一種基于電容介質(zhì)變化的水準在線自動測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電子測量技術(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測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水準測量被廣泛應(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，就目前的水準測量技術(shù)手段而言，借助于水準儀等儀 器的人工測讀方式，因無法實現(xiàn)自動測量，在實時監(jiān)測領(lǐng)域已無法使用；采用全站儀自動測 量不僅測量范圍有限，成本高，且測量精度達不到要求；而用水準傳感器形式的自動測量方 法被雙青睞。
[0003] 現(xiàn)有的水準自動測量系統(tǒng)由靜力水準傳感器、水體及連通管Ξ部分組成，無法實 現(xiàn)自動補/放水。測量中的關(guān)鍵組件靜力水準傳感器目前主要基于W下原理：（一）利用浮 子隨水位變化通過機械機構(gòu)，驅(qū)動特定結(jié)構(gòu)的電容或位移敏感部件，來測量水位高度；運種 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳感器體積大，量程窄，對安裝基座要求高，不適用于建筑物頂部，或 高差大安裝部位，且機械機構(gòu)影響測量精度及反應(yīng)靈敏度。（二）利用超聲或激光回波反射 測量水面位置，來測量水位高度；傳感器體積大，量程大、精度低，環(huán)境溫度影響大。（Ξ)利 用壓力傳感器測量水位壓力，來測量水位高度；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，對液體有特殊要求。
[0004] 因現(xiàn)有靜力水準傳感器體積大，結(jié)構(gòu)及測量電路復(fù)雜，影響因素多，安裝麻煩，適 應(yīng)性差，量程小，精度低，無法解決傳感器測量精度與量程間的矛盾，水準測量系統(tǒng)無法自 動更換變質(zhì)水或補給水，對測量精度的影響無法在線自動標定，使用場合受到制約。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽〇化]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)變化的水準在線自動測量方法。第一，由水準傳感器，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)，無線/有線通訊構(gòu)成測量網(wǎng)絡(luò)，組成一個完整的水準自動在線測量系 統(tǒng)，在測量主機協(xié)調(diào)下實現(xiàn)對分布式安裝的各個水準傳感器同步測量。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)成一個測量桿，W筒體的導(dǎo)電材料作為電 極，間隙內(nèi)填充一種隨測量高程變化的液體作為介質(zhì)構(gòu)成一個測量桿電容器；由一個或若 干個測量桿電容器通過機械結(jié)構(gòu)上串聯(lián)對接、電路結(jié)構(gòu)上并聯(lián)方式連接構(gòu)成一個水準傳感 器；通過測量水準傳感器中各測量桿電容量經(jīng)換算獲取實際液位。第Ξ，相鄰測量桿間使用 串聯(lián)對接機械結(jié)構(gòu)、各測量桿電容器W并聯(lián)方式接入測量電路，通過若干個測量桿電容器 的組合，實現(xiàn)不損失測量精度的前提下，任意擴展水準傳感器的量程。第四，通過在水準傳 感器內(nèi)設(shè)定的位置感應(yīng)探頭及電磁閥實現(xiàn)水準傳感器在線自動標定及精度補償。第五，通 過一種具有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 水準傳感器中MCU測量電容放電時間的方法獲得測量桿電容器的電容量。
[0006] 一、水準測量工作原理簡述
[0007] 由水準傳感器、介質(zhì)、連通管實現(xiàn)水準測量的工作原理（如附圖1所示），將水準傳 感器固定在被測建筑物或大地指定位置，調(diào)節(jié)液體介質(zhì)使液面保持在水準傳感器量程內(nèi)某 位置處。當建筑物或大地的垂直位移發(fā)生變化時，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)將某一個傳感器作為參考基準點，設(shè)初始狀態(tài)時各測量點液面測量值為： 陽009] y。。，y〇i，y〇2,...，yoi，...，y〇n(i為測點編號），
[0010] 當各安裝點垂直位移發(fā)生變化時，各測點液面測量值為：
[0011] yjO,yjl，yj2,...，yji,...，y"(j為測J點第幾次測J量）
[0012] 則各測點液面位置變化為：
