一种基于电容介质变化的水准在线自动测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电子测量技术领域，具体指一种适用于±木、水利及交通等工程中各 类建筑物或大地的垂直位移变化的在线自动测量方法。
【背景技术】
[0002] 水准测量被广泛应用于桥梁、隧道、地铁、高铁、大巧、核电站、高层建筑、矿山、滑 坡等建筑物或大地的垂直位移监测，就目前的水准测量技术手段而言，借助于水准仪等仪 器的人工测读方式，因无法实现自动测量，在实时监测领域已无法使用；采用全站仪自动测 量不仅测量范围有限，成本高，且测量精度达不到要求；而用水准传感器形式的自动测量方 法被雙青睐。
[0003] 现有的水准自动测量系统由静力水准传感器、水体及连通管Ξ部分组成，无法实 现自动补/放水。测量中的关键组件静力水准传感器目前主要基于W下原理：（一）利用浮 子随水位变化通过机械机构，驱动特定结构的电容或位移敏感部件，来测量水位高度；运种 传感器内部结构复杂，传感器体积大，量程窄，对安装基座要求高，不适用于建筑物顶部，或 高差大安装部位，且机械机构影响测量精度及反应灵敏度。（二）利用超声或激光回波反射 测量水面位置，来测量水位高度；传感器体积大，量程大、精度低，环境溫度影响大。（Ξ)利 用压力传感器测量水位压力，来测量水位高度；传感器体积大，量程小，精度低，环境溫度， 内部水泡，液体种类及密度等影响大，对液体有特殊要求。
[0004] 因现有静力水准传感器体积大，结构及测量电路复杂，影响因素多，安装麻烦，适 应性差，量程小，精度低，无法解决传感器测量精度与量程间的矛盾，水准测量系统无法自 动更换变质水或补给水，对测量精度的影响无法在线自动标定，使用场合受到制约。
【发明内容】
阳〇化]本发明的目的为克服上述现有技术存在的某些缺失或不足，提出一种基于电容介 质变化的水准在线自动测量方法。第一，由水准传感器，电磁阀，连通管，液体介质与外部 液路构成液路网络，无线/有线通讯构成测量网络，组成一个完整的水准自动在线测量系 统，在测量主机协调下实现对分布式安装的各个水准传感器同步测量。第二，采用外筒内壁 与内筒外壁之间存在间隙的同轴导电材料筒体构成一个测量杆，W筒体的导电材料作为电 极，间隙内填充一种随测量高程变化的液体作为介质构成一个测量杆电容器；由一个或若 干个测量杆电容器通过机械结构上串联对接、电路结构上并联方式连接构成一个水准传感 器；通过测量水准传感器中各测量杆电容量经换算获取实际液位。第Ξ，相邻测量杆间使用 串联对接机械结构、各测量杆电容器W并联方式接入测量电路，通过若干个测量杆电容器 的组合，实现不损失测量精度的前提下，任意扩展水准传感器的量程。第四，通过在水准传 感器内设定的位置感应探头及电磁阀实现水准传感器在线自动标定及精度补偿。第五，通 过一种具有RC结构的电容充放电电路，结合比较器W替代"模/数（A/D)转换通道"，利用 水准传感器中MCU测量电容放电时间的方法获得测量杆电容器的电容量。
[0006] 一、水准测量工作原理简述
[0007] 由水准传感器、介质、连通管实现水准测量的工作原理（如附图1所示），将水准传 感器固定在被测建筑物或大地指定位置，调节液体介质使液面保持在水准传感器量程内某 位置处。当建筑物或大地的垂直位移发生变化时，传感器安装位置的高程随之发生变化，其 内的液面高度也发生相应改变。
[0008] 假设将某一个传感器作为参考基准点，设初始状态时各测量点液面测量值为： 阳009] y。。，y〇i，y〇2,...，yoi，...，y〇n(i为测点编号），
[0010] 当各安装点垂直位移发生变化时，各测点液面测量值为：
[0011] yjO,yjl，yj2,...，yji,...，y"(j为测J点第几次测J量）
[0012] 则各测点液面位置变化为：
[0013] Ay扣，Δγ:ι，Ayj2,。。。，Δγ:ι，. . .，Δγ:〇η
[0014] Ayji=yji-y〇i
[0015] 由此可计算出各测量点相对于参考基准的高差为：
