一种静力水准仪在线校准系统及其校准方法与流程

本发明涉及校准测量技术领域，更具体的说是涉及一种静力水准仪在线校准系统及其校准方法，也适用于静力水准仪离线室内校准。

背景技术：

静力水准是一种精密液位测量系统，该系统设计用于测量两个或多个测点的相对沉降。精力水准系统是根据连通器的使用原理，系统液面在无压静力情况下公用系统液面始终保持水平的静力特性，每个测点沉降变化导致系统内各个测点液位高程的变化，这种液面高度变化通过测量仪表来感知。一般的这种液面高程的变化通过振弦式力传感器或者lvdt等其它工作原理的设备来测量。

静力水准测量系统广泛应用于核电、大坝、桥梁、隧道等大型工程和民用建筑中。根据国家计量法要求以及重大项目结构安全评估的需要，为检验静力水准仪的测量精度，需要定期对水准仪进行校准。根据工程使用要求，水准测量系统有临时使用，如桥梁验收荷载试验；也有永久性使用，如核电站核岛安全壳公共筏基的不均匀沉降全寿期监测；其使用时多固定于坝体、桥墩上或其支撑架上，永久使用的则多预埋在混凝土中。这些水准仪尤其是永久固定的水准仪，一方面由于埋入混凝土内无法取出进行室内校准，另一方面由于测量的持续性要求，设备校准不容许离线进行。因而至今水准仪的现场使用属于一种盲从状态，现场校准领域完全空白，水准仪的现场校准因核电安全监管的需要呼之欲出，开展一种静力水准仪的在线校准装置顺势而生。

目前国内核电使用的静力水准仪的基本结构如图1所示，组建的静力水准系统如图2所示。静力水准仪的下部为进水口，上部为排气口，最上部为液面高度变化测量的力传感器，中间为浮桶，外边安装有液位刻度管，通过它可以观察盒内的水位。

两点或多点组建的测量系统就是两台水准仪独立串联、或者多台水准仪并联一体的测量系统，图2所示的是两点串联的测量系统。下部进水口通过分水器实现液流互通，同样，上端排气口互联并与环境贯通，从而形成一种公共联通的静力液面。

振弦式静力水准仪的工作原理为：当一个物体放置在液体的表面时，物体所受的浮力与物体排开的液体质量有关。维持固体不动，液体水面变化时物体所受的浮力将发生变化，如图1所示，当液面上升时，浮桶的浮力将增大，浮力的大小与液面的变化成正比，符合以下公式：

f＝v×ρ

其中：f-浮桶的浮力；v-物体排开的液体的体积；ρ-液体的密度。

振弦式静力水准仪测量系统就是根据这一原理设计的一种高精密测试系统，该系统将多个水准盒连接成用于测量多点相对沉降的系统。可以精确测出小至0.01mm的垂直变化。

水准仪长期使用后其性能是否退化，测量精度有无降低，当前测量数据是否可靠，能否继续用于结构安全性能的评估，需要对这些水准仪及系统进行现场校准。

但是，现有技术还没有涉及静力水准仪现场校准，目前基本还是停留在实验室校准，校准方法涵盖如下两种：

一、核心测量单元单独校准方式：针对测量单元传感器单独标定，比如振弦式水准仪测量核心单元，采用的是振弦式力传感器，实验室通过施加标准砝码来校准，水准仪的工作系数则是通过储水罐的特征参数换算而成。这种方法不能对测量系统整体性能给出校验，测试精度也低。

二、系统整体实验室校准：通过设计标准的位移发生器来校准水准仪。这种方法尚未实现现场在线校验。

上述两种方法都是在实验室内进行的。鉴于核电工程的重要性，使得目前在线检验的方式：通过分水器建立一支工作盒与参考盒的独立串联系统，通过向参考盒罐体内加水或者减水，用直尺或者高度尺测量液面的变化，再与传感器读数对比。这种方式只是一种定性的方式，操作过程太过繁琐，读数误差太大，测量精度很低，不能达到校准的目的。

因此，如何提供一种能够对静力水准仪实现在线校准、且测量精度高的测量系统及其测量方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种静力水准仪在线校准系统及其校准方法，能够通过精确控制基准水准仪的竖直位移量，并通过采集的数据对待测量的工作水准仪进行在线校准，使用方便、操作简单、且测量精度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种静力水准仪在线校准系统，用于对一个或同时对多个工作水准仪的传感器系数进行测量校准；包括标准位移发生装置、基准水准仪、水箱、分水器和数据采集器；

