一種基于電容介質(zhì)變化的水準(zhǔn)在線自動(dòng)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種適用于±木、水利及交通等工程中各 類建筑物或大地的垂直位移變化的在線自動(dòng)測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水準(zhǔn)測(cè)量被廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、地鐵、高鐵、大巧、核電站、高層建筑、礦山、滑 坡等建筑物或大地的垂直位移監(jiān)測(cè)，就目前的水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)手段而言，借助于水準(zhǔn)儀等儀 器的人工測(cè)讀方式，因無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已無(wú)法使用；采用全站儀自動(dòng)測(cè) 量不僅測(cè)量范圍有限，成本高，且測(cè)量精度達(dá)不到要求；而用水準(zhǔn)傳感器形式的自動(dòng)測(cè)量方 法被雙青睞。
[0003] 現(xiàn)有的水準(zhǔn)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)由靜力水準(zhǔn)傳感器、水體及連通管Ξ部分組成，無(wú)法實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)/放水。測(cè)量中的關(guān)鍵組件靜力水準(zhǔn)傳感器目前主要基于W下原理：（一）利用浮 子隨水位變化通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)特定結(jié)構(gòu)的電容或位移敏感部件，來(lái)測(cè)量水位高度；運(yùn)種 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳感器體積大，量程窄，對(duì)安裝基座要求高，不適用于建筑物頂部，或 高差大安裝部位，且機(jī)械機(jī)構(gòu)影響測(cè)量精度及反應(yīng)靈敏度。（二）利用超聲或激光回波反射 測(cè)量水面位置，來(lái)測(cè)量水位高度；傳感器體積大，量程大、精度低，環(huán)境溫度影響大。（Ξ)利 用壓力傳感器測(cè)量水位壓力，來(lái)測(cè)量水位高度；傳感器體積大，量程小，精度低，環(huán)境溫度， 內(nèi)部水泡，液體種類及密度等影響大，對(duì)液體有特殊要求。
[0004] 因現(xiàn)有靜力水準(zhǔn)傳感器體積大，結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路復(fù)雜，影響因素多，安裝麻煩，適 應(yīng)性差，量程小，精度低，無(wú)法解決傳感器測(cè)量精度與量程間的矛盾，水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法自 動(dòng)更換變質(zhì)水或補(bǔ)給水，對(duì)測(cè)量精度的影響無(wú)法在線自動(dòng)標(biāo)定，使用場(chǎng)合受到制約。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽(yáng)〇化]本發(fā)明的目的為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的某些缺失或不足，提出一種基于電容介 質(zhì)變化的水準(zhǔn)在線自動(dòng)測(cè)量方法。第一，由水準(zhǔn)傳感器，電磁閥，連通管，液體介質(zhì)與外部 液路構(gòu)成液路網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線/有線通訊構(gòu)成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，組成一個(gè)完整的水準(zhǔn)自動(dòng)在線測(cè)量系 統(tǒng)，在測(cè)量主機(jī)協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式安裝的各個(gè)水準(zhǔn)傳感器同步測(cè)量。第二，采用外筒內(nèi)壁 與內(nèi)筒外壁之間存在間隙的同軸導(dǎo)電材料筒體構(gòu)成一個(gè)測(cè)量桿，W筒體的導(dǎo)電材料作為電 極，間隙內(nèi)填充一種隨測(cè)量高程變化的液體作為介質(zhì)構(gòu)成一個(gè)測(cè)量桿電容器；由一個(gè)或若 干個(gè)測(cè)量桿電容器通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)上串聯(lián)對(duì)接、電路結(jié)構(gòu)上并聯(lián)方式連接構(gòu)成一個(gè)水準(zhǔn)傳感 器；通過(guò)測(cè)量水準(zhǔn)傳感器中各測(cè)量桿電容量經(jīng)換算獲取實(shí)際液位。