液体静力水准自动观测系统

液体静力水准自动观测系统
作者：黄腾





       对大型工程建筑物如水电站、核电站、高层建筑以及大型科学实验设备等进行垂直变形观测，目的是要得到观测点随时间及荷载的变化而产生的高程变化值。这种变形可能是在很短时间内缓慢发生的，即动态编订；也可能在较长时间内发生，即静态变形。动态和静态变形随机相加是建筑物垂直位移变形观测的特点。这个特点用传统的精密水准测量方法难以反映，而液体静力水准自动观测系统却显示了优越性。两年多来，该系统经过设计、制造、安装、调试及测试试验等，已初步制成了样机。从实验的结果表明，它的测量精度、速度、自动化程度等基本达到设计要求，且工作稳定，能实现联机实时自动监测建筑物垂直位移。

2、系统的组成及工作原理

        液体静力水准自动观测系统是依据液体连通管原理设计的，他主要由主机、模数转换电路、计算机及系统软件等部分组成。

2.1主机

       主机主要包括若干个相同大小的钵体、浮子、导向装置、位移传感器以及一个标定装置等。为了保持工作介质-水不受污染及仪器长期稳定，钵体和浮子均用玻璃制成。钵体是反映建筑物位移的主要部分，它是直径和高度均为200mm的圆柱体，底部有一出水孔，各钵体出水孔之间用较粗的软管连通起来，内填液体为蒸馏水。浮子放置在各吧钵体内的液面上，用来准确反映液面的变化。在设计时不仅要考虑其稳定行，而且要考虑其灵敏度和跟随液面运动的同步性。所以，在结构上要使浮子重心和浮心处在同一垂直线上，浮子的定倾半径大于浮心到重心的距离，并在浮子内放置少许铁砂，以保证浮子能高灵敏度的稳定漂浮。

       导向装置也就是位移传感器的铁芯，用来反映浮子的位移，对仪器的灵敏度和长期稳定性起着重要作用。技术上要求它对浮子的位移阻力小，能把液面变化与浮子位移按1:1的线性关系反映出来。位移传感器的作用是将位移量转换成相应的电信号输出，所采用的是结构简单、工作可靠、灵敏度高、线性度好的螺管状差动变压器式。当铁芯在线圈内移动时，改变了磁通的空间分布，从而干煸了初、次级之间的互感量。当适当频率的电压激励初级绕组时，次级线圈就产生感应电动势。随着铁芯的位置不同，互感也不同，次级线圈产生的感应电动势也不同，这样就把铁芯，即导向装置的位移变成了电压信号。该信号再经过一个前置放大器后，进行同步调节、低通滤波，得到与位移成线性关系的直流电压输出。

       标定装置是用来标定一起格值的，其工作原理是当活塞上、下运动时，能改变筒内盛水的体积，根据谁的不可压缩原理，可以计算出各钵体中液面的升降量。将此变化量和电子部分相连，即可求得当液面改变单位高度时的电信号变化量数值，从而确定是否修正一起的格值。可见，标定装置使用认为改变各钵体中液面的升降来检核电信号的变化量来达到标定仪器的目的。这样，对于长期使用的系统，经常标定其格值，可以消除因电子线路老化等因素引起的测量误差。标定装置的另一个作用是调节、改变钵体中液面位置，以调整仪器的工作点。

2.2模数转换电路

       为把传感器输出的模拟信号转变成计算机可以接受的数字信号，用了1个模数转换器进行转换。他有8个模拟量输出通道，可以与8个钵体上的传感器连接（需要时还可设置更多的通道）。其输入的模拟信号为0-3V，数字输出为8位，反映位移的最小单位为1μm。

