一种新型容栅式静力水准仪的研制

刘湘锴，吴能森，吴承彬

(1.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002；2.中汇建筑集团有限公司，福建 福州 350002)



一种新型容栅式静力水准仪的研制

刘湘锴1，吴能森1，吴承彬2

(1.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002；2.中汇建筑集团有限公司，福建 福州 350002)

摘要：创新性地研制了一种容栅式静力水准仪，利用容栅数显技术与静力水准技术相结合研制而成，期望该静力水准仪能够在建筑沉降观测中起到重要作用。给出了容栅式静力水准仪的系统组成、机械结构设计和硬件电路设计方案。与传统的光学水准仪相比，该静力水准仪的最大特点是功耗低，可采用电池供电，并自动记录数据，减少了人工测量成本，同时也提高了系统的可靠性。应用实践证明，该方案切实可行，且效果良好。该研制仪器已被授予发明专利(2013105507592)和实用新型专利(2013207027472)。

关键词：静力水准仪；容栅传感器；沉降观测

随着城市化进程的日益推进，对建筑工程的要求也在逐步提高，而沉降观测无疑是建筑工程质量保证的重要环节。现代土木工程要求沉降观测做到高效率、高精度、低成本，甚至自动化、信息化，而目前对房建工程的沉降观测技术多数还停留在传统的光学水准测量，不仅观测过程较为复杂，需要多人协作，还受观测环境影响大，这显然难以满足要求。容栅式静力水准仪是业内第一次引用容栅技术研制的静力水准仪，其不仅观测精度高，受环境影响小，可以进行全天候连续观测，并能自动读数，自动保存数据，大大减少了观测成本，是提高沉降观测的安全性、稳定性的有效途径，更是提高沉降观测的精度和效率的较好设备。介绍了新型容栅式静力水准仪的工作原理及构造，并结合仪器实际的应用情况，总结分析所研制仪器的应用前景，供同行参考。

1工作原理

容栅式静力水准仪的理念是将静力水准仪与容栅式传感器相结合，发挥两者之间的优势，研制出适于建筑沉降观测的高精度，高稳定性，受工作环境影响小的测量仪器。

图1　容栅式静力水准仪的构造图

容栅式静力水准仪由液晶显示器、动栅、定栅、浮筒和连接管等组成，其结构如图1所示。

容栅式静力水准仪利用连通器中的所有液面高度一致的原理进行两点之间的垂直位移测量，其原理图如图2所示。将容栅式静力水准仪固定在各测点上，用连通管连接各测点的容栅式静力水准仪，注入适量液体。当测点之间产生垂直位移时，仪器中的液面产生升降变化，浮筒随液面产生自由升降，固定在浮筒上的动栅尺便产生上下位移[1]。位移引起容栅接收极板与发射极板的相对位置变化，使得接收信号产生变化，并通过一系列的信号处理，将数据显示出来，容栅位移测量系统框图如图3所示。

该系统由3个主要部分组成：

(1)有源容栅传感器。它包括激励信号的产生、容栅输出信号的信号变换电路等部件。鉴相电路是将被测信号的相位差转化为一个脉宽信号(用以控制系统计数器的计数阀门)和一个位移方向信号。

(2)计数显示电路。它包括系统计数器(由可逆计数器来实现)、加减判别、符号判别、过零判别、译码显示等部件。

图2　静力水准系统原理示意图

(3)有源容栅传感器的输出信号在信号变换中，经滤波除去高次谐波。并将基波分量整形成方波，再经单稳成一个脉冲序列(见图3)。位置分别处于X-、X0、X+的容栅传感器，其输出信号如图4 b、图4 c、图4 d所示，它们之间的相位差与位置对应。当两个位置相差一个容栅定栅节距W时，其相位差为2π。在静态时，这个脉冲序列是一个周期为T的脉冲信号，在各个对应位置上的信号之间，相位是一个与位置相对应的位相角[2]。

图3　鉴相型有源容栅位移测量系统框图

图4　容栅动态直读原理图

当容栅从位置X0移至X+时，接收到的波形其相位向前移了。反之，从X0移至X-时，接受到的波形其相位就向后移了。因而在位移的过程中，采样得到的脉冲信号周期就会变化。由采样得到的信号周期Ti，与原基准周期T相比的增量为△Ti=Ti-T，它与该时间内的位移对应，于是在某一个时间间隔内的位移，就可以通过对该时间内接收信号的每一个周期的增量求总和来得到，即