第Ξ，相鄰測(cè)量桿間使用 串聯(lián)對(duì)接機(jī)械結(jié)構(gòu)、各測(cè)量桿電容器W并聯(lián)方式接入測(cè)量電路，通過(guò)若干個(gè)測(cè)量桿電容器 的組合，實(shí)現(xiàn)不損失測(cè)量精度的前提下，任意擴(kuò)展水準(zhǔn)傳感器的量程。第四，通過(guò)在水準(zhǔn)傳 感器內(nèi)設(shè)定的位置感應(yīng)探頭及電磁閥實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)傳感器在線自動(dòng)標(biāo)定及精度補(bǔ)償。第五，通 過(guò)一種具有RC結(jié)構(gòu)的電容充放電電路，結(jié)合比較器W替代"模/數(shù)（A/D)轉(zhuǎn)換通道"，利用 水準(zhǔn)傳感器中MCU測(cè)量電容放電時(shí)間的方法獲得測(cè)量桿電容器的電容量。
[0006] 一、水準(zhǔn)測(cè)量工作原理簡(jiǎn)述
[0007] 由水準(zhǔn)傳感器、介質(zhì)、連通管實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)測(cè)量的工作原理（如附圖1所示），將水準(zhǔn)傳 感器固定在被測(cè)建筑物或大地指定位置，調(diào)節(jié)液體介質(zhì)使液面保持在水準(zhǔn)傳感器量程內(nèi)某 位置處。當(dāng)建筑物或大地的垂直位移發(fā)生變化時(shí)，傳感器安裝位置的高程隨之發(fā)生變化，其 內(nèi)的液面高度也發(fā)生相應(yīng)改變。
[0008] 假設(shè)將某一個(gè)傳感器作為參考基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)初始狀態(tài)時(shí)各測(cè)量點(diǎn)液面測(cè)量值為： 陽(yáng)009] y。。，y〇i，y〇2,...，yoi，...，y〇n(i為測(cè)點(diǎn)編號(hào)），
[0010] 當(dāng)各安裝點(diǎn)垂直位移發(fā)生變化時(shí)，各測(cè)點(diǎn)液面測(cè)量值為：
[0011] yjO,yjl，yj2,...，yji,...，y"(j為測(cè)J點(diǎn)第幾次測(cè)J量）
[0012] 則各測(cè)點(diǎn)液面位置變化為：
[0013] Ay扣，Δγ:ι，Ayj2,。。。，Δγ:ι，. . .，Δγ:〇η
[0014] Ayji=yji-y〇i
[0015] 由此可計(jì)算出各測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于參考基準(zhǔn)的高差為：
[0016] hji=(yji-yj- (yj(j-y〇〇)。 陽(yáng)017] 二、本發(fā)明工作原理簡(jiǎn)述
[0018] 由水準(zhǔn)傳感器1，介質(zhì)2,連通管3,電磁閥4和測(cè)控主機(jī)5構(gòu)成一個(gè)完整的水準(zhǔn)測(cè) 量系統(tǒng)（如附圖2所示）。電磁閥4至少具有兩個(gè)通道接口，其中第一口與連通管3連接， 第二口與液源口 6連接。最佳使用方案是電磁閥4采用Ξ個(gè)通道接口，其中第一口與連通 管3連接，第二口與液源口 6連接，第Ξ口與廢液口 7連接。水準(zhǔn)傳感器1測(cè)量水平面液位 位置，并通過(guò)測(cè)控主機(jī)5控制電磁閥4,設(shè)置連通管3與外部的液源口 6或廢液口 7的連通 方式，W實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)傳感器在線自動(dòng)標(biāo)定及測(cè)量補(bǔ)償。
[0019] Ξ、本發(fā)明的水準(zhǔn)傳感器結(jié)構(gòu)
[0020] 由外筒內(nèi)壁與內(nèi)筒外壁之間存在間隙的同軸導(dǎo)電材料筒體構(gòu)成一個(gè)測(cè)量桿，W筒 體的導(dǎo)電材料作為電極，間隙內(nèi)填充一種隨測(cè)量高程變化的液體作為介質(zhì)構(gòu)成一個(gè)測(cè)量桿 電容器。由一個(gè)或若干個(gè)測(cè)量桿通過(guò)串聯(lián)對(duì)接方式的機(jī)械結(jié)構(gòu)、測(cè)量桿電容器并聯(lián)方式的 電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)水準(zhǔn)傳感器（如附圖3所示）。
