CN110044331B - 非接触式静力水准仪、相对沉降监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了非接触式静力水准仪、相对沉降监测系统及其方法；非接触式静力水准仪包括激光测距装置、数据采集模块、活塞块、胡克型弹性件和筒体，激光测距装置用于测量活塞块到激光测距装置的距离，胡克型弹性件的两端连接活塞块与内腔的底壁；相对沉降监测系统包括储液容器、非接触式静力水准仪、数据汇集装置和数据处理中心，储液容器和非接触式静力水准仪连接形成连通器；方法为通过检测点沉降前后激光测距装置的读数，计算沉降前后相对于储液容器的液面差进而计算监测点之间的相对沉降量。本发明把监测点的沉降转化为胡克型弹性件的弹性形变，并且其形变量并计算出沉降量，保证精力水准仪高精度的同时，可实现较大量程。

Description

非接触式静力水准仪、相对沉降监测系统及其方法

技术领域

本发明属于工程检测技术领域，具体涉及非接触式静力水准仪、相对沉降监测系统及其方法。

背景技术

静力水准仪是一种液位测量仪器，用于监测多点的相对沉降量，即各测点的垂直位移相对于基准点的变化，以此精准计算各测点的相对沉降量。应用场合包括大型建筑物，如水电站厂、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。

现有电容式、电感式以及光电式的静力水准仪是通过漂浮于液面的浮子在垂直方向的行程来测出测点的沉降，所以这一类静力水准仪的量程比较小，一般不超过50mm，而安装要求高，要求安装后传感器内部液面要与传感器底部安装面平行。

现有压差式静力水准仪主要通过采用扩散硅芯体测量传感器压力的变化，来计算各测点相对水平基点的升降变化。扩散硅最高精度只有0.1％FS，大部分量程下的压差式静力水准传感器达不到高精度的要求。

因此，需要一种新的技术以解决现有技术中静力水准仪安装要求较高、量程较低、精度较低的问题。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了非接触式静力水准仪、相对沉降监测系统及其方法，其安装方便、量程较大、测量精度较高。

本发明采用了以下技术方案：

非接触式静力水准仪，包括激光测距装置、数据采集模块、活塞块、胡克型弹性件和设有内腔的筒体；

所述活塞块安装在所述内腔中且能够贴合所述内腔的侧壁滑动；所述胡克型弹性件位于所述活塞块的下方，所述胡克型弹性件的两端分别与活塞块、内腔的底壁固定连接；

所述激光测距装置和所述数据采集模块安装在所述内腔上侧，所述激光测距装置用于测量所述活塞块到所述激光测距装置的距离，所述激光测距装置和所述数据采集模块电连接；

所述筒体的侧壁上设置有通气口与通液口，所述通气口设置在所述通液口的上方，所述活塞块滑动设置在所述通气口与通液口之间。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述内腔由一横向隔板分隔为上侧的电气腔和下侧的液流腔；所述激光测距装置和所述数据采集模块安装在所述电气腔体中，所述横向隔板对应所述激光测距装置设有激光过孔；所述活塞块、胡克型弹性件安装在所述液流腔中。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述活塞块内还设有温度传感器，所述温度传感器与所述数据采集模块电连接。

相对沉降监测系统，基于所述的非接触式静力水准仪，包括储液容器、数据汇集装置、数据处理中心和两个以上的所述非接触式静力水准仪；

各所述非接触式静力水准仪分别安装在预定的监测点，各所述非接触式静力水准仪的通液口通过通液管与所述储液容器连接并形成连通器，各所述非接触式静力水准仪的通气口通过通气管与所述储液容器连接，各所述非接触式静力水准仪与所述数据汇集装置电连接；

所述数据汇集装置与所述数据处理中心通信连接，所述数据汇集装置用于将各所述数据采集模块的测量数据传送至所述数据处理中心；

所述数据处理中心用于将所述数据汇集装置采集到的各所述非接触式静力水准仪的测量数据计算出各所述监测点的相对沉降量。

进一步作为本发明技术方案的改进，还包括无线通信模块，所述数据汇集装置通过所述无线通信模块与所述数据处理中心通信连接。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述数据处理中心为云服务器。

相对沉降监测方法，包括以下步骤：

S1.将各所述非接触式静力水准仪安装在对应的监测点，并连接好所述相对沉降监测系统；沉降前，根据各监测点对应的非接触式静力水准仪采集到的数据分别计算各非接触式静力水准仪相对于所述储液容器的沉降前液面差；