所述标准位移发生装置安装在测量现场，且所述标准位移发生装置本身能够在竖直方向上运动；

所述基准水准仪固定在所述标准位移发生装置的顶部；

所述水箱与所述工作水准仪和所述基准水准仪在同一水平面内布置；

所述分水器分别通过连通管连接所述水箱、所述工作水准仪和所述基准水准仪；

所述数据采集器分别与所述工作水准仪、所述标准位移发生装置和所述基准水准仪的信号输出端电性连接。

通过上述技术方案，本发明将基准水准仪与现场待测量的工作水准仪通过分水器连通，通过标准位移发生装置对基准水准仪的竖直方向的高度进行调节，进而通过数据采集器对标准位移发生装置的位移量、工作水准仪和基准水准仪的数据测量并进行分析计算，率定工作水准仪的传感器的系数。整体操作简单，能够实现对工作水准仪的在线校准，且由于借助于标准标准位移发生装置的调节，测量精度高。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统中，所述基准水准仪的结构包括壳体、浮桶、接触杆、传感器和液位刻度管；所述壳体下部一侧开设有进水口，所述壳体上部一侧开设有排气口，所述进水口与所述连通管连接；所述浮桶悬挂在所述壳体内；所述接触杆的底端与所述浮桶顶端连接；所述传感器与所述接触杆的顶端连接，所述传感器的信号输出端与所述数据采集器电性连接；所述液位刻度管位于所述壳体外侧且上下两端分别连通所述壳体的底端和顶端。通过选用与工作水准仪结构相同的基准水准仪，便于动态测量的统一性。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统中，所述静力水准仪可以是振弦式静力水准仪(浮筒悬挂在接触杆上，浮筒位置始终保持不动)，也可以是其它形式的静力水准仪(浮筒悬浮于液面之上，位置随液面升降而变化)。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统中，所述标准位移发生装置包括调平支脚、固定轴、升降台、升降组件和位移传感器；所述调平支脚的数量为多个，所述调平支脚的底端支撑在工作平台上，所述调平支脚的竖直方向上开设有通孔；所述固定轴的底端与所述调平支脚固定连接，且所述固定轴位于多个所述调平支脚的中央，所述固定轴为中空结构；所述升降台包括升降盘和套筒；所述套筒固定在所述升降盘的底面，所述基准水准仪固定在所述升降盘上，所述套筒滑动连接在所述固定轴内；所述升降组件设置于所述固定轴内，且用于控制所述套筒沿所述固定轴在竖直方向运动；所述位移传感器的底端固定在所述通孔内，所述位移传感器的顶端探头与所述升降盘的底面贴合，所述位移传感器的信号输出端与所述数据采集器电性连接。本发明的标准位移发生装置采用升降组件对升降盘进行竖直方向上的高度调节，在调节过程中，位移传感器的探头始终与升降盘的底面接触，能够对升降高度进行测量，同时，由于调平支脚和位移传感器设置有多个，不仅能够提高标准位移发生装置高度调节的稳定性，同时能够提高位移数据测量的精确度，操作简单、使用便捷、且测量精度高。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统中，所述升降组件包括第一法兰盘、丝杆、从动锥齿轮、第二法兰盘、主动锥齿轮和驱动部；所述第一法兰盘固定在所述固定轴的底端；所述丝杆与所述固定轴同轴设置，且与所述套筒内壁螺纹连接，所述丝杆的底端与所述第一法兰盘转动连接；所述从动锥齿轮套装在所述丝杆上；所述固定轴的侧壁开设有圆孔，所述第二法兰盘固定在所述圆孔内；所述主动锥齿轮的齿轮轴转动连接在所述第二法兰盘内，且延伸出所述固定轴；所述驱动部与所述主动锥齿轮的齿轮轴传动连接；所述主动锥齿轮和所述从动锥齿轮啮合。升降组件通过两个相互啮合的锥齿轮控制丝杆的转动，进而带动套筒上下运动，利用齿轮传动和螺纹传动的稳定性和易操控性，既提高了运动的稳定性，同时又便于使用者调节操控。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统中，所述升降组件的所述驱动部为摇柄，所述摇柄与所述主动锥齿轮的齿轮轴固定连接。使用者可以直接在外部通过操控摇柄实现对升降盘的升降。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统中，所述调平支脚的数量为3个，且所述调平支脚与所述固定轴的连接点的连线呈等边三角形。三角形的设置方式既能够保证整体结构的稳定性，又能够增加位移传感器的数量，提高位移检测的准确度。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统中，所述位移传感器为lvdt传感器，所述lvdt传感器的顶端具有自由伸缩回弹式的探头。lvdt是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。具有无摩擦测量、无限的机械寿命、无限的分辨率、零位可重复性、轴向抑制、坚固耐用、环境适应性强等诸多优点。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统中，还包括液位观察管，所述液位观察管竖直设置，且与所述分水器连通。用于在系统外部整体观察液位的变化情况，在测量校准的过程中更方便。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统中，所述第一法兰盘和所述丝杆之间、以及所述第二法兰盘和所述主动锥齿轮的齿轮轴之间均设置有轴承。通过设置轴承使锥齿轮的转动更顺滑，操控性能更强。