[0021] 一個(gè)水準(zhǔn)傳感器可有一個(gè)或若干個(gè)測(cè)量桿組成，當(dāng)使用一個(gè)W上測(cè)量桿時(shí)，水準(zhǔn) 傳感器1的內(nèi)筒或外筒中至少應(yīng)有一個(gè)筒體是由若干個(gè)獨(dú)立的單個(gè)筒體組合而成的，相鄰 測(cè)量桿的單個(gè)筒體之間在機(jī)械上采用串聯(lián)對(duì)接方式連接，且對(duì)接處相互絕緣。因此，水準(zhǔn)傳 感器1可有W下Ξ種筒體結(jié)構(gòu)形式：
[0022] 第一種（結(jié)構(gòu)1):各測(cè)量桿的內(nèi)筒、外筒在機(jī)械結(jié)構(gòu)上均為分開(kāi)獨(dú)立的單體，每個(gè) 測(cè)量桿的內(nèi)筒與外筒作為該測(cè)量桿電容器的兩個(gè)獨(dú)立極板，其相鄰測(cè)量桿的內(nèi)筒對(duì)接處絕 緣，相鄰測(cè)量桿的外筒對(duì)接處也絕緣，相鄰測(cè)量桿的內(nèi)筒及外筒通過(guò)安裝扣串聯(lián)對(duì)接方式 構(gòu)成一個(gè)完整的水準(zhǔn)傳感器。
[0023] 第二種（結(jié)構(gòu)2):各測(cè)量桿的外筒在機(jī)械結(jié)構(gòu)上是分開(kāi)獨(dú)立的單體，但共用一個(gè) 整體的內(nèi)筒，內(nèi)筒長(zhǎng)度大于或等于各測(cè)量桿外筒長(zhǎng)度之和，每個(gè)測(cè)量桿的內(nèi)筒與外筒作為 該測(cè)量桿電容器的兩個(gè)獨(dú)立極板，其相鄰測(cè)量桿的外筒對(duì)接處必須絕緣，各測(cè)量桿的外筒 通過(guò)安裝扣串聯(lián)對(duì)接方式構(gòu)成一個(gè)完整的水準(zhǔn)傳感器。
[0024] 第Ξ種（結(jié)構(gòu)3):各測(cè)量桿共用一個(gè)整體的外筒，但內(nèi)筒在機(jī)械結(jié)構(gòu)上是分開(kāi)獨(dú) 立的單體，外筒長(zhǎng)度大于或等于各測(cè)量桿內(nèi)筒長(zhǎng)度之和，每個(gè)測(cè)量桿的外筒與內(nèi)筒作為該 測(cè)量桿電容器的兩個(gè)獨(dú)立極板，其相鄰測(cè)量桿的內(nèi)筒對(duì)接處必須絕緣，各測(cè)量桿的內(nèi)筒通 過(guò)安裝扣對(duì)接方式構(gòu)成一個(gè)完整的水準(zhǔn)傳感器。
[0025] 為便于敘述，W下W水準(zhǔn)傳感器1的結(jié)構(gòu)1形式中的測(cè)量桿A為研究對(duì)象進(jìn)行討 論，其它測(cè)量桿的工作機(jī)理、機(jī)械結(jié)構(gòu)及電路結(jié)構(gòu)W此類推。
[0026] 測(cè)量桿A的內(nèi)筒11-A2與外筒11-A1，其截面形狀為圓形或異形，材料為同一種類 或不同種類的導(dǎo)電材料制作，內(nèi)筒11-A2與外筒11-A1同軸安裝；內(nèi)筒11-A2與外筒11-A1 組成測(cè)量桿A電容器的兩個(gè)極板，內(nèi)外筒之間的間隙形成儲(chǔ)液腔11-05,儲(chǔ)液腔11-05內(nèi)填 充隨高程變化的介質(zhì)2,由測(cè)量桿A的兩個(gè)極板及兩極板之間的介質(zhì)2構(gòu)成測(cè)量桿A電容器 Ca，介質(zhì)2 -般采用液體。
[0027] 當(dāng)水準(zhǔn)傳感器1測(cè)量桿的內(nèi)筒或外筒結(jié)構(gòu)由相互獨(dú)立分開(kāi)的單體組合構(gòu)造時(shí)，相 鄰測(cè)量桿的筒體之間對(duì)接處必須用絕緣密封墊進(jìn)行絕緣，如測(cè)量桿A與測(cè)量桿B在結(jié)構(gòu)1 中的11-AB1、結(jié)構(gòu)2中的12-AB1，結(jié)構(gòu)3中的13-AB1，并通過(guò)機(jī)械對(duì)接的安裝扣連接，如測(cè) 量桿A與測(cè)量桿B在結(jié)構(gòu)1中的11-AB2、結(jié)構(gòu)2中的12-AB2,結(jié)構(gòu)3中的13-AB2 ;每個(gè)測(cè)量 桿形成一個(gè)獨(dú)立的電容器，所有測(cè)量桿電容器的極板采用電容器并聯(lián)方式接入測(cè)量電路。
[0028] 多個(gè)測(cè)量桿串聯(lián)對(duì)接安裝后可構(gòu)成一個(gè)滿足需要量程的水準(zhǔn)傳感器，但各測(cè)量桿 電容器是相互獨(dú)立的。水準(zhǔn)測(cè)量精度及量程只與本測(cè)量桿的幾何結(jié)構(gòu)，介質(zhì)2的特性等參 數(shù)相關(guān)，水準(zhǔn)傳感器總測(cè)量精度與測(cè)量桿測(cè)量精度一致，總量程為所有測(cè)量桿量程之和，從 而很好地解決W往水準(zhǔn)測(cè)量精度與量程之間難于兼顧的困難。
[0029] 介質(zhì)2為一種導(dǎo)電或不導(dǎo)電的液體，例如使用各種成分配比組成的油品，W及W 水為主原料的混合液等，本發(fā)明推薦使用的最佳液體為