静力水准仪自动化监测技术方案

静力水准仪自动化监测技术方案

一、静力水准仪简介

对结构健康影响最大的外力因素是重力，因此结构的竖向位移最能代表结构位置的变化。竖向位移通常也简称沉降。

传统的人工测量耗时太多，监测周期长，只能反应变化的长期趋势。难以反应快速变化的竖向位移。而静力水准仪可用来在线自动测量沉降数据。

二、静力水准仪的原理及分类

静力水准仪是依据“连通管”原理工作的：两端开口与大气相通的U型管注入液体后，液体在大气压力和重力的作用下，最终会保持在同一个水平面。测量出测点液位

的变化，即可得到测点的位置变化。

根据这个原理，市面上出现了液位式静力水准仪和压差式静力水准仪。液位式水准仪是通过测量每个测点液位变化的高度来计算沉降的，而压差式静力水准仪是通过计算不同测点间的液体压力变化量再除以液体的密度和重力加速度得到沉降值。

液位式静力水准仪由于原理简单，液位变化直观，测量液位的技术简单成熟，因此种类繁多。液位测量的方式有机械式、非机械式两种。

机械式的液位测量是在液位中放入浮球，液位变化时，浮球会随液位而变动，测量出浮球的位置变化，即可得到液位的变化。常见的测量浮球位置变化是通过磁致伸缩原理来实现的。

非机械式的液位测量方式有超声波、电容，毫米波雷达、机器视觉、压差。

超声波、毫米波液位测量是利用超声波或电磁波遇到液体与气体的界面时会发生反射的原理，测量出超声波在液体中传播所用的时间，根据液体中声波的速度，求出液位的。

机器视觉是利用摄像装置，观察辅助激光光束在液面的光斑位置变化，求出液位变化的。由于摄像装置的光学器件会收到水蒸气的遮蔽、侵蚀等影响，对视频数据的解算需要硬件和软件支持，结构复杂，体积较大、成本较高，目前极少有应用，因此本文不做展开介绍。

电容式液位测量原理是利用液位变化时，液体与上方的金属之间的电容会发生变化。通过测量电容的变化，可求出液位的变化。由于影响到电容的不仅是两极板之间的距离，液体上方的空气密度、温度、结构件几何尺寸都会影响到电容的变化，且测量的量程较小。由于电容式液位测量的缺点，目前市场上已经很少见，因此本文不作进一步的介绍。

三、常见静力水准仪介绍

下面就市场上常见、应用较多的静力水准仪分别做介绍，以便帮助业界伙伴根据项目情况，正确选择静力水准仪。

1、磁致伸缩静力水准仪

原理：磁致伸缩指铁磁质中磁化方向的改变会引起介质晶格间距的改变，从而使得铁磁质的长度和体积发生改变的现象。磁致伸缩液位传感器是利用磁致伸缩效应，利用两个不同磁场相交时产生的应变脉冲信号被检测到的时间来计算出磁场相交点的准确位置，从而测量出液位的高度。

在磁致伸缩液位水准仪的传感器测杆外配有一浮子，此浮子可以沿测杆随液位的变化而上下移动。在浮子内部有一组永久磁环。当脉冲电流磁场与浮子产生的磁环磁场相遇时，浮子周围的磁场发生改变从而使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲，这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。通过测量脉冲电流与扭转波的时间差可以精确地确定浮子所在的位置，即液面的位置。

磁致伸缩工作原理

优点:

磁致伸缩液位静力水准仪结构简单，液面变化直观，价格较为便宜，较多的用于石油、化工原料储存、生化、医药、食品饮料、大坝水位、水库水位监测与污水处理等。近些年有业内人士用来做建筑结构的沉降观测。

缺点：

（1）安装不便：磁致伸缩液位静力水准仪是依靠的液位变化来进行测量的，因此体积较大，某些现场难以安装，如钢轨、道岔等结构件上难以安装。

（2）量程较小：磁致伸缩液位静力水准仪的量程不超过液体的高度，受液体的高度的限制，量程一般在IOO-200mm,现场安装使用时需要用水准仪进行抄平，把水准仪尽量安装在同一个水准面上，以充分利用量程。

（3）灵敏度、精度较低：因使用浮球，存在移动的部件，部件之间的摩擦力导致较小的位移难以察觉反应，灵敏度和精度较低。且体积较大，使用受限，某些地方甚至有碍观瞻。量程更是受限，常规为Ioo-200mm,很难做到大量程。

（4）抗电磁干扰性较差：由于是靠磁场变动来获取液位变动的，因此抗电

磁干扰能力较弱，不建议在电厂、高铁接触网附近、大型电力设备设附近使用。

（5）环境温度影响大：浮球体积较大，如果温度变化较大，浮子内部空气的体积变化将导致浮力变化，浮力此时将带来较大的系统误差。因此适合在相同的气温下做数据的对比。在昼夜温变较为剧烈的地方必须做防热、隔热处理。

2、超声波静力水准仪

原理：超声波静力水准仪的基本原理和磁致伸缩液位水准仪一样，不同的是用超声波来测量液位的高度。由装在仪器底部的超声波探头发出超声波信号，到达液面被反射回来，根据探头接收到反射回波的时间差与超声波在液体中的传播速度，可以算出液体高度。

优点:

超声波静力水准仪的优点是无机械活动器件，传感器不和液体接触，抗电磁干扰能力强。液体中超声波的速度随温度而变化的因素，可以通过温度传感器做补偿，相比磁致伸缩水准仪，精度较高。当代的MCU可以测量的时间差在几个皮秒，相当于光走过0.1mm距离所用的时间。良好的算法软件结合高质量的压电陶瓷换能器，在加上优异的

结构设计，超声波静力水准仪的精度可达到0.1mm级别。

缺点：

（1）安装不便：超声波静力水准仪的基本原理和磁致伸缩水准仪一样是靠液位测量实现功能的，因此体积较大，不便与安装。

（2）量程小：超声波静力水准仪受液体的高度的限制，量程一般在100-300mm,现场安装使用时需要用水准仪进行抄平，把水准仪尽量安装在同一个水准面上，以充分利用量程。

（3）使用要求高：液体表面和内部的气泡、悬浮物、水质等，均会改变超声波在液体中的传播速度，导致测量误差。使用时需要采取保温隔热措施，避免太阳照射带来的液体蒸发、气泡等带来的影响。

（4）受测点倾斜影响大：超声波束在液体中传播时，会逐渐扩大，不再是一条理想的测距“线”，随着传播距离的增加，到达液面时，逐渐扩大成为一个“圆面”。

超声波发散角度满足以下公式：Sine（）=1.2*VZ（DF）,其中为发散角度，V为液体中的声速，D为压电换能器直径，F为超声波频率。从上述公式中可看出，当量程较大，液体有倾斜时，发散角增大，会影响到测距的精度。

（5）价格较高：高精度的超声波静力水准仪需要使用较高品质的MCU、压电陶瓷换能器和罐体结构件，结合温度传感器、倾角传感器数据，用软件算法对测距数据进行补偿，所以成体成本较高。

小结：超声波静力水准仪属于精密的娇气的仪器，对使用环境要求较高，适合于室内使用，如科研院所、地铁、隧道等环境温度变化较小，液体介质受控的场景使用。在户外工地等项目中也有部分客户在尝试使用，具体使用效果有待验证。

3、压差式静力水准仪