CN105651248A - 陶瓷式液压静力水准仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷式液压静力水准仪，属于一种竖向垂直位移观测仪器。其特征在于所述液压盒侧面底部设一进液孔，进液孔通过螺纹快速接头连接外部液体连通管；所述液压盒侧面上部设一气压平衡孔，气压平衡孔通过螺纹快速接头连接外部气压平衡管；所述液压盒顶部设有一排气孔，排气孔的孔口装有针阀；所述测压盒设在液压盒底部，陶瓷电容压力传感器固定于测压盒中央。本发明由于应用了液体的连通管原理，采用测量压强计算液体深度的方法，使得静力水准仪的体积小，量程大，精度高；排气孔设于液压盒锥形顶部，便于盒内气体排出，陶瓷压力传感器设于液压盒底部，即使静力水准仪倾斜也不会影响测量结果，因此对放置地点的地形要求低，适用范围广。

Description

陶瓷式液压静力水准仪

技术领域

本发明涉及一种陶瓷式液压静力水准仪。

背景技术

静力水准仪系统是测量两点或多点间相对高程差的精密仪器，主要用于大型建筑工程，包括大坝、发电站、高层建筑、基坑、桥梁、铁路等多点垂直位移的监控与测量。

传统的静力水准仪采用了浮子控制电极位置来测量液压盒内水位变化的方法，其安装须在精确平整的平面固定，本身高度也至少为量程的两倍，体积较大，对环境、场地要求较高，适用范围较窄。于是发展出通过测量液压盒内液体对盒底的压强来计算液面高度的方法，形成液压式静力水准仪，对环境场地要求相对较低，精度较高，仪器体积也比传统静力水准仪要小。然而在测量液压时多采用合金材料或硅材料制造的电阻应变片用有机胶粘结在膜片上构成压力传感器，或用制备惠斯登电桥的硅扩散片制造压阻式压力传感器。这两种压力传感器灵敏度高，但是线性、重复性不好，滞后、蠕变明显，反应速度慢，抗腐蚀抗过载抗冲击能力差，测量范围小，其精确度仍然难有保障。并且装置结构复杂，导致操作繁琐。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种陶瓷式液压静力水准仪的技术方案。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其主体由液压盒与测压盒构成，其特征在于所述液压盒侧面底部设一进液孔，进液孔通过螺纹快速接头连接外部液体连通管；所述液压盒侧面上部设一气压平衡孔，气压平衡孔通过螺纹快速接头连接外部气压平衡管；所述液压盒顶部设有一排气孔，排气孔的孔口装有针阀；所述测压盒设在液压盒底部，陶瓷电容压力传感器固定于测压盒中央且陶瓷电容压力传感器与液压盒内的液体接触。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述液压盒的下半部外形为圆柱体，液压盒的上半部外形为圆锥体，圆柱体与圆锥体内接联通构成液压盒主体。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述进液孔和气压平衡孔均设置在所述圆柱体上，进液孔与螺纹快速接头之间和气压平衡孔与螺纹快速接头之间均设置针阀；所述排气孔设置在所述圆锥体的顶部。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述陶瓷电容压力传感器与测压盒固定处设有卡槽，卡槽内嵌接设置密封圈。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述陶瓷电容压力传感器主要由陶瓷基座和陶瓷膜片构成，陶瓷膜片直接与液压盒内液体接触，陶瓷基座固定与测压盒底部。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述陶瓷基座上方设有同轴的导电层作为双电极，陶瓷膜片下方设置的导电层构成单电极，单电极与双电极相向设置构成同轴的双电容。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述单电极与双电极的表面均设置有防止电极触碰而短路的二氧化硅绝缘膜。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述陶瓷基座与陶瓷膜片之间设置陶瓷垫圈形成空气介质腔，陶瓷基座、陶瓷膜片与陶瓷垫圈之间通过接封玻璃层进行接封，并在陶瓷基座上设有保证空气介质腔内气压等同于大气压的通气孔。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述测压盒内置集成电路与厚膜电路，经电极引线孔连接单电极与双电极，将压力变化信号转换成电信号，并通过设置在测压盒侧壁的通信孔内的通信电缆将信号传输到控制系统。

