CN106969746A - 基于单晶硅差压传感器的静力水准仪 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于单晶硅差压传感器的静力水准仪，包括上外壳、下外壳和膜盒式单晶硅差压传感器，上外壳和下外壳围成封闭的安装腔；安装腔被隔成相互连通的右安装腔和左安装腔；膜盒式单晶硅差压传感器的主体固定安装在右安装腔中，膜盒式单晶硅差压传感器的尾部位于左安装腔中，膜盒式单晶硅差压传感器将右安装腔分隔成互相独立的液腔和气腔，并将左安装腔与右安装腔隔离成互不连通的独立腔室，上外壳的侧壁上开设有与液腔连通的进液口，下外壳的侧壁上开设有与气腔连通的进气口。本发明的静力水准仪采用了膜盒式单晶硅差压传感器，整体具有体积小、精度高、易实现微压、长期稳定性好、温度特性优良。

Description

基于单晶硅差压传感器的静力水准仪

技术领域

本发明具体涉及一种基于单晶硅差压传感器的静力水准仪。

背景技术

静力水准仪是一种高精密液位测量仪器，用于测量基础和建筑物各个测点的相对沉降，应用于大型建筑物，包括水电站厂、大坝、高层建筑物、核电站、水利枢纽工程、铁路、地铁、高铁等各测点不均匀沉降的测量。

传统的静力水准仪系统利用连通器原理通过测量液位变化来测量位移变化。测量原理是利用连通器原理的整个系统液位平衡，测点液位会随着位移变化而变化，通过测量测点液位变化从而测出位移变化。传统原理测量量程直接与体积相关，要想测量大量程必须要高体积；液体流动有迟滞性，只有系统液位彻底平衡后测量结果才有效，这就导致系统响应速度较慢，一般响应时间在10分钟左右；并且传统的静力水准仪安装只能沿液位方向竖直安装。传统仪器的这些缺点直接导致在诸如铁路铁轨沉降监测，桥梁动态位移监测、铁塔沉降监测等等需要动态监测、安装空间小、安装方向随意的场合的应用受到了极大的限制。因此，利用压力场原理进行测量的静力水准仪开始出现，这种静力水准仪主要利用差压传感器作为压力采集器，温度特性优良，稳定性好，反应迅速。

现有技术中存在一些改进型的静力测量装置，如专利号为201520614833.7的中国实用新型专利公开了一种静力水准仪，其包括本体，该本体设有测压腔与电气腔，位于大气侧的该测压腔的两个侧壁分别设有进水口和出水口，该静力水准仪还包括：压力传感器，设置于该电气腔内，且该压力传感器用于测量该测压腔内的压力；放大电路模块，设置于该电气腔内，且该放大电路模块可拆卸地连接于该本体，该放大电路模块与该压力传感器电连接；密封模块，设置于该本体上，且该密封模块用于密封该测压腔的开口。

这种静力水准仪测量精度比传统测量体系的精度高，反应时间快，但是仍存在一些缺陷，采用扩散硅芯体压力传感器，体积略大，并且整个静力水准仪的外部接口较多，不利于减小静力水准仪的体积，用排气阀进行排出气体，必须配合垫圈等小部件，因此多次使用后，易损坏，稳定性差。后盖采用密封圈和卡槽结构进行密封，密封强度不够高。

鉴于此，设计一种体积更加小巧轻便，经济实用，排气机构稳定性好，排气方便、不易损坏，整体连接气密性好、紧固强度好，更加便于安装使用的静力水准仪，具有重要应用价值。

发明内容

为了进一步减小静力水准仪的的体积、降低制作成本、增加排气机构的稳定性、改进气密性、提高紧固强度、并更加便于安装使用，本发明提供了一种基于单晶硅差压传感器的静力水准仪。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于单晶硅差压传感器的静力水准仪，包括上外壳、下外壳和膜盒式单晶硅差压传感器，所述上外壳和下外壳通过螺柱固定连接之后围成封闭的安装腔；