需要说明的是，数据采集器可由dt系列亦或其它计量有效的高精度数据采集器和电脑组成。可以与本装置的调平支脚或其它不影响测量的结构连接，也可以直接外置在现场。

更进一步，上述校准系统和方法通过分水器的开关通断设置，除了依次针对单台工作水准仪进行在线校准外，还可以在设置所有工作水准仪联通的状态下，一次性同时对整个工作水准系统进行校准。

本发明还提供了一种静力水准仪在线校准系统的校准方法，具体包括以下步骤：

s1、将标准位移发生装置水平安装在测量现场的平台，将基准水准仪固定在标准位移发生装置上，并调平，将水箱、工作水准仪和基准水准仪通过分水器连接；并将标准位移发生装置、基准水准仪、工作水准仪的信号线与数据采集器相连接，组建测量系统；

s2、根据校准方案，依次竖直方向缓慢调节标准位移发生装置的高度，待系统稳定后通过数据采集器测量工作水准仪、基准水准仪以及标准位移发生装置的读数；

s3、根据测量数据进行计算分析，给出待校准的工作水准仪的校准系数。

通过上述步骤，在测量操作时，使用标准位移发生装置单程或者往返调节上下位移，使基准水准仪发生竖向位移，相应的基准水准仪与工作水准仪组建的公用系统内部的液面重新调整；数据采集器同时测读标准位移发生装置的位移量、基准水准仪和待校准工作水准仪的读数，进而通过公式进行计算校准，能够实现高精度的在线校准工作，操作简单、使用便捷。

优选的，在上述一种静力水准仪在线校准系统的校准方法中，工作水准仪的校准系数gw的计算公式为：

δηw＝(r0w-r1w)gw-(r0sta-r1sta)gsta；

其中：δηw＝标准位移发生装置的位移量；

r1w＝工作水准仪液位的当前读数；

r0w＝工作水准仪液位的初始读数；

gw＝工作水准仪的传感器的系数；

r1sta＝基准水准仪液位的当前读数；

r0sta＝基准水准仪液位的初始读数；

gsta＝基准水准仪的传感器的系数。

需要说明的是，δηw为负值时表示沉降，反之正值时表示升高，由于公式中的数据能够通过数据采集器快速采集测量，且精度高，使得测量校准的结果更准确。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种静力水准仪在线校准系统及其校准方法，具有以下有益效果：

1、在本发明提供的校准系统中，将基准水准仪与现场待测量的工作水准仪通过分水器连通，通过标准位移发生装置对基准水准仪的竖直方向的高度进行调节，进而通过数据采集器对标准位移发生装置的位移量、工作水准仪和基准水准仪的测量数据进行分析计算，率定工作水准仪的传感器的系数。整体操作简单，能够实现对工作水准仪的在线校准，且由于借助于标准位移发生装置的调节，测量精度高。

2、本发明的标准位移发生装置采用升降组件对升降盘进行竖直方向上的高度调节，在调节过程中，位移传感器的探头始终与升降盘的底面接触，能够对升降高度进行测量，同时，由于调平支脚和位移传感器设置有多个，不仅能够提高标准位移发生装置高度调节的稳定性，同时能够提高位移数据测量的精确度，操作简单、使用便捷、且测量精度高。

