壓差式靜力水準(zhǔn)儀 一、靜力水準(zhǔn)儀簡(jiǎn)介 重力是對(duì)結(jié)構(gòu)健康影響最大的外力因素，因此結(jié)構(gòu)的垂直位移最能代表結(jié)構(gòu)位置的變化。垂直位移也稱為沉降。 傳統(tǒng)的人工測(cè)量過于

壓差式靜力水準(zhǔn)儀

一、靜力水準(zhǔn)儀簡(jiǎn)介
重力是對(duì)結(jié)構(gòu)健康影響最大的外力因素，因此結(jié)構(gòu)的垂直位移最能代表結(jié)構(gòu)位置的變化。垂直位移也稱為沉降。
傳統(tǒng)的人工測(cè)量過于耗時(shí)，監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，只能反映變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)。很難對(duì)快速變化的垂直位移做出反應(yīng)。靜態(tài)水平儀可用于在線自動(dòng)測(cè)量沉降數(shù)據(jù)。

靜力水準(zhǔn)儀原理是什么?

二、靜力水平儀的原理和分類
靜態(tài)水平儀按照連接管的原理工作：注入液體后，液體在大氣壓力和重力的作用下最終保持在同一水平面。測(cè)量測(cè)量點(diǎn)液位的變化，得到測(cè)量點(diǎn)位置的變化。
根據(jù)這一原則，市場(chǎng)上出現(xiàn)了液位靜態(tài)水平儀和壓差靜態(tài)水平儀。液位水平儀通過測(cè)量每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的液位變化高度來計(jì)算沉降，而壓差靜態(tài)水平儀通過計(jì)算不同測(cè)量點(diǎn)之間的液體壓力變化，然后除以液體密度和重力加速度來獲得沉降值。
由于液位靜力水平儀原理簡(jiǎn)單，液位變化直觀，液位測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，因此種類繁多。液位測(cè)量方法包括機(jī)械式和非機(jī)械式。
機(jī)械液位測(cè)量是將浮球放入液位中。當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，浮球會(huì)隨液位而變化。通過測(cè)量浮球位置的變化，可以得到液位的變化。通過磁致伸縮原理實(shí)現(xiàn)了測(cè)量浮球位置的常見變化。
超聲波、電容、毫米波雷達(dá)、機(jī)器視覺、壓差等非機(jī)械式液位測(cè)量方法。
超聲波和毫米波液位測(cè)量的原理是當(dāng)超聲波或電磁波與液體和氣體的界面相遇時(shí)，測(cè)量超聲波在液體中傳播的時(shí)間，并根據(jù)液體中聲波的速度計(jì)算液位。
機(jī)器視覺是利用相機(jī)裝置觀察液體表面光點(diǎn)位置輔助激光束的變化，并計(jì)算液位的變化。由于相機(jī)設(shè)備的光學(xué)設(shè)備將受到水蒸氣的屏蔽和侵蝕的影響，視頻數(shù)據(jù)的解決需要硬件和軟件支持，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，成本高，應(yīng)用較少，因此本文不介紹。
電容式液位測(cè)量的原理是當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，液體與上金屬之間的電容會(huì)發(fā)生變化。通過測(cè)量電容的變化，可以得到液位的變化。因?yàn)橛绊戨娙莸牟粌H僅是兩極板之間的距離，所以電容的變化會(huì)受到液體上方空氣密度、溫度和結(jié)構(gòu)件幾何尺寸的影響，測(cè)量范圍小。由于電容式液位測(cè)量的缺點(diǎn)，目前市場(chǎng)上已經(jīng)很少見，所以本文不作進(jìn)一步介紹。

三、常見靜力水平儀介紹
下面分別介紹了市場(chǎng)上常見且應(yīng)用較多的靜力水平儀，以幫助行業(yè)合作伙伴根據(jù)項(xiàng)目情況正確選擇靜力水平儀。
1.磁致伸縮靜力水平儀

原理：磁致伸縮是指鐵磁體中磁化方向的變化會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)晶格間距的變化，從而改變鐵磁體的長(zhǎng)度和體積。磁致伸縮液位傳感器利用磁致伸縮效應(yīng)計(jì)算磁場(chǎng)交叉點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，利用兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交時(shí)檢測(cè)到的應(yīng)變脈沖信號(hào)的時(shí)間，從而測(cè)量液位的高度。
磁致伸縮液位水平儀的傳感器測(cè)桿外配有浮子，可隨著液位的變化沿測(cè)桿上下移動(dòng)。浮子內(nèi)有一組永久磁環(huán)。當(dāng)脈沖電流磁場(chǎng)與浮子產(chǎn)生的磁環(huán)磁場(chǎng)相遇時(shí)，浮子周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，使由磁致伸縮材料制成的波導(dǎo)線在浮子所在的位置產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)波脈沖，沿波導(dǎo)線以固定的速度傳回，由檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)。浮子的位置，即液面的位置，可以通過測(cè)量脈沖電流和扭轉(zhuǎn)波之間的時(shí)間差來準(zhǔn)確確定。

