CN104697608A - 基于激光位移传感器的观测井水位自动测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于激光位移传感器的观测井水位自动测量方法及装置，其特征在于：所述的装置包括激光位移传感器、固定支架、工控机、测量尺和测量容器，所述的测量容器包括测量容器本体和反射颗粒物，所述的测量容器本体为水位观测井或基坑水位井，激光位移传感器固定安装在水位观测井井口正上方的固定支架上，激光位移传感器通过通讯电缆与测量室中的工控机连接，所述测量方法的具体步骤为：1）激光位移传感器向漂浮在观测井水面上的反射颗粒物发射一束激光，根据发出激光时刻与检测到激光时刻的相位差测量水位，记下距离L；2）测量观测井的井口与激光位移传感器之间的距离E，将所述的距离L减去所述的距离E得到水位初始高度L1。

Description

基于激光位移传感器的观测井水位自动测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基坑、观测井的水位测量方法，特别是公开一种基于激光位移传感器的观测井水位自动测量方法及装置，应用于需要对地下水位进行监测的各工程。

背景技术

基坑、观测井水位在科学勘测中一直是一门比较重要的研究课程，在科学的发展史中，有过很多种的水位测量法，比如说：浮标测量法、超声波反射法，电容式水位测量法、电阻应变片的压力感应法等等。

浮标测量法是根据漂浮在液面上的浮子（也称浮标）受到水的浮力作用，随水位的变化而产生位移来进行液位测量的，水位上升时浮球向上浮；水位下降时，浮球向下浮。其缺点是安装复杂，测量精度低，不可靠，经常出现浮子卡死不动和传感器堵塞导致测不准；维护工作量大，安装、调试不便，采集到的仅是模拟告警信号，不能直接进入电厂计算机监控系统。

 电容式液位计：在容器内插入电极，当液位变化时，电极内部介质改变，电极间(或电极与容器壁之间)的电容也随之变化，该电容量的变化再转换成标准化的直流电信号。其精确度为±(0.5~1.5)%。缺点是被测液体的介电常数不稳定会引起较大的误差。

超声波反射法液位计的传感器由一对发射、接收换能器组成。发射换能器面对液面发射超声波脉冲，超声波脉冲从液面上反射回来，被接收换能器接收。根据发射至接收的时间可确定传感器与液面之间的距离，即可换算成液位。其精确度为±0.5%。这种液位计无机械可动部分，可靠性高，安装简单、方便，属于非接触测量，且不受液体的粘度、密度等影响，因此多用于药池、药罐、排泥水池等的液位测量。超声波反射法液位计目前所存在的缺点有一定的盲区，且价格较贵。

另外还有采用频率计法，但由于需要采用模拟电路和数字电路技术，需要硬件多，电路复杂，稳定性差，测试精度、可靠性、稳定性均不能满足野外工程的需要。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，设计一种基于激光位移传感器的观测井水位自动测量方法及装置，采用工控机和激光位移传感器进行水位测量，通过充分利用工控机的控制功能和内部硬件功能，大大减少了外围电路的设计，而且测试精度、可靠性、稳定性大大提高，能方便的实现对整个采集过程及控制过程的自动化处理。

本发明是这样实现的：一种基于激光位移传感器的观测井水位自动测量方法，所述的激光位移传感器安装在观测井上口中央的固定支架上，固定支架的一端固定在观测井上口边沿的地面上，观测井水面先洒上一层反射颗粒物，激光位移传感器的通讯电缆通向测量室中的工控机；所述测量方法的具体步骤如下：

1） 激光位移传感器向漂浮在观测井水面上的反射颗粒物发射一束激光，根据发出激光时刻与检测到激光时刻的相位差测量水位，记下距离L；

2） 采用测量尺测量观测井的井口与激光位移传感器之间的距离E，将所述的距离L减去所述的距离E得到水位初始高度L1；

所述的测量方法通过协议转换器将激光位移传感器采集的数字信号转换成电信号，接着通过GPRS模块发送至接收机，然后再发送至服务器后进行相关数据处理，实现对水位的智能监测；通过编制每次测试的地下水位高度和累计变化量成果表，绘制地下水位变化量曲线图，掌握地下水位变化情况，并对数据进行分析，实现综合判断周边环境及对被保护对象的影响。

一种基于激光位移传感器的观测井水位自动测量的装置，其特征在于：所述测量的装置包括激光位移传感器、固定支架、工控机、测量尺和测量容器，所述位移传感器的波长为850～905nm，所述的测量容器包括测量容器本体和反射颗粒物，所述反射颗粒物的粒径为0.3~1cm，反射率大于70%，所述的测量容器本体为水位观测井或基坑水位井，所述的激光位移传感器安装在水位观测井的井口正上方，固定在固定支架上，激光位移传感器通过通讯电缆与测量室中的工控机连接，安装时需保证固定支架的水平和垂直度。