△x～△T=∑iTi-T

(1)

式中△T的符号与相位方向对应[3]。

2研制仪器的意义

研制仪器之所以采用容栅技术，是基于它在用于大位移测量时有以下几个优点：

(1)测量速度快。例如：分辨率为0.01 mm的容栅数显电子卡尺，测量速度可达1.5 m/s。

(2)结构简单，易于进行机械设计。传感器的机械部分主要由两组极板组成，结构小巧，易于与集成电路制成一体(如瑞士Sylvac型数显卡尺)。这一优点也是其他类型的位移传感器所不能比拟的。

(3)对使用环境要求不高。能抗电、磁场的干扰，对空气湿度不敏感等。

(4)耗能少。这是由于电容传感器本身的介质损耗和静电引力都很小，以及使用CMOS电路的缘故。瑞士的Sylvac型容栅数显卡尺，仅使用一块1.5 V氧化银短板电池，就可以连续供电使用12个月[4]。

研制的仪器主要适用于二级及以下的建筑物沉降变形测量，故对其与常见的精密光学水准仪和现有市面上的各类型静力水准仪做一个大致的对比分析。

2.1与常规光学水准仪的对比

目前用于高层建筑沉降观测的常用的精密光学水准仪有瑞士进口的威特N2、威特N3以及国产的DS05、DS1等水准仪[5]。研制的仪器与以上水准仪相比具有以下优点：

(1)工作环境要求低。精密水准仪的使用受室外环境影响大，本仪器工作环境在-20～40℃，湿度≤80%都能够正常工作；

(2)本仪器可以进行全天候观测。

(3)降低人工成本。精密水准仪通常是与水准尺配套使用，故一般需2人或2人以上协同完成测量工作，而本仪器安装完成后，仅需1人即可观测记录，大大提高工作效率。

(4)数据记录准确。精密水准仪的测量结果通常需人工记录，难免大意出错，本仪器具有数据直读和保存功能，降低了数据记录的工作难度。

2.2与常见的容栅式静力水准仪对比

就目前而言，上市的容栅式静力水准仪型号不多，比如HC-R型容栅式静力水准仪(见图5)。

研制仪器与HC-R型容栅式静力水准仪相较而言，由于研制仪器引入了容栅数显技术，使得测量数据可以直观的被记录，减少了观测的人为误差。

2.3与其他传感类型的静力水准仪

目前常见的静力水准仪绝大多数是基于光电式(CCD)、磁致伸缩式或电感式传感器研发而成[6]，下面以XTY5106242型光电式(CCD)静力水准仪(见图6)[7]、BY.39-MSL570-600型磁致伸缩式水准仪(见图7)[8]和SZZX-S100B型电感式静力水准仪(见图8)[9]为例，上述3种仪器技术参数的配备与研制仪器的对比如表1所示。

图5　HC-R型容栅式静力水准仪

图6　XTY5106242型静力水准仪

图7　BY.39-MSL570-600型静力水准仪

图8　SZZX-S100B型静力水准仪

产品型号产品量程/mm综合误差/%精度/mm工作电压/V工作温度/℃市场价/(元/台)配备XTY510624250≤0.20.1100～220-15～+65约2000BY.39-MSL570-600600≤0.10.0124-20～+80约3000SZZX-S100B100≤0.010.0112-20～+80约2300研制仪器65≤0.20.11.5～3-20～+80约1500除研制仪器只需配备连通管外,其余都需要配备专业水工缆;连通管;智能读数仪

图9　研制仪器外观尺寸图(单位：mm)

由表1可以看出，研制的仪器在精度和量程上虽不及BY.39-MSL570-600、SZZX-S100B型静力水准仪，但因为研制仪器是适用于二等建筑物的沉降观测上，0.1 mm的精度和65 mm的量程已完全足够。另外，由于研制仪器采用了容栅数显技术，数据能够直接显示在仪器上，并且研制仪器采用两颗纽扣电池供电，不仅耗能低，而且免去了布置电缆的烦琐，在配备上较以上几种静力水准仪少了专业水工电缆和智能读数仪，仪器成本也大大降低。

