CN103308032A - 基于圆形弹性金属膜片的大量程水压式沉降观测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆形弹性金属膜片的大量程水压式沉降观测仪，涉及大地沉降观测仪。本发明是：探头（30）通过软塑水管（20）和软塑气管（60）与贮水罐（10）相连，又通过信号电缆（40）与数据采集仪（50）相连；所述的探头（30）包括盖板（3A）、外壳（3B）、通水孔（3C）、圆形弹性金属膜片（3D）、位移传感器（3E）、通气孔（3F）和通线孔（3G）。本观测仪的关键元件采用新型结构的圆形弹性金属膜片，从而具有大的线性测量范围、高测量精度和性能长期稳定等特点；本观测仪可进行多测点的沉降观测，其差动性能可滤除诸如温度、水蒸发等外界共同干扰因素，从而提高观测精度。

Description

基于圆形弹性金属膜片的大量程水压式沉降观测仪

技术领域

    本发明涉及大地沉降观测仪，尤其涉及一种基于圆形弹性金属膜片的大量程水压式沉降观测仪。

背景技术

目前对大地沉降观测有多种方法和手段，现有的几类常规沉降观测仪器的观测量及主要技术指标列表如下：

[0001]	[0002] 大地水准仪	[0003] 静力水准仪	[0004] 压力式沉降仪
				[0005] 观测对象	[0006]   大地地表横向两点间的相对沉降	[0007]   大地地表横向两点间的相对沉降	[0008]   大地地表及浅层纵、横向两点间的相对沉降
[0009] 测点高差	[0010] 2m	[0011] 10mm	[0012] 2m
				[0013] 测量精度	[0014] 0.1mm	[0015] 0.001mm	[0016] 1mm
[0017] 量程	[0018] 100mm	[0019] 50mm	[0020] 2m
				[0021] 测量方式	[0022]   现埸人工观测读数记录	[0023]   现埸自动观测记录	[0024]   现埸自动观测记录
[0025] 数据传输距离	[0026]   无	[0027]   可配接数据传输器远距离传输	[0028]   可配接数据传输器远距离传输

由上表可知：

大地水准仪具有较高的测量精度，但量程较小，且只能进行人工观测；

静力水准仪能实现自动观测，具有很高的测量精度，但量程过小，且对测点间的高差要求很高；

压力式沉降仪能实现自动观测，虽测量精度较低，但量程较大，且测点间的高差范围较大，适应于地上及地下浅层纵、横向两点间的相对沉降观测。

以现有的两种压力式沉降仪为例，其探头的基本结构参见图1。

A型探头的结构是容器的上方为一圆形平板式弹性金属片，在金属片上方中心部位固定应变片。水压力作用于弹性金属片的中心部位，使其产生微小位移变形从而导致应变的变化，用应变传感器检测此微小变形并转换为水压力的变化。

B型探头的结构是容器的上方为一软塑波纹管，水压力作用于波纹管顶部，使其产生微小位移，用位移传感器检测此微小位移并转换为的水压力变化。

其缺点和不足是：

A型探头的压力敏感元件为圆形平板式弹性金属片，虽有较好的长期稳定性，但其压力敏感度和线性度较差，很难保证高精度和大的测量范围；B型探头的压力敏感元件为软塑波纹管，测量精度较低、量程较小，且受限于材质的不稳定性，很难保证其观测值的长期稳定性。

综上所述，现有的两种压力式沉降仪很难保证同时具备高精度、大量程、线性度好、长期稳定性好的特性。

现有的一种压力式沉降仪，其基本原理图参见图2。

开放式容器A和封闭式容器B之间用水管连通且注满水，封闭式容器B上部为软塑波纹管。水压力作用于波纹管顶部，使其产生变形微小位移。

设容器A所处位置为基准点A，容器B所处位置为测点B，容器A水面与容器B水面的高差为h，高差变化量为△h，

当测点B相对于基准点A有高差变化△h时，容器B中的波纹管顶部C所承受到水压力相应变化，并由此产生微小位移，通过位移传感器测量该微小位移并转换为高差变化量为△h。

其缺点和不足是：

测量精度较低、量程较小，尤其是限于软塑波纹管材质的不稳定性，很难保证其观测值的长期稳定性。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于圆形弹性金属膜片的大量程水压式沉降观测仪（简称观测仪），要求测量精度为0.1mm，量程为6m，测量方式为自动。

