一种有温度补偿功能的激光静力水准沉降测量系统的制作方法

本实用新型属于测量技术领域，可以应用于垂直位移变化量的测量，尤其是应用于处于不均匀温度场、一个方向尺寸较大的建筑物垂直位移的精确测量，例如大坝坝体、桥梁、条形基坑、大型精密设备基础等场合使用。

背景技术：

静力水准法常用于测量垂直位移，该方法原理清晰，设备简单、可靠，造价低廉，因此得到了较为广泛的推广应用。其基本原理是：连通液体在静止状态下各点的单位势能守恒，所有液面位置的势能相等，在自由液面上压力相等的情况下，液面水平。即连通、有自由液面、同一温度下的液体，其液面高程相等。目前虽然有多种结构形式，但其基本结构相同。

随着测量技术的进步，静力水准法由人工测量逐步发展为自动测量，大大提高了测量频次，为进一步进行数据分析提供了可能，可以发现数据的变化趋势，也就是通过数观测数据的积累、比较，发现被测量点沉降量的变化速率。这些变化在短时间的变化是比较小的，因此要求测量的误差不能过大。随着测量对象对精度的要求不同，测量设备也应该进行相应结构改变。以满足精度的要求。

目前，所有的静力水准全部用液体作为测量指示物。使用静力水准基本原理制造的垂直位移测量装置是有使用条件的，其中一个必要条件是液体要处于均匀温度场中。这是因为液体的密度是随着温度的变化而变化的，一般情况下温度越高，体积膨胀，密度就越小，相同高度的液柱产生的压强就越小。在不均匀温度场中，处于温度场温度高的位置的液体密度小，处于温度场温度低的位置的液体密度大，为了产生相同压强，液柱的高度也就不同，温度高的地方液柱高，温度低的地方液柱低，也就是液面高程不同，而测量是以液面高程相等作为基础条件的，这就会造成测量误差。对一些要求不高的场合使用可以满足要求，但是对要求精确度高的情况下，就会造成测量误差而失真，对于要求测量沉降变化速率、分析变化趋势的场合，就要求进行精确测量，以保证数据分析的正确性。

专利号为2019207145404的专利提供了“一种基于激光测量的自动静力水准垂直位移测量装置”，由本申请的发明人主持设计，所用的静力水准没有计入由于温度场不均匀造成的测量数据误差。

技术实现要素：

为了解决上述问题，经过计算、试验，发明了带有温度补偿矫正功能的激光静力水准装置。该装置解决了由于温度场不均匀带来的测量误差。本发明之目的是使用温度传感器，对静力水准系统所使用的不同测点的液体进行温度进行测量，并计算因温度差引起的液柱高度差，以补偿因温度不均匀而引起的误差。联合使用激光位移传感器，实现测量点垂直位移的精确、实时、自动测量，同时也可以应用于其他有类似垂直位移要求的场合。实现本发明目的所采取的技术方案是：一种有温度补偿功能的激光静力水准沉降测量系统，在建筑物附近设置基点基座作为基点，该基点选择在基岩或者已经沉降结束的老地层上，在多个测量点分别设置测点基座，将多个测量点分别按顺序设置为第一测点、第二测点，依次类推，在基点基座和各测点基座的基座上分别安装测筒，测筒的测筒底盘分别用固定螺栓固定在基点基座和测点基座上并调平，测筒内装有液体，所有测筒底部用连通管连接，使所有测筒的液体连通，连通管内的所有气泡都要排出；测筒内的顶部安装有支架，激光位移传感器固定在支架上；在测筒内的液体上设有浮子，浮子能随筒内液面上下运动，作为激光反射体指示液位；在测筒顶部有气连通管将所有测筒连接起来，以保证测筒上部的气压相等，其特征在于：各测筒底部的侧壁上安装插入式温度传感器，用于测量液体的温度；所有激光位移传感器及温度传感器均用信号线缆连接并连接到控制器，信号线缆用来传输数据、提供电力。

在基点及各测点的测筒顶部固定安装激光位移传感器，可以测量出激光位移传感器起测点到液面的距离；在测筒的底部，安装温度传感器，测量各测筒内液体的温度，并将测得的温度值通过信号缆传递到控制器，控制器内置的计算程序将测量的温度、水位等信息进行处理，将所有被测点的液体因温度而引起的密度变化和基点液体密度进行比较，也就是将被测

点的液柱高度换算为基点的液柱高度。

其计算过程为：

以基点和第一测点为例：设基点所处位置的液体的温度为t0，液体的密度在温度为t0时为γt0；第一测点所处位置液体的温度为t1，液体的密度在温度为t1时为γt1，密度随温度的变化由使用液体的物理性质所决定，由液体特性得知；

温度值由安装在测筒内底部的温度传感器测得。测筒顶部安装的激光位移传感器测得起测点到液面的距离为；激光位移传感器起测点至液体连通管中心线垂直高度为l1，可在安装时测知；测筒内液面至连通管中心线的垂直液深为h1=l1-，该液柱高度是在温度为t1时测出的，产生的压强为:p1=h1×γt1

