CN110196038B - 测量不同高程点沉降量的测量机构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量装置，特别是指一种测量不同高程点沉降量的测量机构及其应用。包括由储液筒、浮球及位移传感器组成的静力水准仪，位移传感器将所测位移信号输出至中央处理装置并由其计算待测位置沉降高度值；静力水准仪包括分设于水平高位及低位的静力水准仪，设于基准位置的静力水准仪；第一、第二位移传感器分设于水平高位及低位的静力水准仪上，第一储液筒底部设有第三阀门，第二储液筒底部经第三阀门与透明管上端连通，内盛水银及活塞隔膜的透明管与补液装置连通且其下端与第一储液筒的第三阀门出口连通。本发明有效解决了现有技术无法测量不同高程点沉降量的问题，具有可测量不同高程点沉降量、结构紧凑、便于自控等优点。

Description

测量不同高程点沉降量的测量机构及其应用

技术领域

本发明属于测量装置，特别是指一种测量不同高程点沉降量的测量机构及其应用。

背景技术

静力水准仪是测量两点或多点间相对高程差的精密测量设备，其主体构造一般包括储液筒、浮球、位移传感器等，一般用位移传感器测出液位高度变化进而计算出所测位置沉降高度，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)多点沉降及垂直位移的精度测量。当前水准仪在对待测位置进行测量的时候都是基于同一水平高度或者水平高度相差较小的待测位置进行单点或多点测量，实际上当有多个待测位置且彼此之间具有较大的高度差时，由于受到静力水准仪结构设计限制无法测量出待测位置处沉降高度。

申请人所检索的文献包括：

申请号为201120286969.1的专利文献中公开了一种静力水准仪，其中所用到的位移传感器的主体结构是：包括用于盛装防冻水的腔体、设于腔体顶部的电子仓、与腔体内腔相通的排气管、设于腔体内的由不导磁材料制成的磁致杆和浮于防冻水上的用于液位检测的磁浮球磁浮球套在磁致杆上，所述磁致杆内设有波导丝,电子仓内包括用于产生一起始脉冲至波导丝的电子电路，磁浮球内设有通过所述起始脉冲使所述波导丝产生磁致伸缩效应而扭动的磁环。上述现有技术中的位移传感器是采用“磁致伸缩”原理制作的，分辨力可达量程的万分之一(优于目前静力水准综合参数)，适用于在各类环境的工程(水电、隧道、地下洞室、地铁、大坝及高层建筑等恶劣环境条件)中作施工期和运营期长期监测。

上述现有技术在使用过程中将容器置于待测位置后，当某监测点发生沉降变形时，利用磁致伸缩原理通过位移传感器得到该监测点的数据，根据基准位置处的位移传感器数据得到待测位置的沉降高度。虽然增加水准仪高度一定程度上可以实现对不同高程点沉降量进行测量，但受待测位置的安装环境限制，导致其用于不同高程点沉降的测量缺乏实践中的可行性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量不同高程点沉降量的测量机构及其应用，可实现对于不同高度待测位置的沉降测量。

本发明的整体技术构思是：

测量不同高程点沉降量的测量机构，包括由储液筒、位于储液筒内液面上的浮球及位移传感器组成的静力水准仪，位移传感器的信号输出端连接中央处理装置并将所测得的位移信号输出至中央处理装置，由中央处理装置通过计算得出待测位置沉降高度值；所述静力水准仪包括设置于水平位置处于高位的第一静力水准仪、设置于水平位置处于低位的第二静力水准仪，以及设置于基准位置的第一静力水准仪或第二静力水准仪；位移传感器包括设置于第一静力水准仪上的第一位移传感器、设置于第二静力水准仪上的第二位移传感器；第二静力水准仪上的第二储液筒底部出口通过第三阀门与纵向设置且带有刻度的透明管上端连通，第一储液筒底部的第三阀门依次通过第一阀门及管道与透明管的下端连通，透明管内盛装有水银且与补液装置连通，水银下方的透明管底部装配有可随液面升降产生纵向位移的活塞隔膜。

测量不同高程点沉降量的测量机构在测量不同高程点沉降量中的应用。

活塞隔膜的主要作用是防止水银因重力原因自透明管下端进入管道，其材料的选择可以根据需要采用包括但不局限于聚四氟乙烯多种现有材料制作。

第三阀门的主要作用是给第一储液筒及第二储液筒充液。

本发明的具体技术构思还有：

补液装置的主要作用是为保证工况下透明管内的水银达到应有高度，在满足上述条件要求下的补液装置可以采用多种技术解决措施，其中优选的技术实现手段是，所述的补液装置包括外壁固定于第二储液筒一侧的水银储存管，盛装于水银储存管内的水银，设置于水银储存管内且由手柄控制的活塞，水银储存管的出口通过第二阀门及管路与透明管内部连通。