2.3计算机及系统软件

       计算机是系统的控制及资料处理的部件，测量的指令、数据的采集、检验、整理、存储等均由它来完成。系统连接的计算机可以是便携式的PC-1500，也可以是功能较全的IBM机。系统的软件具有完成实时测量和数据处理的功能，为了便于独立调式和功能扩充系，统软件采用模块结构，用一主程序连接各模块。主要的软件模块有：

a、采样模块：将20次采样的平均值作为采集的数据直接转换成高差变化量，存入计算机的存储区单元中。

b、数据处理模块：实时的对采样结果做可靠性检验、处理；对各垂直位移量进行计算、存储或打印。

c、绘曲线模块：绘观测值过程线，直观地反映出各测点的沉降情况。

然后，更多的软件功能有待实际应用的需要进一步扩充。

2.4系统的工作原理

       在工作基点及需要测量垂直位移的测点上设置主机，其间用软管相互连通，内充适量的水。当计算机发出测量指令后，由浮子带动的导杆与传感器之间因建筑物观测点发生垂直位移而差生了相对位置变化，并将此变化转化为一个电信号输出，经模数转换后直接输入微型计算机（IBM/PC-1500）。计算机的软件程序对采样数据极性可靠性分析和处理，为有关部分提供所需的资料，比如：观测点的高程、沉降量、沉降曲线、建筑物的安全状况等。

3、整机装置性能的测试试验

       液体静力水准测量的原理似乎不复杂，但是要使这种仪器能满足变形观测高精度的要求却很不容易。这是因为有各种不利的因素对它产生影响，其中包括仪器本身执照和安装误差以及外界环境条件的影响等。

       本系统在研制过程中，对各种误差影响如温度不均匀、气压差异、导杆安装不垂直、液体不纯等产生的误差进行了分析、计算和试验，力求使误差产生的影响控制为最小。

       样机安装、调试完毕后，又作了多项性能指标的测试。测试在实验室中进行，方法是用充满蒸馏水的连通管把两个钵体连成一套完成的系统，借助标定装置达到人为调节两端钵体中的液位变化，该变化量再与PC-1500计算机进行数据采集、处理的结果作比较，计算出测试结果。主要进行的几项测试有：

3.1液位灵敏度

       每次等量改变钵体的液位变化，由计算机对其测量，共进行了10多次观测，经数据处理后得知，该装置能感应出0.002mm的水位变化。

3.2水位变化重复测定精度

       反复（递增、递减）改变液位，重复的测定某几个确定的液位高度，经数据粗粒后的其重复观测中误差为±0.008mm。

3.3在±10mm范围内的线性度

       整机的线性度取决于位移传感器的线性度，在整机安装前受限对位移传感器记性了测定，并做回归分析求出其回归方程，编入数据处理程序中，整机测定是在位移传感器零位的±10mm范围内等间距改变钵体中的液体，再由精算及测出这些已知的变化量，经数据整理后得知：两钵体在±10mm范围内的线性度分别为0.92%和0.38%。

3.4高差中误差

       高差中误差收到很多外界因素的影响，试验仅能根据实验室中的条件进行，经多种方法测试，该装置中误差均优于±0.1mm、上述各项指标均达到了设计目标。另外还禁行了一些其它项目的测试，如在电压波动±15%，湿度达0.001%，温度在4-35℃的条件下测量，其测量结果不受影响。

4、系统在变形观测中的应用

       在建筑物变形观测中，有时要观测很多点的变形情况，这时可以再各测点上都布设测量钵体，它们之间用软管或玻璃管连起来成为网络。将传感器电缆捅到原理测点及时米或上百米的中心控制室内，测量人员只需在控制室内操作计算机，即可使系统进行自动采集资料。完成这些工作，对于一个有10个测点的建筑来说，仅需1分钟，可见，这是精密水准测量方法无可比拟的。另外，还可以发挥计算机的功能，建立数据库，自动管理资料；此阿勇逐步回归程序，建立统计分析模型；或建立预报模型进行预报值的计算，将实测值与预报值进行比较，及时评价建筑物安全状态所必须的信息。联机实时的对建筑物进行垂直变形监测。

       经过对液体静力水准自动观测系统的研制，我们还感到仍有许多需要研究和对系统改进的地方，比如：当连通的两个钵体相隔较远时，如何克服温度或气压差异引起的测量误差；在测点远离中心控制室时，如何将信号传输过去；改进系统装置，采用高线性度的位移传感器，选择加工精度较高的钵体，使测量精度和灵敏度更高；在浮子上再设置目测装置，使更换传感器时仍能保持资料的连续性，等等。这将是进一步完善该系统的目标。

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