专利名称：一种静力水准测量装置及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及土木建筑工程及水利工程等检测技术领域，尤其是指一种静力水准测量装置及系统。
背景技术：
地基在建构筑物荷载作用下将会产生沉降，如果地基沉降悬殊，甚至超出建构筑物的允许范围，将影响建构筑物正常使用，甚至将导致路基沉陷、提坝坍塌、影响建构筑物开裂倾斜、乃至于倒塌。对于某些坐落在刚性基岩上的建构筑物基础，因某种设计目的要求也必须进行基础的沉降变形测量。例如，在核电站核岛安全壳基础中，一般都设置了一定数量的沉降观测测点，通过上述沉降观测测点可以直接获知核电站核岛安全壳基础在安全壳压力试验期间基础变形情况，从而为安全壳的力学性能评估提供依据。随着工业与民用建筑业的发展，各种复杂而大型的工程建构筑物日益增多。工程建构筑物的兴建，改变了地面原有的状态，并且对于建筑物的地基及基础施加了一定的压力，因此必然会引起地基及周围地层的变形。为了保证建构筑物的正常使用寿命和建构筑物的安全性，需要及时验证和了解地基及基础在建构筑物荷载和地基变形的共同作用下的沉降以及沉降变化趋势，以便投产验收或提前采取有效措施防范于未然。因此，在很多土木建筑工程及水利工程中都需要设置进行地基基础沉降观测的装置。沉降观测的种类很多，实现沉降观测的方法也各异。一般来说，可根据地基的浅深层不同分为表层沉降观测和深层沉降观测，而地基基础沉降属于上述的表层沉降。表层沉降观测方法按照观测手段的不同一般可分为几何水准观测、静力水准观测、不动杆法观测等。深层沉降观测也有多种观测方法，例如深标点水准仪、磁环式沉降仪、不动杆法观测等等。总体而言，不同观测方法的测试精度不尽相同，所适用的工程条件亦有差异。静力水准测量装置是一种用于测量基础或者地基的垂直变形的装置。在现有技术中，可以使用静力水准测量装置对基础或地基的沉降及变化趋势进行观测，从而对基础或地基的力学特性进行判定。例如，根据法国核电厂《压水堆核岛土建设计与建造规程》 (RCC-G1988)的要求，核电站安全壳基础必须进行沉降变形观测。因此，在进行上述沉降观测时所使用的是一种用于基础沉降测量的静力水准测量装置，以及集成了上述静力水准测量装置的测试系统。在该静力水准测量系统中，利用了连通器的原理，使得单个或多个工作点可以分别与参考点单独串联。在进行基础沉降测量时，将使用人工的方式依次通过充水并调节每个工作点的水位，从而实现单个工作点相对于参考点的高程变化测量。而且，在对下一个工作点进行测量之前，还应对上一轮测量系统中的水进行排空操作后，才能对下一个工作点重复上述的充水、调节水位等操作。上述静力水准测量系统中对各个工作点的水位的判定是通过高低电极的方法来实现的，并通过静力水准测量系统中的参考点测量装置来实现测量，参考点测量装置是使用电磁传感器来测量参考水位(即工作点水位)，不同测量阶段测量结果之差即水位变化情况，也正直接反映基础沉降情况。图1 (a)为现有技术中传统的静力水准测量系统的示意图，图1 (b)为图1 (a)中参考水准盒和工作水准盒的连接关系简单示意图。如图1(a)和(b)所示，现有技术中传统的静力水准测量系统主要包括一个参考水准盒101、预埋在待测地基/基础中的多个工作水准盒102、进水箱103、出水箱104、分水器105和总气流管106。其中，每个工作水准盒102都设置在一个工作水准点处，而参考水准盒101则设置于参考水准点处。例如，在核电站的静力水准测量装置及测试系统中，一般都将预先设置多个工作水准点盒102(譬如，M310原型堆中设置了 13个工作水准盒，而非原型堆中设置了 9 个工作水准盒，EPR原型堆中设置了 17个工作水准盒)和一个公用的参考水准盒102。设置于所述参考水准盒101底部的供排水管1011可通过阀门与所述分水器105 连通，设置于所述参考水准盒101上部的气流管可与所述总气流管106连通；设置于所述工作水准盒102底部的供排水管1021可通过阀门与所述分水器105连通，设置于所述工作水准盒102上部的气流管可与所述总气流管106连通；所述进水箱103，依次通过柱塞泵109 和进水阀门与所述分水器105连接；所述出水箱104，通过出水阀门与所述分水器105连接。