经实测，本发明的样机可满定以上性能要求。

本发明的目的是这样实现的：

本观测仪包括贮水罐、软塑水管、探头、信号电缆、数据采集仪和软塑气管组成；

探头通过软塑水管和软塑气管与贮水罐相连，又通过信号电缆与数据采集仪相连。

所述的探头包括盖板、外壳、通水孔、圆形弹性金属膜片、位移传感器、通气孔和通线孔；

在圆柱形的外壳中，以圆形弹性金属膜片为界，下部为水腔，上部为气腔；

水腔通过通水孔与软塑水管相连，气腔通过通气孔与软塑气管相连；

圆形弹性金属膜片的下面与水腔的上部密封连接，圆形弹性金属膜片的上面圆心部位连接位移传感器；

位移传感器3E通过信号电缆穿过通线孔3G与数据采集仪相连；

盖板盖在外壳的开口面上；

所述的圆形弹性金属膜片呈圆形波纹状。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、本观测仪的关键元件采用新型结构的圆形弹性金属膜片，从而具有大的线性测量范围、高测量精度和性能长期稳定等特点。

2、本观测仪可进行多测点的沉降观测，其差动性能可滤除诸如温度、水蒸发等外界共同干扰因素，从而提高观测精度。

该性能特别适宜于不平整地面的沉降观测，也特别适合于地下浅层土体的沉降观测。

3、本观测仪由于输出为电信号，故可采用数据采集仪进行自动记录方式进行测量，其测量数据亦便于进行远程传输。

4、本观测仪的探头稍加改装即可用于水位观测。

附图说明

图1是现有的两种水压式沉降仪探头的原理结构图；

图2是现有的一种水压式沉降仪结构示意图；

图3是本观测仪的结构方框图；

图4是本观测仪的探头的结构示意图；

图5是圆形弹性金属膜片的结构示意图；

图6是数据采集仪的结构方框图；

图7是本观测仪多探头的结构示意图。

图中：

10—贮水罐；

20—软塑水管；

30—探头， 31—第1探头，32—第2探头，33—第3探头…3N—第N探头；

  3A—盖板，3B—外壳，3C—通水孔，3D—圆形弹性金属膜片， 

3E—位移传感器，3F—通气孔，3G—通线孔；

40—信号电缆；

50—数据采集仪；

51—多路模拟开关，  52—A/D转换器， 53—CPU中央处理器，

54—液晶数据显示器，55—数据存贮器，56—数据传输接口，

57—直流电源；

60—软塑气管；

70—数据传输器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、总体

如图4，本观测仪包括贮水罐10、软塑水管20、探头30、信号电缆40、数据采集仪50和软塑气管60组成；

探头30通过软塑水管20和软塑气管60与贮水罐10相连，又通过信号电缆40与数据采集仪50相连。

二、功能部件

1、贮水罐10

贮水罐10是一种开口的盛水容器。

2、软塑水管20

软塑水管20是一种通用水管。

3、探头30

如图4，探头30包括盖板3A、外壳3B、通水孔3C、圆形弹性金属膜片3D、位移传感器3E、通气孔3F和通线孔3G；

在圆柱形的外壳3B中，以圆形弹性金属膜片3D为界，下部为水腔，上部为气腔；

水腔通过通水孔3C与软塑水管20相连，气腔通过通气孔3F与软塑气管20相连；

圆形弹性金属膜片3D的下面与水腔的上部密封连接，圆形弹性金属膜片3D的上面圆心部位连接位移传感器3E；

位移传感器3E通过信号电缆40穿过通线孔3G与数据采集仪50相连；

盖板3A盖在外壳3B的开口面上。

如图5，圆形弹性金属膜片3D呈圆形波纹状。

具体尺寸是：从内向外，直径依次为10mm、20mm、40mm和60mm，波纹半径为10mm。

由于圆形弹性金属膜片3D采用圆形波纹状的结构设计，使其对于水压力具有更高的敏感度，其优良的线性度使测量具备更高的灵敏度和更大的测量范围。

4、信号电缆40

信号电缆40是一种通用电缆。

5、数据采集仪50

数据采集仪50是一种通用的数据采集设备，其原理框图如图6所示。

数据采集仪50由多路模拟开关51、A/D转换器52、CPU中央处理器53、液晶数据显示器54、数据存贮器55、数据传输接口56和直流电源57组成；

探头30、多路模拟开关51、A/D转换器52、CPU中央处理器53依次连接，CPU中央处理器53又分别与液晶数据显示器54、数据存贮器55和数据传输接口56连接。

