静力水准测量系统的制作方法

本发明具体涉及一种静力水准测量系统。

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。

现有技术中存在一些改进型的静力测量装置，如专利号为201620058851.6的中国实用新型专利公开了一种位移测量装置，包括至少一个压差式静力水准仪，压差式静力水准仪包括安装底座、外壳、腔体以及具有通孔的扩散硅压力传感器；腔体包括与进水口连通的第一开口、通过管道与出水口连通的第二开口以及与通孔连通的第三开口；扩散硅压力传感器的内部通过空心管与外界大气连通，且扩散硅压力传感器通过电缆线与外界设备连接。使用该测量系统进行测量时，各测点的传感器通过水管相互连通，水在前后端的两个水箱和各测点传感器之间流动，测量时需要一定的液体平衡时间，并且壳体没有开设视窗，无法确定液体灌注过程中是否存在气泡，也没有可以排除气泡的机构。因此，这种测量系统虽然比传统的静力测量仪性能优越，但仍然存在反应时间长，测量误差大、整体体积大的缺陷。

综上所述，急需一种结构小巧轻便、安装便捷、测试方法简单、测量精度高、响应速度快且长期稳定可靠的位移测量装置以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

为了进一步减小测量系统的体积、提高测量响应速度，本发明提供了一种静力水准测量系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种静力水准测量系统，包括储液罐、气体连接管、液体连接管和至少一个静力水准仪，所述储液罐包括第一气体腔室和第一液体腔室，

所述气体连接管和液体连接管的末端封闭，且所述气体连接管和液体连接管的另一端分别与所述第一气体腔室和第一液体腔室连通；

所述静力水准仪的气体腔室搭接在所述气体连接管上，以与所述第一气体腔室相通，使测量系统中所有气体腔室导通且压力平衡；

所述静力水准仪的液体腔室搭接在所述液体连接管上，以与所述第一液体腔室相通。

更具体地，本发明的静力水准测量系统中，所述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相对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壁上的上凸起部和所述下外壳内壁上的下凸起部隔成相互连通的右安装腔和左安装腔，所述上凸起部和下凸起部相对设置；

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，本发明的静力水准测量系统中，所述上外壳的侧壁上开设有与所述液腔连通的进液口，所述进液口上用不锈钢密封快插接头安装有进液管，所述进液管与所述液体连接管连通；

所述下外壳的侧壁上开设有与所述气腔连通的进气口，所述进气口上用不锈钢密封快插接头安装有进气管，所述进气管与所述气体连接管连通。

更具体地，本发明的静力水准测量系统中，所述液体连接管的外径为12-20mm；所述进液管外径6-10mm，所述进液管与所述液体连接管通过变径三通连通；

所述气体连接管外径为6-10mm，所述进气管的外径与所述气体连接管外径一致，所述进气管与所述气体连接管通过普通三通连通。

更具体地，本发明的静力水准测量系统中，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，所述排气孔用球头顶丝进行密封。

更具体地，本发明的静力水准测量系统中，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有机玻璃。

更具体地，本发明的静力水准测量系统中，所述有机玻璃和所述视窗之间设有第一密封圈，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，本发明的静力水准测量系统中，所述静力水准仪还包括电路板，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。

更具体地，本发明的静力水准测量系统中，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，用于将所述静力水准仪固定在测量点。

更具体地，本发明的静力水准测量系统中，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，本发明的静力水准测量系统中，所述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通过第一个变径三通与所述液体连接管连通；第一个静力水准仪的进气管通过第一个普通三通与所述气体连接管连通；

后一个静力水准仪的进液管通过第二个变径三通与所述液体连接管连通，后一个静力水准仪的进气管通过第二个普通三通与所述气体连接管连通；

连接所述气体连接管与最后一个静力水准仪的普通三通上安装有第一堵头；

连接所述液体连接管与最后一个静力水准仪的变径三通上安装有第二堵头；

测试时，系统中所有静力水准仪的气腔均与所述第一气体腔室相导通且压力平衡，系统中所有静力水准仪的液腔均与所述第一液体腔室相导通且没有液体流动。

本发明的有益效果：

1、本发明的静力水准测量系统利用压力场原理，只连接一个储液罐，另一端封闭，不需要将液体接回第二储液罐，简化了系统结构，并且整个系统是单端密闭，测量时没有液体流动，压力在液体中的传播速度与声速相当，可达1400m/s左右，在测点距离参考点1000m左右时响应时间小于1s，膜盒式单晶硅差压传感器本身的响应时间小于0.2s，系统整体的响应时间仅需要1s，远高于现有测量系统响应速度；

2、本发明的静力水准测量系统中只需要一个储液罐，每一个静力水准仪只有一个进液口一个进气口，系统整体体积减小，接口减少了又便于设计时进一步减小仪器体积；

3、本发明的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也就是上壳体的内侧，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，也可以提高静力水准仪的使用寿命；