为满足测量的要求，优选的技术方案是，所述的透明管内盛装的水银高度与待测位置和参考位置的位置高度差相对应。

申请人需要说明的是，所述的第一、第二静力水准仪分别安装于水平高位及水平低位。在实际使用中第一、第二静力水准仪可以有多个，采用管道将第一、第二静力水准仪串联。使用时首先对第一静力水准仪的储液筒和第二静力水准仪的储液筒充液，然后安装第一静力水准仪于水平高位的待测位置，并根据测量需要将第二静力水准仪布置于水平低位的待测位置，然后选取安装第一静力水准仪的待测位置中一个作为参考位置，依据其与安装各第二静力水准仪的待测位置高度差分别计算出与各第二静力水准仪相连的透明管中需加入的水银高度。

基准位置置于一个相对待测位置稳定的水平点，根据基准位置处于水平高位或水平低位选择第一静力水准仪或第二静力水准仪对应安装。

为便于管道的布置，优选的技术方案是，所述的管道选用柔性管。其中包括但不局限于采用塑料管、尼龙管等，均不脱离本发明的技术实质。

测量不同高程点沉降量的测量机构在测量不同高程点沉降量中的应用，具体包括如下步骤：

A、储液筒充液：打开第一储液筒和第二储液筒底部的第三阀门，将第一储液筒和第二储液筒中充入水至液面等高后关闭第三阀门；

B、安装储液筒：将第一储液筒和第二储液筒分别对应安装于水平位置处于高位及低位的待测位置处，选取第一储液筒或第二储液筒安装在基准位置；

C、连通管道：安装补液装置，将管道中充入水并排除管道中的气泡，通过管道把位于待测位置及基准位置的第一储液筒、第二储液筒串联；

D、添加水银：根据如下公式计算出需加入透明管的水银高度，打开第二阀门以及第二储液筒上的第三阀门，关闭其它阀门；推动活塞将水银储存管内的水银注入透明管内至所计算的高度；关闭第二阀门，打开第一阀门以及第一储液筒上的第三阀门；

h3＝h÷13.6

其中：

13.6为水银密度；

h3：需加入透明管的水银高度；

h：参考位置与安装各第二静力水准仪的待测位置高度差；

E、数据采集处理：待系统处于稳定状态后，第一位移传感器和第二位移传感器分别对应采集第一储液筒和第二储液筒内的因第一浮球、第二浮球高度变化而产生的液位高度数据，将信号经数据采集模块传递给中央处理装置；

F、沉降高度计算：中央处理装置根据如下公式计算得出待测位置沉降量并显示；

△h＝(h2’-h1’)-(h2-h1)

其中：

h1：未发生沉降前待测位置的液位高度测量值；

h2：未发生沉降前基准位置的液位高度测量值；

△h：待测位置沉降量；

h1’：发生沉降后的待测位置的液位高度测量值；

h2’：发生沉降后的基准位置的液位高度测量值。

申请人需要说明的是，步骤A中的水可以利用导管将第一、第二储液筒下部的第三阀门连通，并利用连通器的原理使第一、第二储液筒内的液面等高；还可选择将水自第三阀门分别加入第一、第二储液筒；二者均不脱离本发明的技术实质。

使用中为避免出现过多的水垢，优选的技术方案是加入去离子水或蒸馏水以减少其中的钙镁离子，如果气候寒冷为防止体系中的水结冰，可以采用多种防冻措施，例如添加防冻液、在水中添加氯化钠等，因其属于现有技术，申请人在此不再赘述。

申请人需要说明的是：

在本发明的描述中，术语“信号输出端”、“高位”、“低位”、“水平”、“底部”、“外壁”、“内部”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，仅是为了便于简化描述本发明，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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示数量或暗示相对重要性。

本发明所具备的实质性特点及取得的显著技术进步在于：

1、采用将静力水准仪的储液筒分别设置于待测的水平高位及水平低位，并结合透明管中可移动的活塞隔膜封装水银的结构设计，一是基于连通器的原理，可以通过储液筒内的液位变化计算并得出待测位置沉降量,较好地满足了测量不同高程点沉降量的需求；二是选用水银作为透明管内的工质，由于水银相比储液筒内的工质而言具有较高的密度且二者不相溶，可明显降低处于水平低位的第二静力水准仪中储液筒内工质的液面高度，在不增加静力水准仪体积的同时能够在安装空间狭小(待测位置上方有遮盖物或固定构筑物，例如隧道等)的情况下满足静力水准仪的安装及测量需要。