所述的固定支架采用3mm厚度的不锈钢板制成，采用螺栓、螺母连接所述不锈钢板上的安装螺孔，所述的安装螺孔采用便于调节的腰圆孔。

所述测量的装置还设有设备护罩，所述的设备护罩安装在观测井的井口，将固定支架及安装在固定支架上的激光传感器全包覆，用于对激光传感器的防护，其外形如小屋状，并设有带锁的门。

所述测量的装置的自动测量过程需要对整个装置的数据采集过程及控制过程中的数据进行传输和处理，所以还设有将激光位移传感器采集的数字信号转换成电信号的协议转换器、发送电信号的GPRS模块和接受电信号的接收机及进行数据处理的服务器。

本发明的有益效果是：

1、可直接采用市售的激光位移传感器，无需特别设计，且安装方便，节省投资及设备成本；

2、能够直接测量水位，将测得的相位差测量水位（即距离L）减去观测井的井口与激光传感器相对管口标高（即距离E）即得水位初始高度L1，每次测得的水位高度与初始水位高度的差即为本次测量的水位变化量；

3、本发明的水位测量精度可高达±1mm。

附图说明

图1  是本发明的固定支架侧视结构示意图。

图2  是本发明的设备护罩结构示意图。

图3  是本发明水位测量工程安装结构示意图。

图中：1、激光传感器； 2、激光； 3、水位观测井； 4、反射颗粒物； 5、固定支架； 6、截断处； 7、锁孔； 8、螺孔。

具体实施方式

根据附图1～3，本发明基于激光位移传感器的观测井水位自动测量的装置包括激光位移传感器1、固定支架5、工控机、测量尺和测量容器。位移传感器的波长为850～905nm，测量容器包括测量容器本体和反射颗粒物4，反射颗粒物4的粒径为0.3~1cm，反射率大于70%.测量容器本体为水位观测井或基坑水位井。激光位移传感器1安装在水位观测井3的井口正上方，固定在固定支架5上，激光位移传感器1通过通讯电缆与测量室中的工控机连接，安装时需保证固定支架5的水平和垂直度。

本发明装置的自动测量过程需要对整个装置的数据采集过程及控制过程中的数据进行传输和处理，所以还设有将激光位移传感器采集的数字信号转换成电信号的协议转换器、发送电信号的GPRS模块和接受电信号的接收机及进行数据处理的服务器。

本发明装置的测量方法的具体步骤如下：

1） 激光位移传感器1向漂浮在观测井水面上的反射颗粒物4发射一束激光，根据发出激光时刻与检测到激光时刻的相位差测量水位，记下距离L；

2） 测量水位观测井3的井口与激光位移传感器1之间的距离E，将所述的距离L减去所述的距离E得到水位初始高度L1。

本发明测量方法先通过协议转换器将激光位移传感器1采集的数字信号转换成电信号，接着通过GPRS模块发送至接收机，然后再发送至服务器后进行相关数据处理，实现对水位的智能监测。本发明还通过编制每次测试的地下水位高度和累计变化量成果表，绘制地下水位变化量曲线图，掌握地下水位变化情况，并对数据进行分析，实现综合判断周边环境及对被保护对象的影响。

实施例：

本发明装置的安装：

1、固定支架5通过膨胀螺丝固定在水位观测井3的井边上，并通过膨胀螺丝的固定高度来调节固定支架5的水平度，为方便激光位移传感器1的安装及保证测量精度，安装时还需注意固定支架与水位观测井3的水面的垂直度；

