CN113932765A - 基于温度补偿的高精度静力水准仪及其温度补偿方法 - Google Patents

基于温度补偿的高精度静力水准仪及其温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度补偿的高精度静力水准仪，装有压力芯体，温度传感器和数据处理芯片，所述温度传感器和压力芯体连接所述数据处理芯片。本发明采用的温度补偿方法包括：S1、将静力水准仪放置在恒温箱内，将加压器作用于所述压力芯体，将数据处理芯片与上位机通讯连接；S2、对恒温箱设置温度梯度，并在每个温度梯度的保温过程中，控制加压器将压强依次按压强梯度升压、降压；S3、数据处理芯片实时将温度信号、压强信号、以及静力水准仪输出值，处理后上传到上位机；S4、上位机计算得到温度补偿公式，写入所述数据处理芯片，计算当前的温度补偿值。解决环境因素影响静力水准仪沉降测量精度的问题。

Description

基于温度补偿的高精度静力水准仪及其温度补偿方法
技术领域
本发明涉及仪器测量技术领域，尤其涉及一种基于温度补偿的高精度静力水准仪及其温度补偿方法。
背景技术
静力水准仪是一种高精密液位测量系统，该系统适用于测量多点的相对沉降。在使用中，多个静力水准仪的容器用通液管联接，每一容器的液位由相关传感器测出，进而可测出各测点的液位变化量。但是当其安装在施工现场(房屋、地铁、桥梁现场)时，由于施工现场的环境因素影响，特别是环境温度，导致静力水准仪内部的压力芯体感知的压强有误差，进而导致静力水准仪的沉降测量精度下降，影响监测安全判断决策，不能很准确的对建筑物的安全监测进行实时安全的预警。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供一种基于温度补偿的高精度静力水准仪及其温度补偿方法，解决环境因素影响沉降测量精度的问题。
(二)技术方案
基于上述的技术问题，本发明提供一种基于温度补偿的高精度静力水准仪，所述静力水准仪内装有将静力水准仪内部的腔体分隔成液腔和气腔两个腔体的用于测量静力水准仪内压差的压力芯体，还包括安装在静力水准仪上的温度传感器和数据处理芯片，所述温度传感器和压力芯体连接所述数据处理芯片，所述数据处理芯片能与上位机通讯连接，用于对数据进行存储、传输以及运算。
本发明也公开了一种基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，包括以下步骤：
S1、将所述静力水准仪放置在恒温箱内，将加压器作用于所述压力芯体，将所述数据处理芯片与上位机通讯连接；
S2、对恒温箱设置温度梯度，模拟静力水准仪的环境温度，并在每个温度梯度的保温过程中，控制加压器将压强依次按压强梯度升压至最高压强梯度，然后依次按压强梯度降压；
S3、所述数据处理芯片实时采集温度传感器检测的温度信号、压力芯体检测的压强信号、以及各温度、压强信号的组合对应的静力水准仪输出值，进行数据预处理后，上传到上位机；
S4、所述上位机计算得到温度补偿公式，写入所述数据处理芯片，所述数据处理芯片根据实时采集的温度、压强信号的组合计算当前对应的温度补偿值，修正静力水准仪的输出值当前对应的温度补偿值；
所述温度补偿公式如下所示，求解P即为温度补偿值：
c2PP2+(c1P+ctPT)P-[N(T,P)-N0-c1tT-c2tT2]＝0，
其中，N(T,P)为在当前温度值，当前压强条件下静力水准仪对应的输出值；T为温度传感器测量的当前环境温度值；P为静力水准仪在当前环境温度时当前压力芯体两测压差，即温度补偿值；N0，c1t，c2t，c1P，c2P，ctP为温度补偿参数。
进一步的，步骤S4包括以下步骤：
S4.1、构建静力水准仪的温补算法模型：
Figure BDA0003325476510000031
其中：N(i+j-1)(Ti,Pi,j)为在第i次温度传感器测量的内部温度值，第j次压力芯体两侧压差给定值条件下静力水准仪对应的输出值；Ti为静力水准仪第i次温度传感器测量内部温度值；Pi,j为静力水准仪第i次温度传感器测量内部温度值时第j次压力芯体两测压差给定值；
S4.2、将所述温补算法模型转换为矩阵模式，输入上传的所述温度信号、压强信号、及对应的平均输出值，计算得到温补算法模型的参数:X＝(N0 c1t c2t c1p c2p ctp)T，X＝(ATA)-1ATY
Figure BDA0003325476510000032