3设计方案

3.1技术原理

该测量系统根据静力水准仪工作原理和反射式群聚型容栅传感器原理设计，动栅通过螺钉连接到尺框上，定栅粘接在尺身(和浮体连接)的定栅槽内，和尺身形成一个整体，通过尺身带动定栅在尺框内上下自由滑动，形成一个完整的容栅传感器[10]。将传感器置于静力水准仪，传感器数据显示在液晶显示器上，通过显示器数据的变化测得浮体的上下位移量。

3.2仪器尺寸及样品

研制仪器外观尺寸及研制样品分别如图9、图10所示。

图10　研制仪器成品图

图11　显示界面

显示界面如图11所示，系统的初始界面，也是最常用界面，该界面下液晶显示日期“XX年XX月XX日”，当前测量得到的数据，测量的单位是“In”或“mm”[11-15]。各按键的使用和功能见产品使用说明书[11]。

3.3相关技术指标及注意事项

(1)测量精确到0.1 mm，量程≥60 mm；

(2)使用环境：温度-10～40℃；湿度不大于80%；

(3)正常关机后再开机，数据保持关机前的数据；

(4)电池电量不足的时候，液晶屏上会显示低电量报警，如果要更换电池，要先长按“保存”键存储当前数据，再卸下电池进行更换，两个电池要同时更换，更换电池再次开机之前数据全部保留[15]。

4系统标定与应用

4.1技术依据

《工程测量规范》GB 50026—2007；

《建筑变形测量规程》JCJ 8—2007。

4.2主要技术指标

相邻基准点高程中误差≤±1.0 mm；

沉降观测点高程中误差≤±1.0 mm；

基准网测站高差中误差≤±0.5 mm；

沉降观测网测站高差中误差≤±0.5 mm。

4.3标定试验

标定试验在位移标定台上进行，对比用游标卡尺与该静力水准仪的测量数据(见表2)。

表2　测量误差分析表　　　　　　　　　　 mm

由表2可知，测量最大误差不大于0.09 mm，可以满足绝大部分建筑沉降观测要求[16]。

4.4工程应用

研制的水准仪在三明市沙县某住宅楼工程进行了研究性试用，该工程为1#住宅楼18层，住宅楼主体高度为60 m且地下为二层。该工程地基采用天然地基，筏型基础，采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构。依据《工程测量规范》(GB 50026—2007)和《建筑变形测量规程》(JGJ 8—2007)等相关技术规范对结构进行沉降观测[17]。在该住宅楼布设八个外露标志的沉降观测点，并在其相应位置布置一台研制的静力水准仪组成静力水准系统，共8台，沉降点布置如图12所示。

在约6个月的测量周期内，静力水准仪与人工监测数据曲线对比如图13所示。

图12　沉降点布置图(单位：m)

图13　人工与静力水准测量比较图

由图13可知，该静力水准仪测量性能稳定，并与人工测量的数据相差最大值不超过5 mm，具有替代现有光学水准仪的潜力。并且在观测时不受通视条件和气候条件限制，观测方便，测量精度高，符合《工程测量规范》(GB 50026—2007)二等沉降观测类精度要求，节省人工费用60%，节约成本约2万元，其应用情况良好。

5结语

(1)沉降观测对于分析掌握已建工程的安全动态，积累地区性资料，丰富完善沉降计算理论具有十分重要的作用。目前沉降观测的常规做法是埋设沉降观测点，定期或不定期进行水准测量。由于水准观测仪器携带不方便，需要人员多，成本高，且仪器本身精度不高，受人为和环境因素影响大，能长期正常进行沉降观测的不多，数据的客观性和有效性很值得怀疑，因此具有自动化和智能化特性的静力水准系统必将取而代之。

(2)实践证明，在建筑观测中与常规的光学水准测量相比，静力水准仪具有诸多优势，如观测迅速、观测精度高，可以实现连续观测、自动监测以及自动记录等，但目前的流体静力水准仪结构较复杂，使用起来有时不如传统的光学水准仪方便，且仪器价格偏高，因此对面广量大的常规性建筑工程，亟须研究开发仪器结构简单、操作方便、价格低廉的静力水准仪，在保持静力水准技术优势的同时，进一步向轻便化、通用性方向发展，提高工效，降低成本，这是静力水准系统在建筑工程上普及和推广应用的关键。