2、采用补液装置对透明管内的水银进行补偿的结构设计，由于可根据参考位置与安装各第二静力水准仪的待测位置高度差控制第二阀门及活塞的动作，进而调整透明管内的水银高度以满足不同高程点沉降高度的测量需求，大大提高了本装置的可适用性。

3、可以根据测量需要，在多个待测位置对储液筒、传感器进行对应性的布置，以节约检测时间，提高检测效率。

4、采用中央处理装置接收位移传感器信号，通过计算得出待测位置的沉降量，可以方便通过人机界面进行显示以及数据分析，同时便于实现自动化控制。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的控制原理图。

图3是图2的A部局部放大图。

附图中的附图标记如下：

1、第一储液筒；2、第二储液筒；3、管道；4、第一浮球；5、第二浮球；6、第二位移传感器；7、第一位移传感器；8、第一阀门；9、第二阀门；10、工质储存管；11、活塞；12、透明管；13、活塞隔膜；14、第三阀门。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述，但不应理解为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范围。

本实施例的整体结构如图示，其中测量不同高程点沉降量的测量机构，包括由储液筒、位于储液筒内液面上的浮球及位移传感器组成的静力水准仪，位移传感器的信号输出端连接中央处理装置并将所测得的位移信号输出至中央处理装置，由中央处理装置通过计算得出待测位置沉降高度值；所述静力水准仪包括设置于水平位置处于高位的第一静力水准仪、设置于水平位置处于低位的第二静力水准仪，以及设置于基准位置的第一静力水准仪或第二静力水准仪；位移传感器包括设置于第一静力水准仪上的第一位移传感器7、设置于第二静力水准仪上的第二位移传感器6；第二静力水准仪上的第二储液筒2底部出口通过第三阀门14与纵向设置且带有刻度的透明管12上端连通，第一储液筒1底部的第三阀门14依次通过第一阀门8及管道3与透明管12的下端连通，透明管12内盛装有水银且与补液装置连通，水银下方的透明管12底部装配有可随液面升降产生纵向位移的活塞隔膜13。

所述的补液装置包括外壁固定于第二储液筒2一侧的水银储存管10，盛装于水银储存管10内的水银，设置于水银储存管10内且由手柄控制的活塞11，水银储存管10的出口通过第二阀门9及管路与透明管12内部连通。

所述的第二储液筒2底部的第三阀门14是安装储液筒之前对储液筒中充液所用。

本实施例中基准位置为水平高位，选择安装于水平高位的第一静力水准仪作为基准位置的静力水准仪。

所述的透明管12内盛装的水银高度与待测位置和基准位置的位置高度差相对应。

所述的管道3选用柔性管。

测量不同高程点沉降量的测量机构在测量不同高程点沉降量中的应用，具体包括如下步骤：

A、储液筒充液：打开第一储液筒1和第二储液筒2底部的第三阀门14，将第一储液筒1和第二储液筒2中充入水至液面等高后关闭第三阀门14；

B、安装储液筒：将第一储液筒1和第二储液筒2分别对应安装于水平位置处于高位及低位的待测位置处，选取第一储液筒1或第二储液筒2安装在基准位置；

C、连通管道：安装补液装置，将管道3中充入水并排除管道3中的气泡，通过管道3把位于待测位置及基准位置的第一储液筒1、第二储液筒2串联；

D、添加水银：根据如下公式计算出需加入透明管12的水银高度，打开第二阀门9以及第二储液筒2上的第三阀门14，关闭其它阀门；推动活塞11将水银储存管10内的水银注入透明管12内至所计算的高度；关闭第二阀门9，打开第一阀门8及第一储液筒1上的第三阀门14；

h3＝h÷13.6

其中：

13.6为水银密度；

h3：需加入透明管的水银高度；

h：参考位置与安装各第二静力水准仪的待测位置高度差；

E、数据采集处理：待系统处于稳定状态后，第一位移传感器7和第二位移传感器6分别对应采集第一储液筒1和第二储液筒2内的因第一浮球4、第二浮球5高度变化而产生的液位高度数据，将信号经数据采集模块传递给中央处理装置；