所述安装腔被所述上外壳内部侧壁上的第一凸起部和所述下外壳内部侧壁上的第二凸起部隔成相互连通的右安装腔和左安装腔，所述第一凸起部和第二凸起部相对设置；

所述膜盒式单晶硅差压传感器的主体固定安装在右安装腔中，所述膜盒式单晶硅差压传感器的尾部位于所述左安装腔中，所述膜盒式单晶硅差压传感器将右安装腔分隔成互相独立的液腔和气腔，并将所述左安装腔与所述右安装腔隔离成互不连通的独立腔室；

所述液腔位于靠近所述上外壳一侧，所述气腔位于靠近所述下外壳一侧；

所述上外壳的侧壁上开设有与所述液腔连通的进液口，所述下外壳的侧壁上开设有与所述气腔连通的进气口。

更具体地，本发明的静力水准仪中，所述膜盒式单晶硅差压传感器的H端压力膜片与所述液腔充分接触用于感受液腔内的压力，L端压力膜片与所述气腔充分接触用于感受气腔内的压力。

更具体地，本发明的静力水准仪中，所述上外壳上还设置有排气孔，所述排气孔与所述液腔连通，用于排出液腔中的气泡。

更具体地，本发明的静力水准仪中，所述排气孔用球头顶丝进行密封。

更具体地，本发明的静力水准仪中，所述上外壳上还设有视窗，所述视窗处安装有与所述视窗形状匹配的透明的有机玻璃。

更具体地，本发明的静力水准仪中，所述有机玻璃和所述视窗之间设有第一密封圈，采用硅胶材质所述膜盒式单晶硅差压传感器的H端与所述有机玻璃之间依次设有第二密封圈和圆环状的顶环，所述顶环上具有通孔，该通孔与上外壳上的排气孔相互连通；

所述液腔通过依次相互压紧的膜盒式单晶硅差压传感器的H端、第二密封圈、顶环、有机玻璃、第一密封圈、视窗实现密封；

所述下外壳与所述膜盒式单晶硅差压传感器的L端之间设有第三密封圈，所述气腔通过依次相互压紧的下外壳、第三密封圈、膜盒式单晶硅差压传感器的L端实现密封。

更具体地，本发明的静力水准仪中，所述上外壳内侧的四个角位置均设有一个螺纹盲孔；

所述下外壳的四个角位置均具有一个阶梯状的螺纹通孔，所述螺纹通孔内侧直径较小且与所述螺纹盲孔直径一致，用于安装固定螺柱，连接紧固上外壳和下外壳；

所述螺纹通孔外侧孔径较大，用于将静力水准仪固定在测量点。

更具体地，本发明的静力水准仪中，所述下外壳的进液口相对侧壁上开设有出线孔，所述出线孔为不锈钢防水过线孔，用于连接信息采集设备的电缆线。

更具体地，本发明的静力水准仪中，所述液腔的内壁上涂有防锈油层。

更具体地，本发明的静力水准仪中，还包括电路板，所述电路板上设有信号转换/放大电路，所述信号放大电路的输入端与所述膜盒式单晶硅差压传感器尾部的输出端电缆连接，所述信号放大电路的输出端与信息采集设备电连接。

另一方面，本发明还提供了一种包括本发明所述的静力水准仪的静力水准测量系统。

本发明的静力水准仪的有益效果：

1、选用的膜盒式单晶硅差压传感器具备：体积小、精度高，成本低，易实现微压、长期稳定性好、不受温度影响等特点。

2、外壳上只有一个进液口一个进气口和一个出线孔，在结构设计时更加便于减小静力水准仪的体积，使整体结构更加小巧，便携；

3、上壳体上设置安装有透明的有机玻璃视窗，便于在测量时液体灌注过程中及时观察发现静力测量仪中是否存在气泡，上壳体上还设有排气孔，配合安装时在液腔内壁，使得液腔中的气泡可以及时方便的被排出，避免测量误差，测量精度高；