在使用上述静力水准测量系统进行测量时，将通过参考水准盒、工作水准盒、进水箱、出水箱的各个阀门及柱塞泵的开启或关闭，来实现各个工作水准盒与参考水准盒之间的系统单独串联和供排水，从而实现各个工作水准点相对参考水准点的沉降观测。其中，柱塞泵109是用于精细控制和调节水量以确定精确水位。例如，当某一个工作水准盒(例如， 工作水准盒A)与所述分水器105连通的阀门开启且参考水准盒与所述分水器105连通的阀门开启时，其它工作水准盒与所述分水器105连通的阀门将处于关闭状态，此时，所述工作水准盒A将与参考水准盒实现单独串联，并通过进水箱、出水箱阀门的开启及柱塞泵的微量调节实现该串联系统的精确供水以及测量完毕后的排空操作。在进行地基/基础沉降的测量时，可以认为参考水准盒(即参考水准点)是相对静止的，所有工作水准盒(即工作水准点)的垂直位移均是相对于参考水准点而言。在实际工作过程中，上述参考水准点的高程对应于各压力平台可能会有变化，上述变化可通过其它有效的方式或装置获得(例如，垂直铟瓦丝DiSt0matiCS3测量装置等)。在确定参考水准点的绝对高程变化后，即可确定所有工作水准点的绝对高程，从而可以获知地基/基础的沉降情况。在如图1所示的静力水准测量系统中，一般都只能分别单独测试各个工作水准点相对于参考水准点的沉降情况。例如，当需要测试某个埋设于地基/基础内的某一个工作水准点，例如，工作水准点A，相对于参考水准点的沉降情况时，将首先打开工作水准盒A与所述分水器105连通的阀门以及参考水准盒与所述分水器105连通的阀门，而关闭其它工作水准盒与所述分水器105连通的阀门；然后，通过柱塞泵109将进水箱中的水注入工作水准盒A和参考水准盒中；在注水过程中，通过使用柱塞泵109进行人工调节的方式，使得当该工作水准盒A中的水位较精确达到该工作水准盒A中的电子触点1而未触及电子触点2 时即停止注水。由于工作水准盒A和参考水准盒的底部通过连通管连通，因此根据连通器原理可知，当水位平衡后，工作水准盒A与参考水准盒中的液面是在同一个水平面上。此时，参考水准盒中的水位值可由设置在参考水准盒中的传感器转换为频率信号，该频率信号可通过设置在参考水准盒顶部的传感器导线107发送给频率读数装置，并通过频率读数装置显示。此时，可将参考水准盒中的水位值作为该工作水准盒A当前的水位值。最后，通过计算该工作水准盒A的当前水位值与初始状态的水位值(即该工作水准盒A在刚埋设于地基/基础内的工作水准点时所记录的水位值或者试验前获取的水位参考值)之差，即可得到该工作水准盒A所在位置当前时刻的垂直位移情况。在完成对上述工作水准盒A的测量之后，还需要通过人工进行放水操作，即打开出水箱104的出水阀门，以排出已注入到工作水准盒A和参考水准盒系统中的水。水排出后，还必须关闭上述工作水准盒A与所述分水器105连通的阀门和出水箱阀门，然后才能继续对下一个工作水准盒进行测量。由此可知，现有技术中的上述静力水准测量系统在进行测量的过程中，需要进行人工操作，各个水准盒的水位需要人工通过柱塞泵的不断注水或放水来进行调节，并且每个压力平台或者每个测读周期针对每个工作水准点都要依次反复不断的通过注水、微调、 测读、放水等多环节多步骤进行测量，操作过程复杂而繁琐；同时，不同作业人员对水位的判断经验对于测量结果的影响较大，因而使得测量结果中所包含的人工干预因素较大，系统的测试误差较大。另外，由于上述静力水准测量系统的测试过程建立在人工不断调节水位的基础上，并且每个工作水准点都只能单独和参考水准点串联使用，因此系统测试所需时间长；系统测试精度受到压力平台的测读时点、每个工作点的测读顺序等多种因素制约， 因此测量装置的测量精度也较低，最大测试精度只有0. 1毫米(mm)，而且系统的测试精度还要低于测量装置的测量精度。此外，由于上述静力水准测量系统在测试过程中需要进行人工干预，每个工作水准点都只能单独进行测量，因此整个测量系统无法实现自动化测量。 再者，上述静力水准测量系统的测试范围相对较窄，有效范围士40mm，系统数据分析处理过程也比较繁琐，读数在小范围内时(0 士25mm)，传感器输出基本为线性响应；而读数在相对较大范围内时(士25 40mm)，传感器输出为非线性响应，此时必须使用插值法计算。综上可知，现有技术中的静力水准测量系统中存在受到人工干预大、测试精度低、 复现性和稳定性不好、测试周期长、无法实现自动化测量等诸多缺点，从而为实际的工程测量带来了诸多不便之处。