[0016] hji=(yji-yj- (yj(j-y〇〇)。 阳017] 二、本发明工作原理简述
[0018] 由水准传感器1，介质2,连通管3,电磁阀4和测控主机5构成一个完整的水准测 量系统（如附图2所示）。电磁阀4至少具有两个通道接口，其中第一口与连通管3连接， 第二口与液源口 6连接。最佳使用方案是电磁阀4采用Ξ个通道接口，其中第一口与连通 管3连接，第二口与液源口 6连接，第Ξ口与废液口 7连接。水准传感器1测量水平面液位 位置，并通过测控主机5控制电磁阀4,设置连通管3与外部的液源口 6或废液口 7的连通 方式，W实现水准传感器在线自动标定及测量补偿。
[0019] Ξ、本发明的水准传感器结构
[0020] 由外筒内壁与内筒外壁之间存在间隙的同轴导电材料筒体构成一个测量杆，W筒 体的导电材料作为电极，间隙内填充一种随测量高程变化的液体作为介质构成一个测量杆 电容器。由一个或若干个测量杆通过串联对接方式的机械结构、测量杆电容器并联方式的 电路结构，构成一个水准传感器（如附图3所示）。
[0021] 一个水准传感器可有一个或若干个测量杆组成，当使用一个W上测量杆时，水准 传感器1的内筒或外筒中至少应有一个筒体是由若干个独立的单个筒体组合而成的，相邻 测量杆的单个筒体之间在机械上采用串联对接方式连接，且对接处相互绝缘。因此，水准传 感器1可有W下Ξ种筒体结构形式：
[0022] 第一种（结构1):各测量杆的内筒、外筒在机械结构上均为分开独立的单体，每个 测量杆的内筒与外筒作为该测量杆电容器的两个独立极板，其相邻测量杆的内筒对接处绝 缘，相邻测量杆的外筒对接处也绝缘，相邻测量杆的内筒及外筒通过安装扣串联对接方式 构成一个完整的水准传感器。
[0023] 第二种（结构2):各测量杆的外筒在机械结构上是分开独立的单体，但共用一个 整体的内筒，内筒长度大于或等于各测量杆外筒长度之和，每个测量杆的内筒与外筒作为 该测量杆电容器的两个独立极板，其相邻测量杆的外筒对接处必须绝缘，各测量杆的外筒 通过安装扣串联对接方式构成一个完整的水准传感器。
[0024] 第Ξ种（结构3):各测量杆共用一个整体的外筒，但内筒在机械结构上是分开独 立的单体，外筒长度大于或等于各测量杆内筒长度之和，每个测量杆的外筒与内筒作为该 测量杆电容器的两个独立极板，其相邻测量杆的内筒对接处必须绝缘，各测量杆的内筒通 过安装扣对接方式构成一个完整的水准传感器。
[0025] 为便于叙述，W下W水准传感器1的结构1形式中的测量杆A为研究对象进行讨 论，其它测量杆的工作机理、机械结构及电路结构W此类推。
[0026] 测量杆A的内筒11-A2与外筒11-A1，其截面形状为圆形或异形，材料为同一种类 或不同种类的导电材料制作，内筒11-A2与外筒11-A1同轴安装；内筒11-A2与外筒11-A1 组成测量杆A电容器的两个极板，内外筒之间的间隙形成储液腔11-05,储液腔11-05内填 充随高程变化的介质2,由测量杆A的两个极板及两极板之间的介质2构成测量杆A电容器 Ca，介质2 -般采用液体。
[0027] 当水准传感器1测量杆的内筒或外筒结构由相互独立分开的单体组合构造时，相 邻测量杆的筒体之间对接处必须用绝缘密封垫进行绝缘，如测量杆A与测量杆B在结构1 中的11-AB1、结构2中的12-AB1，结构3中的13-AB1，并通过机械对接的安装扣连接，如测 量杆A与测量杆B在结构1中的11-AB2、结构2中的12-AB2,结构3中的13-AB2 ;每个测量 杆形成一个独立的电容器，所有测量杆电容器的极板采用电容器并联方式接入测量电路。
[0028] 多个测量杆串联对接安装后可构成一个满足需要量程的水准传感器，但各测量杆 电容器是相互独立的。水准测量精度及量程只与本测量杆的几何结构，介质2的特性等参 数相关，水准传感器总测量精度与测量杆测量精度一致，总量程为所有测量杆量程之和，从 而很好地解决W往水准测量精度与量程之间难于兼顾的困难。
[0029] 介质2为一种导电或不导电的液体，例如使用各种成分配比组成的油品，W及W 水为主原料的混合液等，本发明推荐使用的最佳液体为