4、排气孔用球头顶丝进行密封，相比于现有技术中用排气阀或者加密封垫的平口顶丝密封方式，没有易损部件，结构更简单，稳定性更好；

5、液腔内壁涂有防锈油层，更利于排气，也可以提高静力水准仪的使用寿命；

6、下外壳上具有阶梯状的螺纹通孔，既可以实现上外壳和下外壳之间的紧固，同时还可以更方便的实现静力水准仪与测点之间的紧固；静力水准仪的安装方向及方法也非常随意，不需要沿液位方向竖直安装，适用范围更广泛。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明静力水准仪的爆炸图；

图2是本发明静力水准仪的外部侧面视图；

图3是的本发明静力水准仪的剖面图；

图4是是本发明静力水准仪的上外壳及其A-A剖面图；

图5是是本发明静力水准仪的下外壳及其B-B剖面图；

图中：

1-上外壳、11-进液口、12进液管、13-排气孔、14-球头顶丝、15-视窗、16-有机玻璃、161-第一密封圈、162-第二密封圈、163-第三密封圈、17-顶环、18-螺纹盲孔；2-下外壳、21-进气口、22-进气管、23-出线孔、24-螺纹通孔；3-膜盒式单晶硅差压传感器、31-主体、32-尾部、33- H端压力膜片、34- L端压力膜片；4-安装腔、41-右安装腔、42-左安装腔、43-液腔、44-气腔；5-电路板；6-第一凸起部；7-第二凸起部。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1：

如图1-图3所示的基于单晶硅差压传感器的静力水准仪，外观为四个角呈圆弧角的长方体，外壳采用不锈钢材料铣切而成，包括上外壳1、下外壳2和膜盒式单晶硅差压传感器3，上外壳1和下外壳2通过螺柱固定连接之后围成封闭的安装腔4。上外壳1、下外壳2外形均为长方体，上外壳1和下外壳2的长边相对侧壁上各具有一对位置对应且均向中心线处延伸的凸起部；上外壳1内部侧壁上的为第一凸起部6，下外壳2内部侧壁上的为第二凸起部7，安装腔4被相对设置的第一凸起部6和第二凸起部7隔成相互连通的右安装腔41和左安装腔42。

膜盒式单晶硅差压传感器3由圆柱状的主体31和带有电缆线的尾部32组成，膜盒式单晶硅差压传感器3的主体31固定安装在右安装腔41中，膜盒式单晶硅差压传感器3的尾部32位于左安装腔42中，膜盒式单晶硅差压传感器3将右安装腔41分隔成互相独立的液腔43和气腔44，并将左安装腔42与右安装腔41隔离成互不连通的独立腔室。液腔43位于靠近上外壳1一侧，气腔44位于靠近下外壳2一侧；上外壳1的侧壁上开设有与液腔43连通的进液口11，下外壳2的侧壁上开设有与气腔44连通的进气口21。

为了减小静力水准仪的体积，进气口和进液口的口径小于目前常用的静力水准仪上的进液口口径，可以选用口径6-10 mm。本实施例中进气口和进液口的口径均为6 mm。

静力水准仪接入静力水准测量系统中使用时，进液口上用不锈钢密封快插接头安装有进液管，进液管与基准点的液体腔室连通；进气口上用不锈钢密封快插接头安装有进气管，进气管与基准点的气体腔室连通。

膜盒式单晶硅差压传感器3的主体31具有H端（高压端）和L端（低压端），H端为接触液腔43的一端，L端为接触气腔44的一端，H端和L端均具有压力膜片，其中， H端压力膜片33与液腔43充分接触用于感受液腔43内的压力（高压），L端压力膜片34与气腔44充分接触用于感受气腔44内的压力（低压）。