发明内容
本发明提供了一种静力水准测量装置及系统，从而可对所有工作水准点的同步自动化测量，提高测量精度，并减少人工劳动强度。为达到上述目的，本发明中的技术方案是这样实现的一种静力水准测量装置及系统，该装置包括水准盒、浮桶和振弦式力传感器；其中，所述水准盒中具有一内部空腔；所述水准盒的底部设置有用于注水和排水的供排水管；所述水准盒的上部设置有用于保证水准盒的内部空腔的气压与外部气压一致的气流管；所述振弦式力传感器，设置于所述水准盒的顶部，并具有用于输出信号的输出端和伸入所述水准盒的内部空腔的振弦；所述浮桶，通过所述振弦式力传感器的振弦悬挂于所述水准盒内部空腔中。所述装置还包括设置于所述水准盒的外侧并分别与所述水准盒内部空腔的上部和下部均连通的透明观察管，用于观察所述水准盒内部空腔中的水位。
所述振弦式力传感器还包括通气电缆；所述通气电缆与设置于所述通气电缆的末端并用于对所述振弦式力传感器的内腔进行干燥操作的传感器干燥管相连。本发明中还提出了一种静力水准测量系统，该系统包括一个设置于参考水准点处的参考水准盒、一个或多个设置在工作水准点处的工作水准盒、进水箱、出水箱、分水器和总气流管；其中，所述参考水准盒中包括设置于所述参考水准盒的底部并通过阀门与所述分水器连通的供排水管、设置于所述参考水准盒的上部并与所述总气流管连通的气流管、设置于所述水准盒的顶部并具有伸入所述参考水准盒的内部空腔的振弦和用于输出信号的输出端的振弦式力传感器、通过所述振弦悬挂于所述参考水准盒内部空腔中的浮桶；所述工作水准盒中包括设置于所述工作水准盒的底部并通过阀门与所述分水器连通的供排水管、设置于所述工作水准盒的上部并与所述总气流管连通的气流管、设置于所述水准盒的顶部并具有伸入所述工作水准盒的内部空腔的振弦和用于输出信号的输出端的振弦式力传感器、通过所述振弦悬挂于所述工作水准盒内部空腔中的浮桶；所述进水箱，通过进水阀门与所述分水器连接，用于向所述参考水准盒和各个工作水准盒中注水；所述出水箱，通过出水阀门与所述分水器连接，用于排出所述参考水准盒和各个工作水准盒中的水。所述参考水准盒中还包括设置于所述参考水准盒的外侧并分别与所述参考水准盒内部空腔的上部和下部均连通的透明观察管，用于观察所述参考水准盒内部空腔中的水位。所述参考水准盒的阀门、所述工作水准盒的阀门、所述进水箱的进水阀门和所述出水箱的出水阀门均设置在所述分水器上。该系统还进一步包括一个或多个设置于工作水准点处的扩展工作水准盒和与所述扩展工作水准盒一一对应且设置在参考水准点处的扩展参考水准盒；其中，所述扩展工作水准盒中具有一内部空腔；所述扩展参考水准盒中包括振弦式力传感器和浮桶；所述振弦式力传感器设置于所述扩展参考水准盒的顶部，并具有伸入所述扩展参考水准盒的内部空腔的振弦和用于输出信号的输出端；所述浮桶通过所述振弦悬挂于所述扩展参考水准盒内部空腔中；所述扩展参考水准盒的底部与其对应的扩展工作水准盒的底部通过供排水管连通，所述供排水管通过阀门与所述分水器连通；所述扩展参考水准盒和与其对应的扩展工作水准盒的上部分别与总气流管连通。所述扩展参考水准盒中还包括设置于所述扩展参考水准盒的外侧并分别与所述扩展参考水准盒内部空腔的上部和下部均连通的透明观察管，用于观察所述扩展参考水准盒内部空腔中的水位。所述系统中还包括设置于所述分水器的一端并用于对所述分水器、各个水准盒的内腔及各个供排水