3、升降组件通过两个相互啮合的锥齿轮控制丝杆的转动，进而带动套筒上下运动，利用齿轮传动和螺纹传动的稳定性和易操控性，既提高了运动的稳定性，同时又便于使用者调节操控。

4、位移传感器采用lvdt传感器，具有无摩擦测量、无限的机械寿命、无限的分辨率、零位可重复性、轴向抑制、坚固耐用、环境适应性强等诸多优点。

5、本发明提供的校准系统不仅可以用于工作水准仪的在线校准测量，同时也可以用于实验室内的校准测量，使用范围广泛。

6、本发明提供的校准系统，可以用于对一个或同时对多个工作水准仪的传感器系数进行测量校准，操作简单、使用效率高。

7、在本发明提供的校准方法中，在测量操作时，使用标准位移发生装置单程或者往返调节上下位移，使基准水准仪发生竖向位移，相应的基准水准仪与工作水准仪组建的公用系统内部的液面重新调整；数据采集器同时测读标准位移发生装置的位移量、基准水准仪和待校准工作水准仪的读数，进而通过公式进行计算校准，能够实现高精度的在线校准工作，操作简单、使用便捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的工作水准仪的测量原理图；

图2附图为本发明提供的多个工作水准仪连接的结构示意图；

图3附图为本发明提供的校准系统的结构示意图；

图4附图为本发明提供的基准水准仪的结构示意图；

图5附图为本发明提供的标准位移发生装置的剖视图；

图6附图为本发明提供的标准位移发生装置的俯视图；

图7附图为本发明提供的电连接示意图。

其中：

1-工作水准仪；

2-标准位移发生装置；

22-调平支脚；

23-固定轴；

24-升降台；

241-升降盘；242-套筒；

25-升降组件；

251-第一法兰盘；252-丝杆；253-从动锥齿轮；254-第二法兰盘；255-

主动锥齿轮；256-摇柄；257-轴承；

26-位移传感器；

27-调平螺栓；

3-基准水准仪；

31-壳体；

311-进水口；312-排气口；

32-浮桶；

33-接触杆；

34-传感器；

35-液位刻度管；

4-水箱；

5-分水器；

6-数据采集器；

7-液位观察管；

8-连通管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见附图1至附图7，本发明实施例公开了一种静力水准仪在线校准系统，用于对一个或同时对多个工作水准仪1的传感器系数进行测量校准；包括标准位移发生装置2、基准水准仪3、水箱4、分水器5和数据采集器6；

标准位移发生装置2安装在测量现场，且标准位移发生装置2能够在竖直方向上运动；

基准水准仪3固定在标准位移发生装置2的顶部；

水箱4与工作水准仪1和基准水准仪3在同一水平面内布置；

分水器5分别通过连通管8连接水箱4、工作水准仪1和基准水准仪3；

数据采集器6分别与工作水准仪1、标准位移发生装置2和基准水准仪3的信号输出端电性连接。

为了进一步优化上述技术方案，基准水准仪3包括壳体31、浮桶32、接触杆33、传感器34和液位刻度管35；壳体31下部一侧开设有进水口311，壳体31上部一侧开设有排气口312，进水口311与连通管8连接；浮桶32悬挂在壳体31内；接触杆33的底端与浮桶32顶端连接；传感器34与接触杆33的顶端连接，传感器34的信号输出端与数据采集器6电性连接；液位刻度管35位于壳体31外侧且上下两端分别连通壳体31的底端和顶端。

需要说明的是，水准仪从工作原理上有两大类，其一，是悬挂，浮筒重度比液体大，悬在液体中的位置不变，另一种是浮筒重度比液体小，漂浮在液面上的，浮筒随液面升降而调整，本实施例仅列举一种形式。

为了进一步优化上述技术方案，标准位移发生装置2包括调平支脚22、固定轴23、升降台24、升降组件25和位移传感器26；调平支脚22的数量为多个，调平支脚22的底端支撑在工作平台上，调平支脚22的竖直方向上开设有通孔；固定轴23的底端与调平支脚22固定连接，且固定轴23位于多个调平支脚22的中央，固定轴23为中空结构；升降台24包括升降盘241和套筒242；套筒242固定在升降盘241的底面，基准水准仪3固定在升降盘241上，套筒242滑动连接在固定轴23内；升降组件25设置于固定轴23内，且用于控制套筒242沿固定轴23在竖直方向运动；位移传感器26的底端固定在通孔内，位移传感器26的顶端探头与升降盘241的底面贴合，位移传感器26的信号输出端与数据采集器6电性连接。