静力水准仪中还包括电路板5，电路板5上设有信号转换/放大电路，信号放大电路的输入端与膜盒式单晶硅差压传感器3尾部32的输出端电缆连接，信号放大电路的输出端与信息采集设备电连接。数据输出形式有4-20 mA模拟电流信号和标准485数字信号两种可选。本实施例中的膜盒式单晶硅差压传感器3和电路板5为配套购买，具体为DRS300型号。

下外壳2的进液口21相对侧壁上开设有出线孔23，出线孔23为不锈钢防水过线孔，用于连接信息采集设备的电缆线。

实施例2：

与实施例1相比本实施例的特别之处在于，静力水准仪的上外壳1上设有视窗15，视窗15处安装有与视窗15形状匹配的有机玻璃16。

静力水准测量系统中，上壳体上设置安装有透明的有机玻璃的视窗，便于在测量时液体灌注过程中及时观察发现静力测量仪中是否存在气泡，上壳体上还设有排气孔，配合安装时在液腔内壁涂抹防锈油层，使得液腔中的气泡可以及时方便的被排出，避免测量误差，测量精度高。

实施例3：

与实施例1相比本实施例的特别之处在于，静力水准仪的上外壳1上还设置有排气孔13，排气孔13与液腔43连通，用于排出液腔43中的气泡，排气孔13用球头顶丝14进行密封，球头顶丝在本实施例中具体为带钢珠的内六顶丝。在液腔43的内壁上还涂有一层防锈油层。

静力水准测量系统中，设计了排气孔用于排出液体灌注过程中产生的气泡，使测量系统的测量结果更准确，实现高精度测量。排气孔的密封是用带球头的顶丝，相比于现有技术中用排气阀或者加密封垫的平口顶丝密封方式，没有易损部件，结构更简单，稳定性更好；液腔的内壁上涂有防锈油层一方面可以便于排除气泡，另一方面可增加静力水准仪的使用寿命。

实施例4：

与实施例1相比本实施例的特别之处在于，静力水准仪的有机玻璃16和视窗15之间设有第一密封圈161，膜盒式单晶硅差压传感器3的H端与有机玻璃16之间依次设有第二密封圈162和圆环状的顶环17，顶环17上具有通孔，该通孔与上外壳1上的排气孔13相互连通，液腔43通过依次相互压紧的膜盒式单晶硅差压传感器3的H端、第二密封圈162、顶环17、有机玻璃16、第一密封圈161、视窗15实现密封。下外壳2与膜盒式单晶硅差压传感器3的L端之间设有第三密封圈163，气腔44通过依次相互压紧的下外壳2、第三密封圈163、膜盒式单晶硅差压传感器3的L端实现密封。本实施例中第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈均采用硅胶材质。

上壳体、下壳体、有机玻璃、膜盒式单晶硅差压传感器和顶环配合三个密封圈实现静力水准仪的整体的压紧，一方面达到固定膜盒式单晶硅差压传感器的目的；另一个方面，相互压紧的膜盒式单晶硅差压传感器的H端、第二密封圈、顶环、有机玻璃、第一密封圈和视窗也同时将有机玻璃紧固在静力水准仪上外壳的内侧，相比于传统的将视窗玻璃凸出固定在壳体外部、用螺钉紧固的设计方式而言，既不需要额外使用螺丝单独紧固视窗，又减小了静力水准仪整体的体积。

实施例5：

如图4和图5所示，上外壳1内侧的四个角位置均设有一个螺纹盲孔18；下外壳2的四个角位置均具有一个阶梯状的螺纹通孔24，螺纹通孔24内侧直径较小且与螺纹盲孔18直径一致，用于安装固定螺柱，连接紧固上外壳1和下外壳2，螺纹通孔24外侧孔径较大，用于将静力水准仪固定在测量点。

静力水准仪的外壳只分为上下两部分，这样的设计一方面部件较少，便于制作、使用和安装，另一方面采用螺柱对上外壳和下外壳进行紧固，紧固强度更大，不易损坏，适应剧烈的工作环境；并且这种设计减少了外壳上整体的接缝数量，更好的防止灰尘进入静力水准仪内部，保护内部器件和电路，延长使用寿命。