S2.沉降后，根据各监测点对应的非接触式静力水准仪采集到的数据分别计算各非接触式静力水准仪相对于所述储液容器的沉降后液面差；

S3.根据各监测点的沉降前液面差和沉降后液面差分别计算各监测点相对于所述储液容器的沉降量；

S4.选择一个监测点为基准点，根据该基准点相对于所述储液容器的沉降量和其他监测点相对于所述储液容器的沉降量分别计算其它监测点与所述基准点的相对沉降量。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述S1和S2中，通过以下公式计算沉降前液面差和沉降后液面差：

当x>a₀时，

当x≤a₀时，

式中，h为所述非接触式静力水准仪与所述储液容器中的液面差，G为所述活塞块的重力，S为所述内腔的横截面积；a为所述胡克型弹性件不形变时所述激光测距装置的读数；a₀为所述内腔中无连通液时所述激光测距装置的读数；k为所述胡克型弹性件的弹性系数；ρ为连通器中连通液的密度，x为测量时激光测距装置的读数。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述S3中通过以下公式计算监测点相对于所述储液容器的沉降量：

Δh＝h₁-h₀

式中，Δh为监测点相对于所述储液容器的沉降量；所述h₀为沉降前所述监测点对应的非接触式静力水准仪与所述储液容器中的液面差；所述h₁为沉降后所述监测点对应的非接触式静力水准仪与所述储液容器中的液面差。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述S4中通过以下公式计算其它监测点与所述基准点的相对沉降量：

ΔH＝Δh_X-Δh₀

式中，Δh₀为所述基准点相对于所述储液容器的沉降量；Δh_X为其他监测点相对于所述储液容器的沉降量，ΔH为其他监测点相对于所述基准点的沉降量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明安装方便，使用活塞块代替传统的浮子测量液面的沉降，无需调平容器内液面水平；本发明的量程较大，精度较高，把监测点的沉降转化为胡克型弹性件的弹性形变，并且使用激光测距装置测量胡克型弹性件的形变量，保证精力水准仪高精度的同时，可实现较大量程。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术作进一步地详细说明：

图1是本发明的非接触式静力水准仪的内部结构示意图；

图2是本发明的相对沉降监测系统的示意图。

附图标记：

1-非接触式静力水准仪；11-激光测距装置；12-筒体；121-内腔；1211-电气腔；1212-液流腔；122-通液口；123-通气口；124-隔板；125-电气接口；13-活塞块；14-胡克型弹性件；2-储液容器；3-数据汇集装置；4-数据处理中心；5-无线通信模块；6-通液管；7-通气管；8-数据线。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

参照图1，本发明提供了非接触式静力水准仪1，包括激光测距装置11、数据采集模块(图中未示出)、活塞块13、胡克型弹性件14和设有内腔121的筒体12。

其中，所述内腔121由一横向隔板124分隔为上侧的电气腔1211和下侧的液流腔1212。所述筒体12上设有与所述内腔121连通的通液口122和通气口123，通液口122在液流腔1212的下侧，通气口123在液流腔1212的上侧，活塞块13滑动设置在通气123口与通液口122之间。

所述活塞块13、胡克型弹性件14安装在所述液流腔1212中。所述活塞块13能够相对于所述内腔121的侧壁贴合滑动；所述胡克型弹性件14位于所述活塞块13的下方，所述胡克型弹性件14的两端分别与活塞块13、内腔121的底壁固定连接。筒体12上还对应电气腔1211设有电气接口125，供电源线、数据线与外界连通。其中，胡克型弹性件14为精密直线型弹簧。

使用时，筒体12安装在监测点，筒体12的通液口122与外部的容器连接，形成连通器，此时活塞块13的重力、胡克型弹性件14的作用力和液压力形成平衡；

当监测点发生沉降，达成新的平衡，筒体12与外部的容器的液压差改变，液压力发生变化，此时胡克型弹性件14的长度和作用力也发生了改变，由胡克定律可以计算出胡克型弹性件14的作用力，进而计算出沉降量。