優(yōu)點(diǎn)：
磁性膨脹液位靜力水平儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液位變化直觀，價(jià)格相對(duì)便宜，主要用于石油、化工原料儲(chǔ)存、生化、醫(yī)藥、食品飲料、大壩水位、水庫水位監(jiān)測(cè)和污水處理。近年來，業(yè)內(nèi)人士一直在觀察建筑結(jié)構(gòu)的沉降情況。
缺點(diǎn)：
(1)安裝不便:根據(jù)液位變化測(cè)量磁致伸縮液位靜態(tài)水平儀，體積大，部分場(chǎng)地難以安裝，如鋼軌、道岔等結(jié)構(gòu)件。
(2)測(cè)量范圍較小:磁致伸縮液位靜力水平儀的測(cè)量范圍不超過液體的高度，受液體高度的限制，測(cè)量范圍一般為100-200mm，現(xiàn)場(chǎng)安裝使用時(shí)需要用水準(zhǔn)儀進(jìn)行平整，水準(zhǔn)儀盡量安裝在同一水準(zhǔn)面上，以充分利用量程。
(3)靈敏度和精度低:由于使用浮球，存在移動(dòng)部件，部件之間的摩擦導(dǎo)致位移反應(yīng)小，靈敏度和精度低。而且體積大，使用有限，有些地方甚至很難看。測(cè)量范圍更有限，常規(guī)是100-200mm，很難達(dá)到大量程。
(4)抗電磁干擾能力差:由于液位變化是通過磁場(chǎng)變化獲得的，抗電磁干擾能力較弱，不建議在電廠、高速鐵路接觸網(wǎng)和大型電力設(shè)備附近使用。
（5）環(huán)境溫度影響較大：浮球體積較大。如果溫度變化較大，浮子內(nèi)部空氣體積的變化會(huì)導(dǎo)致浮力的變化，此時(shí)浮力會(huì)帶來較大的系統(tǒng)誤差。因此，在相同的溫度下進(jìn)行數(shù)據(jù)比較是合適的。在晝夜溫度變化較強(qiáng)的地方，必須進(jìn)行防熱處理。
2、超聲靜力水平儀表

原理：超聲靜力水平儀的基本原理與磁致伸縮液位水平儀的基本原理相同。不同之處在于使用超聲波來測(cè)量液位的高度。超聲波信號(hào)由安裝在儀器底部的超聲波探頭發(fā)出，到達(dá)液位時(shí)反射回來。液體高度可根據(jù)探頭接收到的反射回波的時(shí)間差和液體中超聲波的傳播速度來計(jì)算。
優(yōu)點(diǎn)：
超聲靜力水平儀的優(yōu)點(diǎn)是無機(jī)械活動(dòng)器件，傳感器不與液體接觸，抗電磁干擾能力強(qiáng)。溫度傳感器可以補(bǔ)償液體中超聲波速度隨溫度變化的因素，與磁致伸縮水平儀相比，精度更高。當(dāng)代的MCU可以測(cè)量的時(shí)差是幾個(gè)皮秒，相當(dāng)于0的光行走.1mm使用距離的時(shí)間。結(jié)合優(yōu)質(zhì)壓電陶瓷換能器和優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超聲波靜力水平儀的精度可以達(dá)到0.1mm級(jí)別。
缺點(diǎn)：
(1)安裝不便：超聲靜力水準(zhǔn)儀的基本原理與磁致伸縮水準(zhǔn)儀一樣，通過液位測(cè)量來實(shí)現(xiàn)功能，因此體積大，安裝不方便。
(2)量程?。撼曥o力水平儀受液體高度的限制，量程一般為100-300mm，現(xiàn)場(chǎng)安裝使用時(shí)需要用水準(zhǔn)儀進(jìn)行平整，水準(zhǔn)儀盡量安裝在同一水準(zhǔn)面上，以充分利用量程。
（3）高使用要求：液體表面和內(nèi)部的氣泡、懸浮固體、水質(zhì)等會(huì)改變液體中超聲波的傳播速度，導(dǎo)致測(cè)量誤差。應(yīng)采取保溫措施，避免液體蒸發(fā)、氣泡等的影響。
(4)受測(cè)點(diǎn)傾斜影響較大:當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，會(huì)逐漸擴(kuò)大，不再是理想的測(cè)距線。隨著傳輸距離的增加，當(dāng)它到達(dá)液體表面時(shí)，它會(huì)逐漸擴(kuò)展成一個(gè)圓面。
以下公式滿足超聲波發(fā)散角度：Sine() = 1.2 * V/(DF)，其中 發(fā)散角，V這是液體中的聲速，D為壓電換能器直徑，F(xiàn)超聲波頻率。從上面的公式可以看出，當(dāng)量程較大，液體傾斜時(shí)，發(fā)散角增大，會(huì)影響測(cè)距精度。
(5)價(jià)格較高:高精度超聲靜力水平儀需要使用高質(zhì)量的超聲靜力水平儀MCU、結(jié)合溫度傳感器和傾角傳感器的數(shù)據(jù)，壓電陶瓷換能器和罐體結(jié)構(gòu)件采用軟件算法補(bǔ)償測(cè)距數(shù)據(jù)，成人成本高。
總結(jié):超聲波靜力水平儀是一種精密的精致儀器，對(duì)使用環(huán)境要求較高，適合室內(nèi)使用，如科研院所、地鐵、隧道等環(huán)境溫度變化較小的場(chǎng)景，液體介質(zhì)室外現(xiàn)場(chǎng)和其他項(xiàng)目中，一些客戶也在嘗試使用，具體的使用效果有待驗(yàn)證。
3.壓差靜力水平儀