Y88×1＝(y1,…,y8)T
Figure BDA0003325476510000033
S4.3、带入所述温补算法模型的参数，将所述温补算法模型转换成关于压差P的二次方程，即温度补偿公式：
c2PP2+(c1P+ctPT)P-[N(T,P)-N0-c1tT-c2tT2]＝0；
S4.4、将所述温度补偿公式写入数据处理芯片中，所述数据处理芯片根据实时采集的温度、压强信号的组合计算当前对应的温度补偿值，修正静力水准仪的输出值。
进一步的，所述数据处理芯片与上位机通过RS485串口线连接。
进一步的，所述温度梯度和压强梯度均为等差数列。
进一步的，所述温度梯度为-10℃、0℃、10℃、20℃……60℃设置8段。
进一步的，所述压强梯度为0Kpa、1Kpa、2Kpa……10Kpa设置11段。
进一步的，每个温度梯度保温1h，相邻温度梯度升温时间为0.5h。
进一步的，每个压强梯度保持6分钟。
进一步的，所述上位机采集数据频率为每10s采集一次。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明通过二元二次的最小二乘温度补偿算法模型，考虑环境温度和内部压差对静力水准仪精度的影响，既克服温度对静力水准仪的测量精度的影响，也克服仪器内部压强对静力水准仪的测量精度的影响，通过建模模型得到的压差，修正环境温度和内部压差对测量值的影响，提高静力水准仪的测量精度；
(2)本发明的建模模型的初始数据中包括压差数据，根据温度补偿公式得到压差，由于静力水准仪的压力芯体将静力水准仪内部的腔体分隔成液腔和气腔两个腔体，气腔用于和大气连通受到的是大气压，液腔受到的是液压加大气压，所以这里的压差是液腔和气腔的压强差，以压强差进行建模计算，不用对初始压力进行标定，简化温度补偿方法，也提高了测量精度；
(3)本发明的静力水准仪，仅通过安装的温度传感器和压力芯体就能实现测量修正，不用进行复杂的操作进行修正，简单方便，便于测量人员的操作。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例的一种基于温度补偿的高精度静力水准仪的实验平台及原理示意图；
图2为本发明实施例的一种基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法流程示意图；
图3为本发明实施例的温度补偿后与温度补偿前的误差对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明为一种基于温度补偿的高精度静力水准仪，所述静力水准仪内装有将静力水准仪内部的腔体分隔成液腔和气腔两个腔体的用于测量静力水准仪内压差的压力芯体，从而根据压差得到液位变化量；而本发明还包括安装在静力水准仪上的用于检测静力水准仪所处环境温度的温度传感器和数据处理芯片，所述温度传感器和压力芯体连接所述数据处理芯片，所述数据处理芯片能与上位机通讯连接，用于对数据进行存储、传输以及运算，初次使用或需要更新时，需要与上位机通讯连接，数据处理、上传采集数据和接收上位机发送的温度补偿公式，日常使用时，不需要与上位机通讯连接，自行运算出温度补偿值修正静力水准仪的输出值。通过以下方法实现静力水准仪的温度补偿：
S1、搭建静力水准仪的温度补偿实验平台：将所述静力水准仪放置在恒温箱内，将加压器作用于所述压力芯体，将所述数据处理芯片与上位机通讯连接；数据处理芯片与上位机通过RS485串口线连接，也可以无线连接；
S2、对恒温箱设置温度梯度，模拟静力水准仪的环境温度，并在每个温度梯度的保温过程中，控制加压器将压强依次按压强梯度升压至最高压强梯度，然后依次按压强梯度降压；
所述温度梯度和压强梯度，分别为根据静力水准仪的适宜温度和适宜压强设置的等差数列，本实施例中，温度梯度为-10℃、0℃、10℃、20℃……60℃设置8段，每个温度梯度保温1h，相邻温度梯度升温时间为0.5h，压强梯度为0Kpa、1Kpa、2Kpa……10Kpa设置11段，每个压强梯度保持6分钟；
S3、数据处理芯片实时采集温度传感器检测的温度信号、压力芯体检测的压强信号、以及各温度、压强信号的组合对应的静力水准仪输出值，进行数据预处理后，上传到上位机；
数据处理芯片对采集数据预处理，将相同的温度、压强信号的组合对应的各静力水准仪输出值取平均输出值；上位机采集数据频率为每10s采集一次，采集的某静力水准仪的各温度梯度、压强梯度及对应的输出值如表1所示，其中115为某静力水准仪的地址，第一列为各压强梯度，第一行为各温度梯度；