因此，为了测量胡克型弹性件14的长度的变化量，设置了激光测距装置11，激光测距装置11具体可以是高精度的激光测距传感器。所述激光测距装置11和所述数据采集模块安装在所述内腔121上侧，即所述电气腔1211体中；所述横向隔板124对应所述激光测距装置11设有激光过孔。所述激光测距装置11用于测量所述活塞块13到所述激光测距装置11的距离，所述激光测距装置11和所述数据采集模块电连接。数据采集模块可以存储沉降前后激光测距装置11的测量数据，即读数。数据采集模块包括微控制器和存储器，存储器和微控制器电连接，微控制器与激光测距装置11电连接。

当监测点发生沉降使得胡克型弹性件14的长度改变，则活塞块13到激光测距装置11的距离也跟着改变，通过激光测距装置11的读数也发生改变，读数的变化量即胡克型弹性件14的形变量，再通过胡克定律进行上述的计算。

作为优选的实施方式，所述活塞块13内还设有温度传感器(图中未示出)，所述温度传感器与所述数据采集模块电连接。通过温度传感器测量温度的变化，在计算沉降量时排除温度带来的偏差。

基于本非接触式静力水准仪1的上述结构，把监测点的沉降转化为胡克型弹性件14的弹性形变，并且使用激光测距装置11测量胡克型弹性件14的形变量，保证高精度的同时，可实现较大量程；使用活塞块13代替传统的浮子测量液面的沉降，无需调平筒体12内液面水平，安装更加方便；使用胡克型弹性件14支撑活塞块13，使得激光测距装置11的读数更稳定，并且安装时每个测点上的筒体12体无需安装在同一水平线附近，可在量程范围内布点，安装要求更低；每次读数时都针对对应的温度进行补偿，保证了测量的高精度。

本发明还提供了相对沉降监测系统，参照图1和图2，基于上述的非接触式静力水准仪1，包括储液容器2、数据汇集装置3、数据处理中心4和两个以上的所述非接触式静力水准仪1，该数据处理中心4可以是本地服务器或云服务器，作为优选，选择云服务器。

各所述非接触式静力水准仪1分别安装在预定的监测点，各所述非接触式静力水准仪1的通液口122通过通液管6与所述储液容器2连接并形成连通器，各所述非接触式静力水准仪1的通气口123通过通气管7与所述储液容器2连接，各所述非接触式静力水准仪1与所述数据汇集装置3通过数据线8电连接。

所述数据汇集装置3与所述数据处理中心4通信连接，所述数据汇集装置3用于将各所述数据采集模块的测量数据传送至所述数据处理中心4。数据汇集装置3能够存储各个非接触式静力水准仪1中数据采集模块记录的激光测距装置11的测量数据，再将汇集到的测量数据发送到数据处理中心4。

数据汇集装置3是基于RS485总线的高速数据采集装置，RS485总线是一种工业级的总线系统，经常应用于工业现场中进行采集多点数据，一般用到RS485总线，使用一主带多从的通信方式，该种方式接线方便只需要两根屏蔽电缆线，通信距离远最大可支持1500m，加中继器还可延长通信距离，采用差分信号方式抗电磁干扰好。其采用主从问答的方式采集各子单元的数据，即主单元依次访问各子单元，访问到哪个单元，哪个单元就上传数据，总线的使用权完全由主单元分配，各子单元不能擅自占领总线。因此数据汇集装置3可以依次访问各个监测点对应的数据采集模块，以收集各个数据采集模块的数据。这项技术是本领域中常用的技术，在此不再赘述。

本实施例中，本相对沉降监测系统还包括无线通信模块5，所述数据汇集装置3通过所述无线通信模块5与所述数据处理中心4通信连接。无线通信模块5包括WiFi模块或GPRS模块。

所述数据处理中心4用于将所述数据汇集装置3采集到的各所述非接触式静力水准仪1的测量数据计算出各所述监测点的相对沉降量。

先计算沉降前安装在监测点上非接触式静力水准仪1相对于储液容器2的沉降前液面差，再计算沉降后的沉降后液面差；将沉降后液面差和沉降前液面差相减可得监测点相对于储液容器2的沉降量；再选择一个监测点作为基准点，将其他监测点相对于储液容器2的沉降量与该基准点相对于储液容器2的沉降量相减，可得其他监测点相对于该基准点的沉降量。