7管进行干燥操作的系统干燥管。每个振弦式力传感器中还设置有一根通气电缆；所述通气电缆与设置于所述通气电缆的末端并用于对所述振弦式力传感器的内腔进行干燥操作的传感器干燥管相连。各个振弦式力传感器的输出端均通过导线分别与用于采集各个振弦式力传感器通过所述输出端输出的信号的读数装置连接。综上可知，本发明中提供了一种静力水准测量装置及系统。在所述静力水准测量装置及系统中，由于可以一次性完成向参照水准盒和所有工作水准盒的注水操作，还可以一次性地自动、同步地完成对所有水准盒的液面值的测量操作，从而可实现对所有工作水准点的同步自动化测量，有效地排除静力水准测量结果中的人工干预因素，大大提高测量精度，并大大减少人工劳动强度。
图1 (a)为现有技术中传统的静力水准测量系统的示意图。图1 (b)为图1 (a)中参考水准盒和工作水准盒的连接关系简单示意图。图2为本发明中的静力水准测量装置的结构示意图。图3为本发明中的静力水准测量系统的结构示意图。图4为本发明中的静力水准测量系统的局部剖面示意图。图5为本发明中扩展的静力水准测量系统的局部剖面示意图。图6为本发明中扩展的静力水准测量系统中参考水准盒和工作水准盒的连接关系的简单示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。图2为本发明中的静力水准测量装置的结构示意图。如图2所示，在本发明中的静力水准测量装置中，主要包括水准盒201、浮桶2014、振弦式力传感器208，其中，所述水准盒201中具有一内部空腔；所述水准盒201的底部设置有用于注水和排水的供排水管2011 ；所述水准盒201的上部设置有用于保证水准盒的内部空腔的气压与外部气压一致的气流管2012 ；所述振弦式力传感器208，设置于所述水准盒201的顶部，并具有用于输出信号的输出端2015和伸入所述水准盒的内部空腔的振弦2013 ；所述浮桶2014，通过所述振弦式力传感器208的振弦2013悬挂于所述水准盒内部
空腔中。另外，在上述的静力水准测量装置中，还可以包括一个设置于所述水准盒的外侧并分别与所述水准盒内部空腔的上部和下部均连通的透明观察管2017，用于观察水准盒内部空腔中的水位。根据浮力原理可知，当一个物体放置于液体中时，该物体所受的浮力与该物体排开的液体质量有关。如果该物体位于液体中且未被液体完全浸没，而且在液体中不发生移动，则液体表面的高度发生变化时，该物体所受的浮力也将发生变化。例如，如图2所示，当水准盒201中的液面从液面1的位置上升到液面2的位置时，浮桶2014所受的浮力将增大， 且该浮桶2014所受浮力的变化将与上述液面高低的变化成正比。由上可知，在上述静力水准测量装置中，当水准盒中的液面高度发生变化时，水准盒中的浮桶所受的浮力也将发生相应的变化，而该浮桶所受的浮力的大小则可由所述振弦式力传感器208通过其与所述浮桶连接的振弦2013测得，并通过该振弦式力传感器208的输出端2015以信号的方式输出。因此，只需对上述振弦式力传感器208的输出端2015输出的信号进行相应地处理，即可精确地测量出水准盒中的液面高度的变化。也就是说，通过上述的，可以自动而准确地随时测量上述水准盒中的液面高度的变化。此外，在本发明的技术方案中，所述振弦式力传感器208中还可包括通气电缆 (图2中未示出)。其中，所述通气电缆将与设置于所述通气电缆末端的传感器干燥管相连 (图2中未示出)，所述传感器干燥管可用于对所述振弦式力传感器208的内腔进行干燥操作。在本发明的技术方案中，可以使用高精度的振弦式力传感器作为上述的力传感器，从而可以更加精确地测量水准盒中的液面高度的变化，其测量精度可以达到0. 01mm。所述振弦式力传感器可通过测量上述振弦204的共振频率来获知所述振弦所受的张力，从而可测得所述浮桶所受的浮力的大小，并可根据所述浮桶所受的浮力计算得到水准盒中的液面高度的变化。在上述静力水准测量装置中，由于在水准盒中使用了浮桶，并通过力传感器测量浮桶所受的浮力，因此可以自动、精确地测量水准盒中液面高度的变化，从而可以应用于各种静力水准测量的情况中。例如，在本发明的技术方案中，上述静力水准测量装置既可以用作静力水准测量装置中的工作水准盒，也可以用作静力水准测量装置中的参考水准盒。在本发明的技术方案中，还提出了一种静力水准测量系统。