表1某静力水准仪在不同温度梯度、压强梯度下对应的输出值
Figure BDA0003325476510000071
S4、所述上位机计算得到温度补偿公式，写入所述数据处理芯片，所述数据处理芯片根据实时采集的温度、压强信号的组合计算当前对应的温度补偿值，修正静力水准仪的输出值；
S4.1、构建静力水准仪的温补算法模型：
Figure BDA0003325476510000072
其中：
N(i+j-1)(Ti,Pi,j)为在第i次温度传感器测量的内部温度值，第j次压力芯体两侧压差给定值条件下静力水准仪对应的输出值(单位：pa)；
Ti为静力水准仪第i次温度传感器测量内部温度值(单位：℃)；
Pi,j为静力水准仪第i次温度传感器测量内部温度值时第j次压力芯体两测压差给定值(单位：kpa)；
N0为静力水准仪的初始输出值；
c1t，c2t，c1P，c2P，ctP为模型参数；
S4.2、将所述温补算法模型转换为矩阵模式，输入上传的所述温度信号、压强信号、及对应的平均输出值，计算得到温补算法模型的参数:
X6×1＝(N0 c1t c2t c1p c2p ctp)T；
将式(1)写成矩阵形式如下：
AX＝Y (2)
其中矩阵A及各矢量定义如下：
Figure BDA0003325476510000081
其中，
Figure BDA0003325476510000082
X6×1＝(N0 c1t c2t c1p c2p ctp)T
Y88×1＝(y1,…,y8)T
Figure BDA0003325476510000083
由(2)式得到：
X＝(ATA)-1ATY (3)
由此根据检测数据构成的A和Y可以计算得到参数矢量X6×1＝(N0 c1t c2t c1p c2pctp)T；
S4.3、带入所述温补算法模型的参数，将所述温补算法模型转换成关于压差P的二次方程，即温度补偿公式；
忽略下标，重写(1)式如下：
N(T,P)＝N0+c1tT+c2tT2+c1PP+c2PP2+ctPTP
进行变换后得到：
c2PP2+(c1P+ctPT)P-[N(T,P)-N0-c1tT-c2tT2]＝0
其中，N(T,P)为在当前温度值，当前压强条件下静力水准仪对应的输出值；T为温度传感器测量的当前环境温度值；P为静力水准仪在当前环境温度时当前压力芯体两测压差，即温度补偿值；由于X6×1＝(N0 c1t c2t c1p c2p ctp)T和温度T已知，所以上式变成压差P的二次方程，简单利用二次方程求解公式即可得到正的压差值。
S4.4、将所述温度补偿公式写入数据处理芯片中，所述数据处理芯片根据实时采集的温度、压强信号的组合计算当前对应的温度补偿值，修正静力水准仪的输出值。
数据处理芯片能对数据进行存储、传输以及运算，从而根据实时采集的温度、压强信号的组合计算当前对应的温度补偿值，实现静力水准仪的输出值的修正，如图3所示，本发明温补后的误差的绝对值均小于1，相比于温补前，修正效果显著。
综上可知，通过上述的一种基于温度补偿的高精度静力水准仪及其温度补偿方法，具有以下有益效果：
(1)本发明通过二元二次的最小二乘温度补偿算法模型，考虑环境温度和内部压差对静力水准仪精度的影响，既克服温度对静力水准仪的测量精度的影响，也克服仪器内部压强对静力水准仪的测量精度的影响，通过建模模型得到的压差，修正环境温度和内部压差对测量值的影响，提高静力水准仪的测量精度；
(2)本发明的建模模型的初始数据中包括压差数据，根据温度补偿公式得到压差，由于静力水准仪的压力芯体将静力水准仪内部的腔体分隔成液腔和气腔两个腔体，气腔用于和大气连通受到的是大气压，液腔受到的是液压加大气压，所以这里的压差是液腔和气腔的压强差，以压强差进行建模计算，不用对初始压力进行标定，简化温度补偿方法，也提高了测量精度；
(3)本发明的静力水准仪，仅通过安装的温度传感器和压力芯体就能实现测量修正，不用进行复杂的操作进行修正，简单方便，便于测量人员的操作。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于温度补偿的高精度静力水准仪，所述静力水准仪内装有将静力水准仪内部的腔体分隔成液腔和气腔两个腔体的用于测量静力水准仪内压差的压力芯体，其特征在于，还包括安装在静力水准仪上的温度传感器和数据处理芯片，所述温度传感器和压力芯体连接所述数据处理芯片，所述数据处理芯片能与上位机通讯连接，用于对数据进行存储、传输以及运算。