本发明还提供了基于上述相对沉降监测系统的相对沉降监测方法，包括以下步骤：

S1.将各个非接触式静力水准仪1安装在对应的监测点，每个测点的筒体12都需要安装在筒体12的量程范围内，并连接好所述相对沉降监测系统。

设所述非接触式静力水准仪1与所述储液容器2中的液面差为h，所述活塞块13的重力为G，所述内腔121的横截面积为S；所述胡克型弹性件14不形变时所述激光测距装置11的读数为a；所述胡克型弹性件14的弹性系数为k；连通器中连通液的密度为ρ，测量时激光测距装置11的读数为x。

当活塞块13处于稳定时，可知，活塞块13受到的液压差作用力为：

N＝Sρgh (1)

由胡克定律可知胡克型弹性件14对活塞块13的作用力为：

F＝|a-x|k (2)

设所述内腔121中无连通液且活塞块13处于平衡状态下时，所述激光测距装置11的读数为a₀。

则当激光测距装置11的读数x>a₀时，胡克型弹性件14受压，内腔121中活塞块13处于平衡状态时有：

G＝F+N (3)

当激光测距装置11的读数当x≤a₀时，胡克型弹性件14受拉，内腔121中活塞块13处于平衡状态时有：

N＝F+G (4)

通过上述(1)、(2)、(3)、(4)四个公式，可知，当x>a₀时，监测点的非接触式静力水准仪1和储液容器2的液面差为：

当x≤a₀时，监测点的非接触式静力水准仪1和储液容器2的液面差为：

因此在沉降前根据各监测点对应的非接触式静力水准仪1的读数x的大小，选择公式(5)或(6)计算沉降前各个监测点相对于所述储液容器2的沉降前液面差。本发明中，将公式(5)称为第一液面差公式，公式(6)称为第二液面差公式。

例如假设有A、B、C三个监测点，通过沉降前三个监测点对应的非接触式静力水准仪1的读数分别计算出沉降前三个监测点相对于所述储液容器2的沉降前液面差，分别为h_A0、h_B0和h_C0。

S2.发生沉降后，根据各监测点对应的非接触式静力水准仪1采集到的数据通过液面差计算公式分别计算各非接触式静力水准仪1相对于所述储液容器2的沉降后液面差。

例如通过公式(5)或(6)计算出上述A、B、C三个监测点沉降后相对于所述储液容器2的沉降后液面差分别为h_A1、h_B1和h_C1。

S3.上面计算出各个监测点沉降前相对于储液容器2的液面差后，计算两者差值，即可计算出监测点相对于储液容器2的沉降量，即沉降量计算公式为：

Δh＝h₁-h₀ (7)

其中，Δh为监测点相对于所述储液容器2的沉降量；所述h₀为沉降前所述监测点对应的非接触式静力水准仪1与所述储液容器2中的液面差；所述h₁为沉降后所述监测点对应的非接触式静力水准仪1与所述储液容器2中的液面差。

对于监测点A，根据公式(7)，其相对于储液容器2的沉降量为Δh_A＝h_A1-h_A0；监测点B和C的相对于储液容器2的沉降量同理计算得Δh_B＝h_B1-h_B0和Δh_C＝h_C1-h_C0。

S4.上述计算出的值为监测点相对于储液容器2的沉降量，接下来计算监测点之间的相对沉降量。选择一个监测点为基准点，将其它监测点相对于储液容器2的沉降量与该基准点相对于储液容器2的沉降量相减，可得其它监测点相对于该基准点的相对沉降量，即：

ΔH＝Δh_X-Δh₀ (8)

其中，Δh₀为所述基准点相对于所述储液容器2的沉降量；Δh_X为其他监测点相对于所述储液容器2的沉降量，ΔH为其他监测点相对于所述基准点的沉降量。

例如将上述的监测点A作为基准点，根据公式(8)，则监测点B相对于监测点A的沉降量为ΔH_BA＝Δh_B-Δh_A，监测点c相对于监测点A的沉降量为ΔH_CA＝Δh_C-Δh_A。

至此，通过上述四个步骤计算出各监测点相对于该基准点的相对沉降量，当监测点的相对沉降量的值大于0时，该监测点相对于基准下沉；当相对沉降量的值小于0时，该监测点相对于基准上升。

本发明所述的非接触式静力水准仪、相对沉降监测系统及其方法的其它内容参见现有技术，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.非接触式静力水准仪，其特征在于：包括激光测距装置、数据采集模块、活塞块、胡克型弹性件和设有内腔的筒体；