所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述液压盒与测压盒外壳材质均为铝镁合金。

本发明的有益效果在于：应用液体的连通管原理，将高程测量转化为对液体压力的测量，使得静力水准仪的体积小，量程大，精度高；排气孔设于液压盒锥形顶部，便于盒内气体排出，陶瓷压力传感器设于液压盒底部，即使静力水准仪倾斜也不会影响测量结果，因此对测量环境要求低，适用范围广；陶瓷电容压力传感器充分利用了陶瓷材料的刚性、无力学滞后的特点，提高了液压静力水准仪的综合精度及稳定性，抗干扰能力强，抗过载能力强，耐腐蚀、耐久性强，温度漂移小，重复利用性强，能够满足工程测量对高精度、简洁化、微型化的需求。

附图说明

图1为本发明实施例1中的陶瓷电容式液压静力水准仪内部结构图；

图2为本发明实施例1中整个测量系统的示意图；

图3为本发明实施例1中陶瓷电容压力传感器的结构详图；

图4为图3中粘于陶瓷基座的双电极俯视图；

图5为图3中粘于陶瓷膜片的单电极俯视图；

图中：1：液压盒，2：测压盒，3：陶瓷电容压力传感器，4：进液孔，5：气压平衡孔，6：排气孔，7：通信孔，8：针阀，9：螺纹快速接头，10：液体连通管，11：气压平衡管，12：通信电缆，13：储液罐，14：陶瓷膜片，15：陶瓷基座，16：单电极，17：双电极，18：二氧化硅绝缘膜，19：陶瓷垫圈，20：接封玻璃层，21：通气孔，22：电极引线孔，23：密封圈，24：电路模块。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明：

一种陶瓷式液压静力水准仪，其主体由液压盒1与测压盒2构成，液压盒的下半部外形为圆柱体，液压盒的上半部外形为圆锥体，圆柱体与圆锥体内接联通构成液压盒主体。液压盒侧面底部设一进液孔4，进液孔通过螺纹快速接头9连接外部液体连通管10；液压盒侧面上部设一气压平衡孔5，气压平衡孔5通过螺纹快速接头9连接外部气压平衡管11；液压盒顶部设有一排气孔6，排气孔的孔口装有针阀8；测压盒2设在液压盒1底部，压力传感器固定于测压盒中央，与测压盒之间设置密封圈23，传感器为干式陶瓷电容压力传感器3，陶瓷电容压力传感器3设有通气孔21和电极引线孔22，置于测压盒内的厚模电路连接电极（单电极与双电极），将压力变化转化为电信号，并通过测压盒侧部通信孔7内的通信电缆12将信号传到控制系统。

较佳地，进液孔和气压平衡孔均设置在圆柱体上，进液孔与螺纹快速接头之间和气压平衡孔与螺纹快速接头之间均设置针阀；排气孔设置在圆锥体的顶部。

较佳地，本发明的水准仪仅由液压盒与测压盒两部分构成主体，外壳材料为铝镁合金，样式简洁轻便，便于安装放置。

较佳地，利用该水准仪的测量系统由水准仪、储液罐13、液体连通管10、气压平衡管11和通信控制系统组成，利用了连通管原理，液压系统中只有储液罐与气压平衡管口连通大气，其余部位皆是密封的。因此测量时只需要保证处在最高位置的水准仪内有液体，即储液罐内液体表面高于所有水准仪，气压平衡管口须高于储液罐液体表面。以其中一个水准仪为高程参考标准，即能得到每个水准仪的相对高程。因为只需测定相对高程，对同一个工程在不同次测量时，无需液体表面等高，操作极其简易方便。