为了进一步优化上述技术方案，升降组件25包括第一法兰盘251、丝杆252、从动锥齿轮253、第二法兰盘254、主动锥齿轮255和驱动部；第一法兰盘251固定在固定轴23的底端；丝杆252与固定轴23同轴设置，且与套筒242内壁螺纹连接，丝杆252的底端与第一法兰盘251转动连接；从动锥齿轮253套装在丝杆252上；固定轴23的侧壁开设有圆孔，第二法兰盘254固定在圆孔内；主动锥齿轮255的齿轮轴转动连接在第二法兰盘254内，且延伸出固定轴23；驱动部与主动锥齿轮255的齿轮轴传动连接；主动锥齿轮255和从动锥齿轮253啮合。

为了进一步优化上述技术方案，升降组件25的驱动部为摇柄256，摇柄256与主动锥齿轮255的齿轮轴固定连接。

为了进一步优化上述技术方案，调平支脚22的数量为三个，且调平支脚22与固定轴23的连接点的连线呈等边三角形。

为了进一步优化上述技术方案，位移传感器26为lvdt传感器，lvdt传感器的顶端具有自由伸缩回弹式的探头。

为了进一步优化上述技术方案，还包括液位观察管7，液位观察管7竖直设置，且与分水器5连通。

为了进一步优化上述技术方案，第一法兰盘251和丝杆252之间、以及第二法兰盘254和主动锥齿轮255的齿轮轴之间均设置有轴承257。

为了进一步优化上述技术方案，调平支脚22通过调平螺栓27固定调平。

本实施例的安装方法为：

试验前着手准备现场校准材料、设备与工具，并确定基准水准仪3与lvdt传感器的有效状态。

将lvdt传感器安装在调平支脚22的通孔上，将套筒242与丝杆252螺纹连接，摇动摇柄256，使升降盘241下移，并与lvdt传感器的探头接触。确定合适的行程，使升降盘241上下移动时始终与lvdt传感器的探头接触。

将安装就位的标准位移发生装置2在现场固定，并通过调平螺栓27调平。

安装标准位移发生装置2上部的基准水准仪3，并调平。

安装基准水准仪3与工作水准仪1管路，建立独立的互联水准测量系统，并通过水箱4开启阀门让系统充水至合适高度，建立试验系统基本状态。

组建测读系统，将工作水准仪1、基准水准仪3以及标准位移发生装置3的lvdt传感器接入接线端子，并接入数据采集器6，启动测读程序。数据采集器6可由dt85-g亦或其它计量有效的高精度数据采集器和电脑组成。

记录初始数据并按照计量标准流程设立几档位移行程并记录对应测量数据。并根据测量结果分析处理数据。

实施例2：

本实施例公开了一种静力水准仪在线校准系统的校准方法，具体包括以下步骤：

s1、将标准位移发生装置2水平安装在测量现场的平台，将基准水准仪3固定在标准位移发生装置2上，并调平，将水箱4、工作水准仪1和基准水准仪3通过分水器5连接；并将标准位移发生装置2、基准水准仪3、工作水准仪1的信号线与数据采集器6相连接，组建测量系统；

s2、根据校准方案，依次竖直方向缓慢调节标准位移发生装置2的高度，待系统稳定后通过数据采集器6测量工作水准仪1、基准水准仪3以及标准位移发生装置2的读数；

s3、根据测量数据进行计算分析，给出待校准的工作水准仪1的校准系数。

为了进一步优化上述技术方案，工作水准仪1的校准系数gw的计算公式为：

δηw＝(r0w-r1w)gw-(r0sta-r1sta)gsta；

其中：δηw＝标准位移发生装置的位移量；

r1w＝工作水准仪液位的当前读数；

r0w＝工作水准仪液位的初始读数；

gw＝工作水准仪的传感器的系数；

r1sta＝基准水准仪液位的当前读数；

r0sta＝基准水准仪液位的初始读数；

gsta＝基准水准仪的传感器的系数。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。