=(l1-)×γt1

在液体温度为t0时，要产生相等的压强，所需要的液柱高度为，

则有：(l1-)×γt1=×γt0

因此，修正后的液柱高度为：

（1）

其中：

——液体温度为t1时的液柱高度修正为温度为t0时的液柱高度；

γt0——液体温度为tt0时的液体密度；

γt1——液体温度为t1时的液体密度；

h1——测点的测筒内液面至连通管中心线的垂直液柱高度（l1-）；

l1——激光位移传感器起测点至液体连通管中心线垂直距离，在安装时测知；

——激光位移传感器测得起测点到液面的距离，由激光位移传感器实时测得。

将测点修正到基点液体温度时的液柱高度，然后按照静力水准的标准计算方法进行计算即可算出该测点的垂直位移变化量，其他测点统一修正到基点液体温度时的液柱高度，计算方法相同。

本实用新型为带有温度补偿矫正功能的激光静力水准装置，解决了由于温度场不均匀带来的测量误差。

附图说明：

图1是本实用新型结构示意图。

图中，1、控制器；2、固定螺栓；3、测筒底盘；4、测筒；5、激光位移传感器；6、气连通管；7、激光器支架；8、浮子；9、液面；10、温度传感器；11、信号电缆；12、液体连通管；13、基点基座；14、测点基座，

15、基点，16、第一测点，17、第二测点。

具体实施方式：

参照附图，一种有温度补偿功能的激光静力水准沉降测量系统，在建筑物附近设置基点基座13作为基点15，该基点15选择在基岩或者已经沉降结束的老地层上，在多个测量点分别设置测点基座14，将多个测量点分别按顺序设置为第一测点16、第二测点17，依次类推，在基点基座13和各测点基座14的基座上分别安装测筒4，测筒4的测筒底盘3分别用固定螺栓2固定在基点基座13和测点基座14上并调平，测筒4内装有液体，所有测筒4底部用连通管12连接，使所有测筒的液体连通，连通管12内的所有气泡都要排出；测筒4内的顶部安装有支架7，激光位移传感器5固定在支架7上；在测筒4内的液体上设有浮子8，浮子8能随筒内液面9上下运动，作为激光反射体指示液位；在测筒顶部有气连通管6将所有测筒连接起来，以保证测筒上部的气压相等，其特征在于：各测筒4底部的侧壁上安装插入式温度传感器10，用于测量液体的温度；所有激光位移传感器5及温度传感器10均用信号线缆11连接并连接到控制器1，信号线缆11用来传输数据、提供电力。

在基点及各测点的测筒顶部固定安装激光位移传感器，可以测量出激光位移传感器起测点到液面的距离；在测筒的底部，安装温度传感器，测量各测筒内液体的温度，并将测得的温度值通过信号缆传递到控制器，控制器内置的计算程序将测量的温度、水位等信息进行处理，将所有被测点的液体因温度而引起的密度变化和基点液体密度进行比较，也就是将被测

点的液柱高度换算为基点的液柱高度。

本发明的计算过程如下：

以基点15和第一测点16为例：设基点15所处位置的液体的温度为t0，液体的密度在温度为t0时为γt0；第一测点16所处位置液体的温度为t1，液体的密度在温度为t1时为γt1，密度随温度的变化由使用液体的物理性质所决定，由液体特性得知；

温度值由安装在测筒内底部的温度传感器测得。测筒顶部安装的激光位移传感器测得起测点到液面的距离为；激光位移传感器起测点至液体连通管中心线垂直高度为l1，可在安装时测知；测筒内液面至连通管中心线的垂直液深为h1=l1-，该液柱高度是在温度为t1时测出的，产生的压强为:p1=h1×γt1

=(l1-)×γt1

在液体温度为t0时，要产生相等的压强，所需要的液柱高度为，

则有：(l1-)×γt1=×γt0

因此，修正后的液柱高度为：

（1）

其中：

——液体温度为t1时的液柱高度修正为温度为t0时的液柱高度；

γt0——液体温度为tt0时的液体密度；

γt1——液体温度为t1时的液体密度；

h1——测点的测筒内液面至连通管中心线的垂直液柱高度（l1-）；

l1——激光位移传感器起测点至液体连通管中心线垂直距离，在安装时测知；

——激光位移传感器测得起测点到液面的距离，由激光位移传感器实时测得；

将测点修正到基点液体温度时的液柱高度，然后按照静力水准的标准计算方法进行计算即可算出该测点的垂直位移变化量，其他测点统一修正到基点液体温度时的液柱高度，计算方法相同。

工作时，控制器1通过内置计算程序控制激光位移传感器5测量各测点的起测点至液体连通管中心线垂直距离，同时测量基点及各测点的液体温度，通过（1）式计算出修正后的液柱高度；然后和基点液位变化进行比较，计算出各测点的垂直位移变化量。控制器1可通过有线或无线的方式将测量结果传递到中央控制室，供管理人员使用。