较佳地，液压盒侧面底部设有一个进液孔，液压盒侧面上部设有一个气压平衡孔。根据连通管原理，液压盒只需要一个进水口就可以完成进水排水的工作了。另外，为保证测量系统中各静力水准仪内液体表面的气压相同，在液压盒侧面上部设接口连通气压平衡管，在进水时也能够方便地排出液压盒内的空气，在水准仪低于储液罐内液体表面时，液体也会被压入气压平衡管，此时气压平衡管中液面高度与储液罐内相平。

较佳地，该液压盒采用了锥形顶设计，顶部设有排气孔并装有针阀，使得盒内液面升高时，即使水准仪倾斜，空气能也能够顺利排出而不会有余留。并且，当测量完毕收起仪器时，打开排气阀，倒置水准仪也能轻易地将液体排出液压盒，方便携带转移。

较佳地，该液压盒接液体连通管处设计为螺纹快速接头，强度高，延性好，连接快捷。在接头处设有针阀，方便控制液压盒中气液的流通，并在闲置时保证水准仪内部的封闭性，没有异物进入液压盒。

较佳地，该测压盒应用了陶瓷电容压力传感器3，陶瓷材料在酸碱环境中皆能长期工作不受影响。并且，陶瓷属于刚性材料，以电容替代用有机胶粘结在膜片上的应变片或扩散片，受压发生形变时没有金属材料的滞后和蠕变性。在单电极和双电极上覆盖二氧化硅绝缘膜18，使传感器受到强大压力膜片发生较大变形时，正负电极也不会接触短路，传感器不易被破坏，故其抗过载能力强、耐久性强。

较佳地，该陶瓷电容压力传感器的陶瓷膜片14与陶瓷基座15用陶瓷垫圈19分隔，并用玻璃参入晶合剂和有机粘合剂来粘合接封（接封玻璃层20），使接封处强度较高，受压后蠕变小，介质腔稳定，从而保障了测量的准确性。

较佳地，该陶瓷电容压力传感器中的电容采用空气介质，由于空气的介电常数随温度变化极小，在气温变化时电容量变化可忽略不计，所以此传感器温度漂移小。在陶瓷基座上设有通气孔21，使陶瓷膜片下方的气压等于大气压，使测量到的压力仅由液体产生，确保测量数据准确。

较佳地，该陶瓷电容压力传感器在陶瓷基座15上设计为同轴的双电极17，对应陶瓷膜片14上的单电极16形成双电容。因陶瓷膜片受压变形时，中心形变大，四周形变小，电容量与所受压力有一定的非线性，可将外环电容与中心电容的非线性程度大幅抵消，减少了传感器受力与电压比的非线性，提高了测量准确度。

较佳地，该测压盒内应用电路模块（包括信号处理电路、集成电路和厚膜电路），将电容信号转变为直流电压信号，并进行线性修正与温度补偿，经由通信电缆将信号输入通信控制系统。

较佳地，该测量系统具有统筹的通信控制系统，所有静力水准仪都将信号汇总至此，各台水准仪内电压信号的变化经系统计算可直接得到液压盒底部到液面的距离，由此可得各观测点间的高程差。保持系统的运转，还可以实现持续观测功能，当某台水准仪的高程变化大于设定值时自动发出警示。因此整套测量系统的操作十分简便。

实施例1

图1所示一种陶瓷液压静力水准仪，利用该水准仪来测量两点或多点间相对高程差的测量系统包括水准仪、储液罐、液体连通管、气压平衡管和通信控制系统。

测量时，首先确认一个参考高程基准点与若干需要测量竖直位移点，在每个点上都固定一台陶瓷式液压静力水准仪，锥顶的液压盒1在上，测压盒2在下。

打开各水准仪的进液孔4阀门，将一段液体连通管10的一端用螺纹快速接头9接在进液孔4接头处，另一端用三相接头连接到液体连通总管，总管连接于储液罐13，连接完成后管道内保证密封。