2、激光位移传感器1的安装需垫弹力弹簧垫片来调节，保证其跟水位观测井3的水面的垂直度，以进一步提高测量精度，然后再在水位观测井的水面上洒下反射颗粒物。

3、激光位移传感器1安装好后把数据线连接到测量中心的工控机，就可投入工作，测量数据通过数据处理中心的服务器进行相关数据处理。

本发明装置的自动测量方法包括如下步骤：

1、激光位移传感器1向漂浮在水位观测井3的水面上的反射颗粒物发射一束激光2，测量到水位的读数Q，根据发出激光时刻与检测到激光时刻的相位差测量水位，获得距离L；

2、数据处理中心服务器将本次测量获得的距离L与测量尺测得的水位观测井3的井口和激光位移传感器1的距离E相减，得初始水位高度L1。

3、数据处理中心服务器根据测得的L1及后续每次测得的数据处理编制地下水位高度和累计变化量成果表，并绘制地下水位变化量曲线图。

根据附图1，本发明装置的固定支架5充分利用三角形的稳定性，使得整个固定支架5长期在恶劣环境中使用也可以不形变、锈蚀。固定支架5总体由5块3mm厚度的不锈钢板组成，且转弯处的两块钢板可调节吊臂长度在130mm～200mm活动。固定支架5采用螺栓、螺母连接不锈钢板上的安装螺孔，安装螺孔采用便于调节的腰圆孔。固定激光位移传感器1的地方采用强力弹簧加垫片来调节激光位移传感器1与水位观测井3的水面的垂直度，保证误差范围<0.5mm。

根据附图2，考虑到防雨、防尘、通风等本发明装置设有设备护罩，设备护罩通过设于其箱体四周的螺孔8固定安装在水位观测井3的井口，将固定支架5及安装在固定支架5上的激光传感器1全包覆住，用于对激光传感器的防护，其外形如小屋状，并设有带锁的门。设备护罩安装方便，采用不锈钢材质，使用寿命长。

本发明通过激光位移传感器向漂浮在观测井水面上的反射颗粒物发射一束激光，根据发出激光时刻与检测到激光时刻的相位差测量水位是一种非接触式测量水位的方法，但其不会像超声波传感器那样有很大的发散角（以GLS-B40激光位移传感器为例，在距离反射物10m～30m时，映射在光靶上的光斑直径小于18mm）。这种测量水位方法的优点是测量精度高（10m～30m范围内测量误差小于3mm，最高达1.5mm），而且测量精度不受水质和环境温度的影响。

水位观测井的井口标高减水位深度即得水位高度，每次测得水位高度与初始水位高度的差即为水位累计变化量。

Claims (5)

1.一种基于激光位移传感器的观测井水位自动测量方法，所述的激光位移传感器安装在观测井上口中央的固定支架上，固定支架的一端固定在观测井上口边沿的地面上，观测井水面先洒上一层反射颗粒物，激光位移传感器的通讯电缆通向测量室中的工控机；所述测量方法的具体步骤如下：

1） 激光位移传感器向漂浮在观测井水面上的反射颗粒物发射一束激光，根据发出激光时刻与检测到激光时刻的相位差测量水位，记下距离L；

2） 采用测量尺测量观测井的井口与激光位移传感器之间的距离E，将所述的距离L减去所述的距离E得到水位初始高度L1；

所述的测量方法通过协议转换器将激光位移传感器采集的数字信号转换成电信号，接着通过GPRS模块发送至接收机，然后再发送至服务器后进行相关数据处理，实现对水位的智能监测；通过编制每次测试的地下水位高度和累计变化量成果表，绘制地下水位变化量曲线图，掌握地下水位变化情况，并对数据进行分析，实现综合判断周边环境及对被保护对象的影响。

2.一种权利要求 1 所述的基于激光位移传感器的观测井水位自动测量方法使用的装置，其特征在于：所述测量的装置包括激光位移传感器、固定支架、工控机、测量尺和测量容器，所述位移传感器的波长为850～905nm，所述的测量容器包括测量容器本体和反射颗粒物，所述反射颗粒物的粒径为0.3~1cm，反射率大于70%，所述的测量容器本体为水位观测井或基坑水位井，所述的激光位移传感器安装在水位观测井的井口正上方，固定在固定支架上，激光位移传感器通过通讯电缆与测量室中的工控机连接，安装时需保证固定支架的水平和垂直度。

3.根据权利要求 2 所述的基于激光位移传感器的观测井水位自动测量的装置，其特征在于：所述的固定支架采用3mm厚度的不锈钢板制成，采用螺栓、螺母连接所述不锈钢板上的安装螺孔，所述的安装螺孔采用便于调节的腰圆孔。

4.根据权利要求 2 所述的基于激光位移传感器的观测井水位自动测量的装置，其特征在于：所述测量的装置还设有设备护罩，所述的设备护罩安装在观测井的井口，将固定支架及安装在固定支架上的激光传感器全包覆，用于对激光传感器的防护，其外形如小屋状，并设有带锁的门。

5.根据权利要求 2 所述的基于激光位移传感器的观测井水位自动测量的装置，其特征在于：所述测量的装置的自动测量过程需要对整个装置的数据采集过程及控制过程中的数据进行传输和处理，所以还设有将激光位移传感器采集的数字信号转换成电信号的协议转换器、发送电信号的GPRS模块和接受电信号的接收机及进行数据处理的服务器。