其工作机理是：

多个沉降仪的探头30输出进入多路模拟开关51后，按设定时间分时进行模数转换，其数据存入数据存贮器55并经数据传输接囗56进行远距离传输；

其数据也可在现场通过液晶数据显示器54人工读取。

数据采集仪50内12V直流电源57为探头30供电。

下列功能部件的功能是：

1）多路模拟开关51

多路电子模拟开关经CPU中央处理器分时控制其通断后，多路模拟电压输出信号依次与A/D转换器接通。

2）A/D转换器52

将模拟电压输出信号进行模数转换后转变为数字信号存入数据存贮器。

3）CPU中央处理器53

CPU中央处理器是一种16位中央处理器，负责信号的转换、显示、存贮及提供传输接口。

4）液晶数据显示器54

实时显示采集的数据。

5）数据存贮器55

存贮采集的数据，具有2Mb以上的容量。

6）数据传输接囗56

数据传输接囗与外接数据传输器70连接后，存贮数据可进行远距离传输。

7）直流电源57

容量为1A的12V直流电源。

6、软塑气管60

软塑气管60是一种通用气管。

三、工作基理

在贮水罐10中下部、软塑水管20中及探头30的水腔中充满水；探头30的上部气腔与贮水罐10上部通过软塑气管连通后，气压相等，从而不影响圆形弹性金属膜片3D的对水压的正常反应；贮水罐10的水压将使探头30中的圆形弹性金属膜片3D中心部位产生微小位移，采用位移传感器3E检测该微小位移量，即位移传感器3E输出信号的变化量表征了探头30与贮水罐10之间高差的相对位移变化量。数据采集仪50通过信号电缆40为位移传感器3E供电并自动记录输出信号。

以贮水罐10所处点位为基准点，探头30所处点位为测量点；当探头30所处点位相对于贮水罐10所处点位有高差变化时，则探头30中位移传感器3E的输出信号将产生相应的变化，输出信号变化值即为高差变化值。

当多个探头30与一个贮水罐10相连时，则可测量多个测点相对于某一基准测点之间的高差变化量。

采用圆形弹性金属膜片作为压力敏感元件，具有良好的稳定性；其波纹状结构使其更具有高的压力敏感度和大的线性测量范围。

四、应用

1、用于测量两点间的高差位移变化

如图2、图3，以贮水罐10所处点位为基准点A，探头30所处点位为测量点B；当测量点B相对于基准点A有升降位移变化时，则探头30中位移传感器35的输出信号将产生相对应的变化，输出信号变化值即为升降位移变化值。

2.用于测量多点间的高差位移变化

如图7，实际应用中常将多个探头30与一个贮水罐10相连，即第1、2、3……N探头31、32、33……3N分别与贮水罐10连接，则有：

第2、3……N探头与第1探头的输出信号差值的变化量即为N个测点与第1测点之间的沉降位移变化量。

设第1、2、3……N探头的初始输出值分别为V1、V2、V3……VN，

设第1、2、3……N探头的变化输出值分别为V1’、V2’、V3’……VN’

则第2探头相对于第1探头的高差值△h=(V2’-V2)-(V1’-V1)

则第3探头相对于第1探头的高差值△h=(V3’-V3)-(V1’-V1) 

……

则第N探头相对于第1探头的高差值△h=(VN’-VN)-(V1’-V1)。 

由于输出信号相减，此为差动方式，故可滤除诸如温度、水蒸发等外界共同干扰因素，从而提高观测精度。

Claims (2)

1.一种基于圆形弹性金属膜片的大量程水压式沉降观测仪，其特征在于：

包括贮水罐（10）、软塑水管（20）、探头（30）、信号电缆（40）、数据采集仪（50）和软塑气管（60）；

探头（30）通过软塑水管（20）和软塑气管（60）与贮水罐（10）相连，又通过信号电缆（40）与数据采集仪（50）相连；

所述的探头（30）包括盖板（3A）、外壳（3B）、通水孔（3C）、圆形弹性金属膜片（3D）、位移传感器（3E）、通气孔（3F）和通线孔（3G）；

在圆柱形的外壳（32）中，以圆形弹性金属魔片（3D）为界，下部为水腔，上部为气腔；

水腔通过通水孔（3C）与软塑水管（20）相连，气腔通过通气孔（3F）与软塑气管（20）相连；

圆形弹性金属膜片（3D）的下面与水腔的上部密封连接，圆形弹性金属膜片（3D）的上面圆心部位连接位移传感器（3E）；

位移传感器（3E）通过信号电缆（40）穿过通线孔（3G）与数据采集仪（50）相连；

盖板（3A）盖在外壳（3B）的开口面上；

所述的圆形弹性金属膜片（3D）呈圆形波纹状。

2. 按权利要求1所述的大量程水压式沉降观测仪，其特征在于：

多个探头（30）与一个贮水罐（10）相连，即第1、2、3……N探头（31、32、33……3N）分别与贮水罐（10）连接，用于测量多点间的高差位移变化。

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