实施例6：

本发明的静力水准仪可以用于各种静力水准测量系统中，其中一种实施方式：

测量系统包括作为参考点的储液罐、气体连接管、液体连接管和至少一个静力水准仪（作为测量点），储液罐包括气体腔室和液体腔室，静力水准仪通过气体连接管与气体腔室连通，并且通过液体连接管与液体腔室连通，以使测量系统中所有气体腔室导通且压力平衡。

静力水准仪的数量至少有两个，第一个静力水准仪的进液管与液体连接管连通；第一个静力水准仪的进气管与气体连接管连通；后一个静力水准仪的进液管也与液体连接管连通，后一个静力水准仪的进气管也与气体连接管连通；气体连接管和液体连接管末端封闭以保持系统的半封闭状态。各静力水准仪之间气腔相连通，压力平衡，液腔中的压力根据相对于参考点（储液罐）产生向下或者向上的位移的不同而不同，各测点的静力水准仪的压差信息经过出线孔中连接的信息采集设备的电缆线传送至信息采集设备，进行信息处理。

使用静力水准仪进行测量的实际工作过程：测量时将储液罐放置在参考点，在测量点分别放置一个静力水准仪，通过上外壳和下外壳上的螺纹阶梯孔，将静力水准仪固定在测点，然后，分别接通参考点的气体腔室、各静力水准仪的气腔和参考点液体腔室和各静力水准仪的液腔，使测量系统中的各静力水准仪的气腔之间压力平衡；液体进行快速灌注。通过透明的有机玻璃视窗观察各测点的静力水准仪的液腔中是否存在气泡，如果有气泡，拧松球头顶丝进行排气，排气后重新拧紧球头顶丝，实现液腔密封。

各测点的静力水准仪中，气腔相连通，压力平衡，液腔中的压力根据相对于参考点（储液罐）产生向下或者向上的位移的不同而不同，因此，各静力水准仪中的膜盒式单晶硅差压传感器的H端压力膜片（感受液腔的压力）与L端压力膜片（感受气腔的压力），所接受到的压力不同，膜盒式单晶硅差压传感器内部填充硅油，当压力变化时，压力膜片感受压力而变形，从而差压通过硅油传导到单晶硅晶片，晶片会产生相应的变化从而导致电阻变化，这个变化被电路板上的电路调理和放大输出成电信号。数据输出形式有4-20 mA模拟电流信号和标准485数字信号两种可选。最后通过电缆，将测量信息传送至外部信息采集设备，最终上传至云平台，进行处理，直接获得测点的垂直位移。

本发明所设计的静力水准仪选用的膜盒式单晶硅差压传感器具备：体积小、精度高，成本低，易实现微压、长期稳定性好、不受温度影响等特点；外壳上开口少，在结构设计时更加便于减小静力水准仪的体积，使整体结构更加小巧，便携；上壳体上设置安装有透明的视窗，便于在测量时液体灌注过程中及时观察发现静力测量仪中是否存在气泡，还设有排气孔，使得液腔中的气泡可以及时方便的被排出，避免测量误差，测量精度高；排气孔用球头顶丝进行密封，相比于现有技术中用排气阀或者加密封垫的平口顶丝密封方式，没有易损部件，结构更简单，稳定性更好；液腔内壁涂有防锈油层，更利于排气，也可以提高静力水准仪的使用寿命；下外壳上具有阶梯状的螺纹通孔，既可以实现上外壳和下外壳之间的紧固，同时还可以更方便的实现静力水准仪与测点之间的紧固；优势显著，具有广泛适用性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、 “上”、“下”、“左”、“右”、 “顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于单晶硅差压传感器的静力水准仪，包括上外壳（1）、下外壳（2）和膜盒式单晶硅差压传感器（3），所述上外壳（1）和下外壳（2）通过螺柱固定连接之后围成封闭的安装腔（4）；