[0013] Ay扣，Δγ:ι，Ayj2,。。。，Δγ:ι，. . .，Δγ:〇η
[0014] Ayji=yji-y〇i
[0015] 由此可計算出各測量點相對于參考基準的高差為：
[0016] hji=(yji-yj- (yj(j-y〇〇)。 陽017] 二、本發(fā)明工作原理簡述
[0018] 由水準傳感器1，介質(zhì)2,連通管3,電磁閥4和測控主機5構(gòu)成一個完整的水準測 量系統(tǒng)（如附圖2所示）。電磁閥4至少具有兩個通道接口，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。水準傳感器1測量水平面液位 位置，并通過測控主機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實現(xiàn)水準傳感器在線自動標定及測量補償。
[0019] Ξ、本發(fā)明的水準傳感器結(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)成一個測量桿，W筒 體的導(dǎo)電材料作為電極，間隙內(nèi)填充一種隨測量高程變化的液體作為介質(zhì)構(gòu)成一個測量桿 電容器。由一個或若干個測量桿通過串聯(lián)對接方式的機械結(jié)構(gòu)、測量桿電容器并聯(lián)方式的 電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個水準傳感器（如附圖3所示）。
[0021] 一個水準傳感器可有一個或若干個測量桿組成，當使用一個W上測量桿時，水準 傳感器1的內(nèi)筒或外筒中至少應(yīng)有一個筒體是由若干個獨立的單個筒體組合而成的，相鄰 測量桿的單個筒體之間在機械上采用串聯(lián)對接方式連接，且對接處相互絕緣。因此，水準傳 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):各測量桿的內(nèi)筒、外筒在機械結(jié)構(gòu)上均為分開獨立的單體，每個 測量桿的內(nèi)筒與外筒作為該測量桿電容器的兩個獨立極板，其相鄰測量桿的內(nèi)筒對接處絕 緣，相鄰測量桿的外筒對接處也絕緣，相鄰測量桿的內(nèi)筒及外筒通過安裝扣串聯(lián)對接方式 構(gòu)成一個完整的水準傳感器。
[0023] 第二種（結(jié)構(gòu)2):各測量桿的外筒在機械結(jié)構(gòu)上是分開獨立的單體，但共用一個 整體的內(nèi)筒，內(nèi)筒長度大于或等于各測量桿外筒長度之和，每個測量桿的內(nèi)筒與外筒作為 該測量桿電容器的兩個獨立極板，其相鄰測量桿的外筒對接處必須絕緣，各測量桿的外筒 通過安裝扣串聯(lián)對接方式構(gòu)成一個完整的水準傳感器。
[0024] 第Ξ種（結(jié)構(gòu)3):各測量桿共用一個整體的外筒，但內(nèi)筒在機械結(jié)構(gòu)上是分開獨 立的單體，外筒長度大于或等于各測量桿內(nèi)筒長度之和，每個測量桿的外筒與內(nèi)筒作為該 測量桿電容器的兩個獨立極板，其相鄰測量桿的內(nèi)筒對接處必須絕緣，各測量桿的內(nèi)筒通 過安裝扣對接方式構(gòu)成一個完整的水準傳感器。
[0025] 為便于敘述，W下W水準傳感器1的結(jié)構(gòu)1形式中的測量桿A為研究對象進行討 論，其它測量桿的工作機理、機械結(jié)構(gòu)及電路結(jié)構(gòu)W此類推。
[0026] 測量桿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 組成測量桿A電容器的兩個極板，內(nèi)外筒之間的間隙形成儲液腔11-05,儲液腔11-05內(nèi)填 充隨高程變化的介質(zhì)2,由測量桿A的兩個極板及兩極板之間的介質(zhì)2構(gòu)成測量桿A電容器 Ca，介質(zhì)2 -般采用液體。
[0027] 當水準傳感器1測量桿的內(nèi)筒或外筒結(jié)構(gòu)由相互獨立分開的單體組合構(gòu)造時，相 鄰測量桿的筒體之間對接處必須用絕緣密封墊進行絕緣，如測量桿A與測量桿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，并通過機械對接的安裝扣連接，如測 量桿A與測量桿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 ;每個測量 桿形成一個獨立的電容器，所有測量桿電容器的極板采用電容器并聯(lián)方式接入測量電路。
[0028] 多個測量桿串聯(lián)對接安裝后可構(gòu)成一個滿足需要量程的水準傳感器，但各測量桿 電容器是相互獨立的。水準測量精度及量程只與本測量桿的幾何結(jié)構(gòu)，介質(zhì)2的特性等參 數(shù)相關(guān)，水準傳感器總測量精度與測量桿測量精度一致，總量程為所有測量桿量程之和，從 而很好地解決W往水準測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