4、本发明的静力水准测量系统中，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；

5、本发明的静力水准测量系统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；

6、本发明的静力水准测量系统包括至少一个压差式静力水准仪，可以根据实际情况进行单点或者多点检测，实用性强；静力水准仪包括膜盒式单晶硅差压传感器，且其压力信号经信号转换、放大后通过电缆线与信息采集设备连接，通过膜盒式单晶硅差压传感器将压力差变化转换成电信号输出，通过外接信息采集设备对输出的电信号进行处理直接获得测点的垂直位移；

7、本发明的静力水准测量系统选用的膜盒式单晶硅差压传感器具备：体积小、精度高、易实现微压、长期稳定性好、温度特性优良等特点。

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是本发明静力水准测量系统的原理示意图；

图2是本发明测量系统中静力水准仪的侧面视图；

图3是的本发明测量系统中静力水准仪的剖面图；

图4是本发明测量系统中的静力水准仪的爆炸图；

图5是是本发明测量系统中的静力水准仪的上外壳及其a-a剖面图；

图6是是本发明测量系统中的静力水准仪的下外壳及其b-b剖面图。

图中：1-储液罐、2-气体连接管、3-液体连接管、4-静力水准仪、5-变径三通、6-普通三通、7-第一堵头、8-第二堵头、11-第一气体腔室、12-第一液体腔室；41-上外壳、411-进液口、412进液管、413-排气孔、414-球头顶丝、415-视窗、416-有机玻璃、4161-第一密封圈、4162-第二密封圈、4163-第三密封圈、417-顶环、418-螺纹盲孔；42-下外壳、421-进气口、422-进气管、423-出线孔、424-螺纹通孔；43-膜盒式单晶硅差压传感器、431-主体、432-尾部、433-h端压力膜片、434-l端压力膜片、44-安装腔、441-右安装腔、442-左安装腔、443-液腔、444-气腔、45-电路板。

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所示的静力水准测量系统，包括储液罐1（作为参考点）、气体连接管2、液体连接管3和至少一个静力水准仪4（作为测量点），储液罐包括第一气体腔室11和第一液体腔室12，静力水准仪4通过气体连接管2与第一气体腔室11连通，并且通过液体连接管3与第一液体腔室12连通，以使测量系统中所有气体腔室导通且压力平衡。当任何一个测量点相对于参考点（储液罐）产生向下或者向上的位移时，测量点液位相对于参考点产生变化从而导致测量点静力水准仪中液腔压力变化，静力水准仪中的传感器感应到压力变化，经过相应信号转换和放大，可得到测量点相对于参考点的位移变化从而实现垂直位移测量。

静力水准仪4的数量至少有两个，第一个静力水准仪的进液管通过第一个变径三通与液体连接管连通；第一个所述静力水准仪的进气管通过第一个普通三通与气体连接管连通；后一个静力水准仪的进液管通过第二个变径三通与液体连接管连通，后一个静力水准仪的进气管通过第二个普通三通与气体连接管连通；连接气体连接管2与最后一个静力水准仪的普通三通上安装有第一堵头7；连接液体连接管3与最后一个静力水准仪的变径三通上安装有第二堵头8。第一堵头7和第二堵头8均为可拆卸的，可以随时根据测量点的变化，串联需要数量的静力水准仪4。在本实施例中第一堵头7和第二堵头8均为304不锈钢内六顶丝。

系统末端加装堵头实现系统半封闭，不需要第二储液罐，测试时，系统中所有静力水准仪的气腔均与第一气体腔室11相导通且压力平衡，系统中所有静力水准仪的液腔均与第一液体腔室12相导通且没有液体流动。

本发明的静力水准测量系统利用压力场原理，只连接一个储液罐，另一端封闭，不需要像传统的静力水准测量系统需要将液体接回第二储液罐，简化了系统结构，并且整个系统是单端密闭，测量时没有液体流动，压力在液体中的传播速度与声速相当，可达1400m/s左右，在测点距离参考点1000m左右时响应时间小于1s，膜盒式单晶硅差压传感器本身的响应时间小于0.2s，系统整体的响应时间仅需要1s，远高于现有测量系统响应速度。

静力水准测量系统中只需要一个储液罐，每一个静力水准仪只有一个进液口一个进气口，系统整体体积减小，接口减少了又便于设计时进一步减小仪器体积；测量系统中无液体流动，测量系统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；可以根据实际情况进行单点或者多点检测，实用性强；静力水准仪包括膜盒式单晶硅差压传感器，且其压力信号经信号转换、放大后通过电缆线与信息采集设备连接，通过压力传感器将液体压力差变化转换成电信号输出，通过外接信息采集设备对输出的电信号进行处理直接获得测点的垂直位移。

实施例2：

静力水准测量系统中使用的静力水准仪如图2和图3所示，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。静力水准仪包括上外壳41、下外壳42和膜盒式单晶硅差压传感器43。如图5和图6所示，上外壳41内侧的四个角位置均设有一个螺纹盲孔418；下外壳42的四个角位置均具有一个阶梯状的螺纹通孔424，螺纹通孔424内侧直径较小且与螺纹盲孔418直径一致，用于安装固定螺柱，连接紧固上外壳41和下外壳42；螺纹通孔424外侧孔径较大，用于将所述静力水准仪4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。