所述活塞块安装在所述内腔中且能够贴合所述内腔的侧壁滑动；所述胡克型弹性件位于所述活塞块的下方，所述胡克型弹性件的两端分别与活塞块、内腔的底壁固定连接；

所述激光测距装置和所述数据采集模块安装在所述内腔上侧，所述激光测距装置用于测量所述活塞块到所述激光测距装置的距离，所述激光测距装置和所述数据采集模块电连接；

所述筒体的侧壁上设置有通气口与通液口，所述通气口设置在所述通液口的上方，所述活塞块滑动设置在所述通气口与通液口之间；

所述内腔由一横向隔板分隔为上侧的电气腔和下侧的液流腔；所述激光测距装置和所述数据采集模块安装在所述电气腔体中，所述横向隔板对应所述激光测距装置设有激光过孔；所述活塞块、胡克型弹性件安装在所述液流腔中；

所述活塞块内还设有温度传感器，所述温度传感器与所述数据采集模块电连接。

2.相对沉降监测系统，基于权利要求1所述的非接触式静力水准仪，其特征在于：包括储液容器、数据汇集装置、数据处理中心和两个以上的所述非接触式静力水准仪；

各所述非接触式静力水准仪分别安装在预定的监测点，各所述非接触式静力水准仪的通液口通过通液管与所述储液容器连接并形成连通器，各所述非接触式静力水准仪的通气口通过通气管与所述储液容器连接，各所述非接触式静力水准仪与所述数据汇集装置电连接；

所述数据汇集装置与所述数据处理中心通信连接，所述数据汇集装置用于将各所述数据采集模块的测量数据传送至所述数据处理中心；

所述数据处理中心用于将所述数据汇集装置采集到的各所述非接触式静力水准仪的测量数据计算出各所述监测点的相对沉降量。

3.根据权利要求2所述的相对沉降监测系统，其特征在于：还包括无线通信模块，所述数据汇集装置通过所述无线通信模块与所述数据处理中心通信连接。

4.根据权利要求2所述的相对沉降监测系统，其特征在于：所述数据处理中心为云服务器。

5.一种相对沉降监测方法，其特征在于，采用上述权利要求2至4任一项所述的相对沉降监测系统，包括以下步骤：

S1.将各所述非接触式静力水准仪安装在对应的监测点，并连接好所述相对沉降监测系统；沉降前，根据各监测点对应的非接触式静力水准仪采集到的数据分别计算各非接触式静力水准仪相对于所述储液容器的沉降前液面差；

S2.沉降后，根据各监测点对应的非接触式静力水准仪采集到的数据分别计算各非接触式静力水准仪相对于所述储液容器的沉降后液面差；

S3.根据各监测点的沉降前液面差和沉降后液面差分别计算各监测点相对于所述储液容器的沉降量；

S4.选择一个监测点为基准点，根据该基准点相对于所述储液容器的沉降量和其他监测点相对于所述储液容器的沉降量分别计算其它监测点与所述基准点的相对沉降量；

所述S1和S2中，通过以下公式计算沉降前液面差和沉降后液面差：

当x>a₀时，

当x≤a₀时，

式中，h为所述非接触式静力水准仪与所述储液容器中的液面差，G为所述活塞块的重力，S为所述内腔的横截面积；a为所述胡克型弹性件不形变时所述激光测距装置的读数；a₀为所述内腔中无连通液时所述激光测距装置的读数；k为所述胡克型弹性件的弹性系数；ρ为连通器中连通液的密度，x为测量时激光测距装置的读数；g为重力加速度。

6.根据权利要求5所述的相对沉降监测方法，其特征在于，所述S3中通过以下公式计算监测点相对于所述储液容器的沉降量：

Δh＝h₁-h₀

式中，Δh为监测点相对于所述储液容器的沉降量；所述h₀为沉降前所述监测点对应的非接触式静力水准仪与所述储液容器中的液面差；所述h₁为沉降后所述监测点对应的非接触式静力水准仪与所述储液容器中的液面差。

7.根据权利要求5所述的相对沉降监测方法，其特征在于，所述S4中通过以下公式计算其它监测点与所述基准点的相对沉降量：

ΔH＝Δh_X-Δh₀

式中，Δh₀为所述基准点相对于所述储液容器的沉降量；Δh_X为其他监测点相对于所述储液容器的沉降量，ΔH为其他监测点相对于所述基准点的沉降量。