO TECH 公司改进并生产出系列产品。目前世界上几乎所有著名的大型加速器装置都已经运用或正在研究使用 HL S系统 :法国 ESRF 早在 1990 年就在其储存环上安装使用了 HL S 系统 ,它可以保证储存环的垂直精度在 ±0.1 mm 以内 , 他们还同时将HL S 系统用于市政工程的测量 ;美国阿贡实验室于 1992 年开始研究不同测量原理的HL S 传感器 ,于 1993 年成型并进行测试和标定 ;瑞士欧洲核研究中心 ( CERN) 于 1996 年用更精确的 HL S 系统结合一套新开发的软件 ,测量储存环上磁铁的位置变化 ,并通过反馈系统校正大型储存环 L EP 的闭合轨道 ;美国 SLAC 实 验 室 的 FF TB ( FINAL FOCUS TEST B EAM) 对其四极铁的垂直精度要求在±01 03 mm 以内 ,为此 ,它的准直组与 PEL2 L ISSIER 公司合作开发了名为 H5 的便携式HL S 系统 ,它的精度可达到 ±0. 005 mm ,比光 学 测 量 精 度 高 10 倍 以 上 ; 瑞 士 的 SL S ( SWISS L IGH T SOURCE) 在每个二极铁的支撑梁上安装四个 HL S 传感器 ,检测垂直方向的位移 ;日本的 SPRIN G28 准直组正在研究便携式 HL S 在其磁铁位置监测方面的应用 ,测试结果已经出来。在一些核电站 ,如法国FLAMA ILL E 核电站 ,应用 HL S 测量建筑物承重墙对设备高度的影响 ,等等。

4、国内高精度 HLS 研究的背景与现状

       在我国重大科学研究工程中 ,继北京正负电子对撞机 (B EPC) 和国家同步辐射实验室(NSRL) 等一些已建成并运行多年的大型科学工程后 ,“九五”和“十五”期间将又建一批科学科研工程 ,其中 B EPC Ⅱ工程已经得到国家有关部门立项并正在实施 ,还有上海光源工程(SSRF) 也已经正式动工。在国际加速器的准直测量中 , HL S 系统越来越受到重视 ,几乎所有新建的加速器装置都安装了 HL S 系统作为磁铁等重要部件的水准实时监测 ,在一批已经建成的加速器中也安装了 HL S 系统。

       B EPC Ⅱ工程是将原来的单环对撞机升级改造成双环对撞机 ,将原来的单环加速器的磁铁等拆除 ,在原有的环形隧道中建立内外环 ,这样在空间上比以前拥挤得多 ,尤其是隧道外环的测量将非常困难 ,所以 B EPC Ⅱ的调节装置拟采用伺服电机驱动的专用千斤顶来完成 ,因为没有人员进行手动调节的空间 ,所以测量的自动化和遥测技术就显得格外重要。HL S 不仅能实现测量自动化和遥测的要求 ,还能进行实时测量。和支撑的调节装置结合还可以实现实时的调整 ,这也是目前国际加速器中流行的一种做法。

       国外虽然有 HL S 现成的产品 ,但是价格昂贵 ,而从各个实验室发展 HL S 的状况来看 ,立足于本实验室 ,开发相配套的传感器及相应的软硬件 ,是发展的主流 。因此 ,自己开发研究一套 HL S 系统 ,并在技术上有所提高和力争突破 ,也为将来能在其他领域的使用打下基础 ,为 HL S 技术的发展作出贡献。在此情况下 ,由中国科学院高能物理研究所负责的B EPC Ⅱ国家重点科学项目资助 ,于 2003 年开始研制用于粒子加速器并能应用于其他领域的精密 HL S 系统。课题的目标开始就是为在正负电子对撞机 B EPC Ⅱ上建立一套 HL S 系统开展研究 ,完成系统的调研、设计和实验产品的加工、测试 ,最终完成能够在加速器装置上实际应用的产品和系统。

       在国内有针对水利、地震等而开发的静力水准传感器。主要有电感式、电容式、光学和磁致伸缩式静力水准传感器。由于它们主要用于诸如大坝变形监测、地壳和山体变形监测等 ,要求测量量程较大而测量的精度不高 ,都不能满足加速器磁铁位置监测所需要的精度。从精密工程测量学角度来讲 ,高能粒子加速器建设中的测量工作无论是从精度方面、还是测量内容的广泛程度都将是精密工程测量的前沿 ,它推动工程测量的进步和发展。立足国内 ,开发适合加速器等高精度要求的静力水准系统 ,努力赶上国外先进的变形监测技术 ,是目前国内加速器准直测量的工作需要 ,也是精密工程测量的发展趋势。

       经过努力 ,新型 HL S 系统于 2004 年 10 月完成所有测试 ,11 月正式用于 B EPC Ⅱ工程的前期准直测量工作 ,从得到的测量数据看 ,研究的成果得到了预期目标。系统的技术参数为 :测量灵敏度 0.002mm。单点测量精度 < ±0.01 mm  两测点高差测量中误差 ＜±0.02mm 量程±5mm 允许环境条件  温度0-50℃  湿度100%这个课题的完成标志着监测手段的提高。进一步的发展 ,可以利用监测所得到的数据建立反馈系统 ,再通过伺服机构进行定期的或实时的调节 ,形成一个“监测2数据处理2反馈2调节”完整的系统。

本文章转自爱学术（aixueshu.com），如有侵权，请联系删除