膜盒式单晶硅差压传感器43的上外壳41和下外壳42通过螺柱相对固定连接之后围成封闭的安装腔44。上外壳41、下外壳42外形均为长方体，上外壳41和下外壳42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；安装腔4被上外壳41上的上凸起部和下外壳内部侧壁上的下凸起部隔成相互连通的右安装腔441和左安装腔442，上凸起部和下凸起部相对设置。

膜盒式单晶硅差压传感器43由圆柱状的主体431和带有电缆线的尾部432组成，膜盒式单晶硅差压传感器43的主体431固定安装在右安装腔441中，膜盒式单晶硅差压传感器43的尾部432位于左安装腔442中，右安装腔441的形状与膜盒式单晶硅差压传感器43的主体431的形状相配合，使得膜盒式单晶硅差压传感器43将右安装腔441分隔成互相独立的液腔443和气腔444，并将左安装腔442与右安装腔441隔离成互不连通的独立腔室；液腔443位于靠近上外壳41一侧，气腔444位于靠近下外壳42一侧。

静力水准测量系统中的静力水准仪的内部结构和安装方式如图4所示，膜盒式单晶硅差压传感器43的主体431具有h端（高压端）和l端（低压端），h端压力膜片433与液腔443充分接触用于感受液腔443内的压力（高压），l端压力膜片434与气腔444充分接触用于感受气腔444内的压力（低压）。

上外壳41的侧壁上开设有与液腔443连通的进液口411，进液口411上用不锈钢密封快插接头安装有进液管412，进液管412与液体连接管3连通；下外壳42的侧壁上开设有与气腔444连通的进气口421，进气口（421）上用不锈钢密封快插接头安装有进气管422，进气管422与气体连接管2连通。

液体连接管3的外径为12-20mm，进液管412外径6-10mm，进液管412与液体连接管3通过变径三通5连通；气体连接管2外径为6-10mm，进气管422的外径与气体连接管2外径一致，进气管422与气体连接管2通过普通三通6连通。在本实施例中，液体连接管和气体连接管均为透明聚乙烯管。

为了减小静力水准仪的体积，静力水准仪上的进液口和进气口均采用较小口径，同时又为了兼顾液体连接管口径太小，在液体灌注时，液压传递阻力较大、液体灌注阻力大的问题，液体连接管和进液管采用了不同孔径的管道，中间用变径三通进行连通。气体连接管则不用考虑传递阻力，气体连接管和进气管使用相同管径即可。具体而言，液体在液管中的流通存在一定的阻力，为了快速灌注液体及减小液压传递的阻力，液体连接管外径选用12-20mm比较合适，本实施例中液体连接管外径为12mm。为了减小静力水准仪的体积，进气口和进液口的设计小于目前常用的静力水准仪上的进液口,可以选用口径6-10mm，本实施例中进液口和进气口的直径为6mm。进液管和进气管的外径与进液口和进气口的口径相一致，因此，本实施例中传感器上的进液管和进气管的外径采用统一的外径6mm的管道。

由于整个系统中小外径管道（也就是进液管）长度很短一般小于10cm，其对灌注速度及压力传递的影响可忽略不计，在液体连接管道上加装变径三通实现管道外径变化转接，在气体管道上加装普通三通实现多个测点的静力水准仪之间的串联。以上设计，既兼顾了静力水准仪小型化设计又可以减小测量时系统的液压传递阻力和液体灌注阻力。

静力水准仪4中还包括电路板45，电路板45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43尾部432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4-20ma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43和电路板45为配套购买，具体为drs300型号。

静力水准仪的下外壳42的进液口421相对侧壁上开设有出线孔423，出线孔423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3：

本实施例的特别之处在于，静力水准仪的上外壳41上还设置有排气孔413，排气孔413与液腔443连通，用于排出液腔443中的气泡，排气孔413用球头顶丝414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。在上外壳41的内壁上还涂有一层防锈油层，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。

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。

实施例4：

本实施例的特别之处在于，静力水准仪的上外壳41上设有视窗415，视窗415处安装有与视窗415形状匹配的有机玻璃416。

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。

有机玻璃416和视窗415之间设有第一密封圈4161，膜盒式单晶硅差压传感器43的h端与有机玻璃416之间依次设有第二密封圈4162和圆环状的顶环417，顶环417上具有通孔，该通孔与上外壳41上的排气孔413相互连通，液腔443通过依次相互压紧的膜盒式单晶硅差压传感器43的h端、第二密封圈4162、顶环417、有机玻璃416、第一密封圈4161、视窗415实现密封。下外壳42与膜盒式单晶硅差压传感器43的l端之间设有第三密封圈4163，气腔444通过依次相互压紧的下外壳42、第三密封圈4163、膜盒式单晶硅差压传感器43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玻璃，又减小了静力水准仪整体的体积。

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，打开各静力水准仪之间的变径三通和普通三通，使测量系统中的各静力水准仪的气腔之间通过气体连接管和进气管实现连通，压力平衡；液体通过液体连接管和进液管进行快速灌注。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4-20ma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。

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。