(3)论文研制的基于容栅传感器的静力水准仪具有体积小、结构简单、分辨率和准确度高、测量速度快、功耗小、成本低、对使用环境要求不高等突出的特点，又具有自动读数，自动记录、仅需一名工作人员记录数据且不易受环境影响的优点，与常规光学测量及其他类型的静力水准仪都有一定的优势。

参考文献

[1]何晓业.静力水准系统在大科学工程中的应用及发展趋势[J].核科学与工程,2006,26(4):332-336.

[2]张增耀,骆家贤.容栅技术[M].北京:中国计量出版社,2002:1-3.

[3]曹伟华,吴泽华.传感器技术在微量注射泵中的应用[J].电子技术,2009,36(7):10-11.

[4]李啸啸,张晓松.静力水准系统在水工建筑物沉降监测中的应用[J].大坝与安全,2014,(6):62-65.

[5]李晶.液压电梯速度控制研究[D].上海：同济大学,2006:61-68.

[6]蔡惟鑫, 杜为民, 谢人仪. DG-1型静力水准仪[C]//中国测绘学会全国特种精密工程测量会议,1987:7-8.

[7]卢欣春,李学胜,罗勇钢,等.新型光电式静力水准仪的研制[J].水电自动化与大坝监测,2015(1):19-22.

[8]于来宝,陈志高,郭晓菲,等.磁致伸缩液位传感器在水准仪上的应用研究[J].自动化与仪表,2010,25(4):20-21.

[9]唐爱华,王尚伟,金凌志,等.光纤光栅静力水准仪对桥梁的挠度监测[J].公路工程,2014(5):31-35.

[10]白韶红.静力水准仪在北京城铁变形监测中的应用[J].中国仪器仪表,2003(11):34-36.

[11]张荣.容栅编码器研究及其应用[D].上海：同济大学,2006:39-44.

[12]邵拓.容栅传感器机理研究及其测量系统构建[D]. 北京：华北电力大学,2011:30-37.

[13]陈娟.容栅式地层抬动测量装置的研制[D]. 长沙：中南大学,2011:52-60.

[14]米智楠.重型液压提升机器人技术研究[D].上海：同济大学,2004:35-45.

[15]何晓业.高精度CCD静力水准系统设计与研究[D].合肥：中国科学技术大学,2005:7-9.

[16]王媛媛.容栅式数显卡尺专用芯片的设计[D].西安：西安科技大学,2006:8-10.

[17]齐海龙.高层建筑物沉降观测技术应用[D].北京：中国地质大学,2013:15-17.

Development of an array capacitance hydrostatic level measurement

LIU Xiang-kai1，WU Neng-sen1，WU Cheng-bin2

(1.FujianAgricultureandForestryUniversity，Fuzhou350002,China；2.ZhonghuiConstructionGroupLimitedCompany，Fuzhou350002，China)

Abstract：This research aims to develop an innovative array capacitance hydrostatic level measurement,which combines capacitive digital caliper with hydrostatic level measurement,and is expected to substitute for the widely used optical level.The paper illustrates the system of array capacitance hydrostatic level measurement,its mechanical structural design and its design solution of hardware circuit.Compared with the traditional optical level,one of the biggest marks of hydrostatic level measurement is low power consumption with rechargeable batteries and automatically recorded data.It can not only reduce expenditure on labor costs,but also improve the reliability of system.Practice has proven that this project is feasible and has good results.

Key words：hydrostatic level measurement;capacitance array sensors;settlement observation

中图分类号：P258

文献标识码：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.013

文章编号:1674-7046(2016)01-0071-08

作者简介：刘湘锴(1990—)，男，福建上杭人，硕士研究生。通讯作者：吴能森(1964—)，男，福建福清人，博士，教授，博士生导师。

基金项目：福建农林大学高水平大学建设重点项目资助(113-612014018)；福建农林大学创新(培育)团队建设项目资助(Pytd12006)

收稿日期：2015-11-13