2.一种根据权利要求1所述的基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将所述静力水准仪放置在恒温箱内，将加压器作用于所述压力芯体，将所述数据处理芯片与上位机通讯连接；
S2、对恒温箱设置温度梯度，模拟静力水准仪的环境温度，并在每个温度梯度的保温过程中，控制加压器将压强依次按压强梯度升压至最高压强梯度，然后依次按压强梯度降压；
S3、所述数据处理芯片实时采集温度传感器检测的温度信号、压力芯体检测的压强信号、以及各温度、压强信号的组合对应的静力水准仪输出值，进行数据预处理后，上传到上位机；
S4、所述上位机计算得到温度补偿公式，写入所述数据处理芯片，所述数据处理芯片根据实时采集的温度、压强信号的组合计算当前对应的温度补偿值，修正静力水准仪的输出值当前对应的温度补偿值；
所述温度补偿公式如下所示，求解P即为温度补偿值：
c2PP2+(c1P+ctPT)P-[N(T,P)-N0-c1tT-c2tT2]＝0，
其中，N(T,P)为在当前温度值，当前压强条件下静力水准仪对应的输出值；T为温度传感器测量的当前环境温度值；P为静力水准仪在当前环境温度时当前压力芯体两测压差，即温度补偿值；N0，c1t，c2t，c1P，c2P，ctP为温度补偿参数。
3.根据权利要求2所述的基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：
S4.1、构建静力水准仪的温补算法模型：
Figure FDA0003325476500000021
其中：N(i+j-1)(Ti,Pi,j)为在第i次温度传感器测量的内部温度值，第j次压力芯体两侧压差给定值条件下静力水准仪对应的输出值；Ti为静力水准仪第i次温度传感器测量内部温度值；Pi,j为静力水准仪第i次温度传感器测量内部温度值时第j次压力芯体两测压差给定值；
S4.2、将所述温补算法模型转换为矩阵模式，输入上传的所述温度信号、压强信号、及对应的平均输出值，计算得到温补算法模型的参数:X＝(N0 c1t c2t c1p c2p ctp)T，X＝(ATA)-1ATY
Figure FDA0003325476500000022
Y88×1＝(y1,…,y8)T，
Figure FDA0003325476500000023
S4.3、带入所述温补算法模型的参数，将所述温补算法模型转换成关于压差P的二次方程，即温度补偿公式：
c2PP2+(c1P+ctPT)P-[N(T,P)-N0-c1tT-c2tT2]＝0；
S4.4、将所述温度补偿公式写入数据处理芯片中，所述数据处理芯片根据实时采集的温度、压强信号的组合计算当前对应的温度补偿值，修正静力水准仪的输出值。
4.根据权利要求2所述的基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，其特征在于，所述数据处理芯片与上位机通过RS485串口线连接。
5.根据权利要求2所述的基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，其特征在于，所述温度梯度和压强梯度均为等差数列。
6.根据权利要求5所述的基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，其特征在于，所述温度梯度为-10℃、0℃、10℃、20℃……60℃设置8段。
7.根据权利要求5所述的基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，其特征在于，所述压强梯度为0Kpa、1Kpa、2Kpa……10Kpa设置11段。
8.根据权利要求2所述的基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，其特征在于，每个温度梯度保温1h，相邻温度梯度升温时间为0.5h。
9.根据权利要求2所述的基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，其特征在于，每个压强梯度保持6分钟。
10.根据权利要求2所述的基于温度补偿的高精度静力水准仪采用的温度补偿方法，其特征在于，所述上位机采集数据频率为每10s采集一次。
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