F、沉降高度计算：中央处理装置根据如下公式计算得出待测位置沉降量并显示；

△h＝(h2’-h1’)-(h2-h1)

其中：

h1：未发生沉降前待测位置的液位高度测量值；

h2：未发生沉降前基准位置的液位高度测量值；

△h：待测位置沉降量；

h1’：发生沉降后的待测位置的液位高度测量值；

h2’：发生沉降后的基准位置的液位高度测量值。

其余内容如前述。

Claims (4)

1.测量不同高程点沉降量的测量机构，包括由储液筒、位于储液筒内液面上的浮球及位移传感器组成的静力水准仪，位移传感器的信号输出端连接中央处理装置并将所测得的位移信号输出至中央处理装置，由中央处理装置通过计算得出待测位置沉降高度值；其特征在于所述静力水准仪包括水平位置处于高位的静力水准仪、水平位置处于低位的静力水准仪，以及设置于基准位置的静力水准仪，设置于基准位置的静力水准仪与水平位置处于高位的静力水准仪或水平位置处于低位的静力水准仪结构相同；位移传感器包括设置于水平位置处于高位的静力水准仪上的第一位移传感器(7)、设置于水平位置处于低位的静力水准仪上的第二位移传感器(6)；水平位置处于低位的静力水准仪上的第二储液筒(2)底部出口通过第三阀门(14)与纵向设置且带有刻度的透明管(12)上端连通，水平位置处于高位的静力水准仪上的第一储液筒(1)底部的第三阀门(14)依次通过第一阀门(8)及管道(3)与透明管(12)的下端连通，透明管(12)内盛装有水银且与补液装置连通，水银下方的透明管(12)底部装配有可随液面升降产生纵向位移的活塞隔膜(13)；所述的补液装置包括外壁固定于第二储液筒(2)一侧的水银储存管(10)，盛装于水银储存管(10)内的水银，设置于水银储存管(10)内且由手柄控制的活塞(11)，水银储存管(10)的出口通过第二阀门(9)及管路与透明管(12)内部连通；所述的透明管(12)内盛装的水银高度与待测位置和基准位置的位置高度差相对应。

2.根据权利要求1所述的测量不同高程点沉降量的测量机构，其特征在于所述的管道(3)选用柔性管。

3.根据权利要求1或2所述的测量不同高程点沉降量的测量机构在测量不同高程点沉降量中的应用。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于包括如下步骤：

A、储液筒充液：打开第一储液筒(1)和第二储液筒(2)底部的第三阀门(14)，将第一储液筒(1)和第二储液筒(2)中充入水至液面等高后关闭第三阀门(14)；

B、安装储液筒：将第一储液筒(1)和第二储液筒(2)分别对应安装于水平位置处于高位及低位的待测位置处，另外选取第一储液筒(1)或第二储液筒(2)安装在基准位置，所述基准位置置于一个相对待测位置稳定的水平点，根据基准位置处于水平高位或水平低位，选择相应的静力水准仪对应安装；

C、连通管道：安装补液装置，将管道(3)中充入水并排除管道(3)中的气泡，通过管道(3)把位于待测位置及基准位置的储液筒串联；

D、添加水银：根据如下公式计算出需加入透明管(12)的水银高度，打开第二阀门(9)以及第二储液筒(2)上的第三阀门(14)，关闭其它阀门；推动活塞(11)将水银储存管(10)内的水银注入透明管(12)内至所计算的高度；关闭第二阀门(9)，打开第一阀门(8)及第一储液筒(1)上的第三阀门(14)；

h3＝h÷13.6

其中：

13.6为水银密度；

h3：需加入透明管的水银高度；

h：选取安装水平位置处于高位的静力水准仪待测位置中的一个作为参考位置，参考位置与安装各水平位置处于低位的静力水准仪的待测位置高度差；

E、数据采集处理：待系统处于稳定状态后，第一位移传感器(7)和第二位移传感器(6)分别对应采集第一储液筒(1)和第二储液筒(2)内的因第一浮球(4)、第二浮球(5)高度变化而产生的液位高度数据，将信号经数据采集模块传递给中央处理装置；

F、沉降高度计算：中央处理装置根据如下公式计算得出待测位置沉降量并显示；

△h＝(h2’-h1’)-(h2-h1)

其中：

h1：未发生沉降前待测位置的液位高度测量值；

h2：未发生沉降前基准位置的液位高度测量值；

△h：待测位置沉降量；

h1’：发生沉降后的待测位置的液位高度测量值；

h2’：发生沉降后的基准位置的液位高度测量值。

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