所述安装腔（4）被所述上外壳（1）内部侧壁上的第一凸起部（6）和所述下外壳（2）内部侧壁上的第二凸起部（7）隔成相互连通的右安装腔（41）和左安装腔（42），所述第一凸起部（6）和第二凸起部（7）相对设置；

所述膜盒式单晶硅差压传感器（3）的主体（31）固定安装在右安装腔（41）中，所述膜盒式单晶硅差压传感器（3）的尾部（32）位于所述左安装腔（42）中，所述膜盒式单晶硅差压传感器（3）将右安装腔（41）分隔成互相独立的液腔（43）和气腔（44），并将所述左安装腔42）与所述右安装腔（41）隔离成互不连通的独立腔室；

所述液腔（43）位于靠近所述上外壳（1）一侧，所述气腔（44）位于靠近所述下外壳（2）一侧；

所述上外壳（1）的侧壁上开设有与所述液腔（43）连通的进液口（11），所述下外壳（2）的侧壁上开设有与所述气腔（44）连通的进气口（21）。

2.根据权利要求1所述的静力水准仪，其特征在于，所述膜盒式单晶硅差压传感器（3）的H端压力膜片（33）与所述液腔（43）充分接触用于感受液腔（43）内的压力，L端压力膜片（34）与所述气腔（44）充分接触用于感受气腔（44）内的压力。

3.根据权利要求1或2所述的静力水准仪，其特征在于，所述上外壳（1）上还设置有排气孔（13），所述排气孔（13）与所述液腔（43）连通，用于排出液腔（43）中的气泡。

4.根据权利要求3所述的静力水准仪，其特征在于，所述排气孔（13）用球头顶丝（14）进行密封。

5.根据权利要求1或2所述的静力水准仪，其特征在于，所述上外壳（1）上还设有视窗（15），所述视窗（15）处安装有与所述视窗（15）形状匹配的透明的有机玻璃（16）。

6.根据权利要求5所述的静力水准仪，其特征在于，所述有机玻璃（16）和所述视窗（15）之间设有第一密封圈膜盒式单晶硅差压传感器（3）的H端与所述有机玻璃（16）之间依次设有第二密封圈（162）和圆环状的顶环（17），所述顶环（17）上具有通孔，该通孔与上外壳（1）上的排气孔（13）相互连通；

所述液腔（43）通过依次相互压紧的膜盒式单晶硅差压传感器（3）的H端、第二密封圈（162）、顶环（17）、有机玻璃（16）、第一密封圈（161）、视窗（15）实现密封；

所述下外壳（2）与所述膜盒式单晶硅差压传感器（3）的L端之间设有第三密封圈（163），所述气腔（44）通过依次相互压紧的下外壳（2）、第三密封圈（163）、膜盒式单晶硅差压传感器（3）的L端实现密封。

7.根据权利要求1所述的静力水准仪，其特征在于，所述上外壳（1）内侧的四个角位置均设有一个螺纹盲孔（18）；

所述下外壳（2）的四个角位置均具有一个阶梯状的螺纹通孔（24），所述螺纹通孔（24）内侧直径较小且与所述螺纹盲孔（18）直径一致，用于安装固定螺柱，连接紧固上外壳（1）和下外壳（2）；

所述螺纹通孔（24）外侧孔径较大，用于将静力水准仪固定在测量点。

8.根据权利要求1所述的静力水准仪，其特征在于，所述下外壳（2）的进液口（21）相对侧壁上开设有出线孔（23），所述出线孔（23）为不锈钢防水过线孔，用于连接信息采集设备的电缆线。

9.根据权利要求1所述的静力水准仪，其特征在于，所述液腔（43）的内壁上涂有防锈油层。

10.一种包括权利要求1-9任一项所述的静力水准仪的静力水准测量系统。