打开各水准仪的气压平衡孔5阀门，将一段气压平衡管11的一端用螺纹快速接头9接在气压平衡孔5接头处，另一端用三相接头连接到气压平衡总管，连接完成后管道内保证密封。

用通信电缆12将各水准仪的通信电路接口接于控制系统。

气温高于冰点时，在储液罐13内加入水即可，水平面高于最高的一台水准仪，并保证气压平衡总管开口高于水平面。

打开各水准仪的排气孔6阀门，直到溢出液体后关闭，此时已排除液压盒内的空气。

由于各点高程不同，故各水准仪所陶瓷压力传感器3测到的压力也有不同，经传感器和电路模块24将压力信号转化为电信号，经通信电缆传输到通信控制系统，直观可见被测量的各点相对于基准点的初始高程差。

设定临界值，当某点相对基准点高程变化大于此值时，系统会自动发出信号告知，管理人员可立即作出反应，由此可做持续性监测，十分简便。

本发明由于应用了液体的连通管原理，采用测量压强计算液体深度的方法，使得静力水准仪的体积小，量程大，精度高；排气孔设于液压盒锥形顶部，便于盒内气体排出，陶瓷压力传感器设于液压盒底部，即使静力水准仪倾斜也不会影响测量结果，因此对放置地点的地形要求低，适用范围广；并且陶瓷电容压力传感器充分利用了陶瓷材料的刚性、无力学滞后的特点，提高了液压静力水准仪的综合精度及稳定性，抗干扰能力强，抗过载能力强，耐腐蚀、耐久性强，温度漂移小，重复利用性强，能够满足工程测量对高精度、简洁化、微型化的需求。本发明结构简单，方便实用，精确稳定。

Claims (10)

1.陶瓷式液压静力水准仪，其主体由液压盒与测压盒构成，其特征在于所述液压盒侧面底部设一进液孔，进液孔通过螺纹快速接头连接外部液体连通管；所述液压盒侧面上部设一气压平衡孔，气压平衡孔通过螺纹快速接头连接外部气压平衡管；所述液压盒顶部设有一排气孔，排气孔的孔口装有针阀；所述测压盒设在液压盒底部，陶瓷电容压力传感器固定于测压盒中央且陶瓷电容压力传感器与液压盒内的液体接触。

2.根据权利要求1所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述液压盒的下半部外形为圆柱体，液压盒的上半部外形为圆锥体，圆柱体与圆锥体内接联通构成液压盒主体。

3.根据权利要求2所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述进液孔和气压平衡孔均设置在所述圆柱体上，进液孔与螺纹快速接头之间和气压平衡孔与螺纹快速接头之间均设置针阀；所述排气孔设置在所述圆锥体的顶部。

4.根据权利要求1所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述陶瓷电容压力传感器与测压盒固定处设有卡槽，卡槽内嵌接设置密封圈。

5.根据权利要求1所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述陶瓷电容压力传感器主要由陶瓷基座和陶瓷膜片构成，陶瓷膜片直接与液压盒内液体接触，陶瓷基座固定与测压盒底部。

6.根据权利要求5所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述陶瓷基座上方设有同轴的导电层作为双电极，陶瓷膜片下方设置的导电层构成单电极，单电极与双电极相向设置构成同轴的双电容。

7.根据权利要求6所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述单电极与双电极的表面均设置有防止电极触碰而短路的二氧化硅绝缘膜。

8.根据权利要求5所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述陶瓷基座与陶瓷膜片之间设置陶瓷垫圈形成空气介质腔，陶瓷基座、陶瓷膜片与陶瓷垫圈之间通过接封玻璃层进行接封，并在陶瓷基座上设有保证空气介质腔内气压等同于大气压的通气孔。

9.根据权利要求5所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述测压盒内置集成电路与厚膜电路，经电极引线孔连接单电极与双电极，将压力变化信号转换成电信号，并通过设置在测压盒侧壁的通信孔内的通信电缆将信号传输到控制系统。

10.根据权利要求1所述的陶瓷式液压静力水准仪，其特征在于所述液压盒与测压盒外壳材质均为铝镁合金。