图3为本发明中的静力水准测量系统的结构示意图，图4为本发明中的静力水准测量系统的局部剖面示意图。 如图3、图4所示，本发明中的静力水准测量系统主要包括一个设置于参考水准点处的参考水准盒301、一个或多个设置在工作水准点处的工作水准盒302、进水箱303、出水箱304、 分水器305和总气流管306。其中，所述参考水准盒301中包括设置于所述参考水准盒301的底部并通过阀门 3010与所述分水器305连通的供排水管3011、设置于所述参考水准盒301的上部并与所述总气流管306连通的气流管3012、设置于所述水准盒301的顶部并具有伸入所述参考水准盒301的内部空腔的振弦3013和用于输出信号的输出端3015的振弦式力传感器3016、通过所述振弦3013悬挂于所述参考水准盒301内部空腔中的浮桶3014。所述工作水准盒302中包括设置于所述工作水准盒302的底部并通过阀门3020 与所述分水器305连通的供排水管3021、设置于所述工作水准盒302的上部并与所述总气流管306连通的气流管3022、设置于所述水准盒301的顶部并具有伸入所述工作水准盒 302的内部空腔的振弦3023和用于输出信号的输出端3025的振弦式力传感器3(^6、通过所述振弦3023悬挂于所述工作水准盒302内部空腔中的浮桶30M。所述进水箱303，通过进水阀门3031与所述分水器305连接，用于向所述参考水准盒301和各个工作水准盒302中注水。
所述出水箱304，通过出水阀门3041与所述分水器305连接，用于排出所述参考水准盒和各个工作水准盒中的水。其中，各个振弦式力传感器的输出端(例如，所述振弦式力传感器3016的输出端 3015和所述振弦式力传感器30 的输出端302 均可通过导线分别与读数装置307连接。 所述读数装置307可用于采集各个振弦式力传感器通过所述输出端输出的信号。此外，在本发明的技术方案中，所述参考水准盒301中，还可以包括一个设置于所述参考水准盒301的外侧并分别与所述参考水准盒301内部空腔的上部和下部均连通的透明观察管3017，用于观察所述参考水准盒301内部空腔中的水位。此外，在上述静力水准测量系统中，所述参考水准盒301的阀门3010、所述工作水准盒302的阀门3020、所述进水箱303的进水阀门3031和所述出水箱304的出水阀门 3041，均可设置在所述分水器305上。在具体实施情况中，所述参考水准盒和工作水准盒均可使用图2所示的静力水准测量装置。可将上述的静力水准测量系统中的参考水准盒设置于相应的参考水准点上，例如，在改进型压水堆CPR1000中，可以将参考水准盒设置于混凝土外悬梁臂上；同时，还将上述的静力水准测量系统中的各个工作水准盒设置于相应的工作水准点上，例如，将各个工作水准盒预埋在待测的地基/基础的各个观测点中。另外，各个水准盒可以放置在相对应的支架上，所有支架支撑水准盒底部标高处于同一标高，所有支架应具有足够的稳定性。在使用上述的静力水准测量系统时，可以先对该静力水准测量系统进行初始化操作。在进行上述的初始化操作时，可以关闭所述出水箱304的出水阀门3041，并开启所述进水箱303的进水阀门3031、参考水准盒301的阀门3010和所有工作水准盒302的阀门 3020，从而使得进水箱303中存储的水可通过分水器305缓慢注入到参考水准盒301和各个工作水准盒302中；当参考水准盒301中的水位达到预设的水位值时，关闭所述进水箱 303的进水阀门3031，停止向参考水准盒和工作水准盒中注水。由于系统中的参考水准盒 301和各个工作水准盒302将通过分水器305连通，形成并联的状态，因此，当各个水准盒中的液面平稳之后，参考水准盒和各个工作水准盒中的液面将保持在同一水平高度上。此时，可以通过各个水准盒上的力传感器，记录各个水准盒中的液面值，并将各个水准盒中的当前液面值作为各个水准盒的液面初始值。在上述静力水准测量系统中，各个工作水准盒离进水箱的距离可能并不相同，因此，在上述初始化操作的注水过程中，如果注水的水流过大，则可能会当某些工作水准盒还未完成注水时，参考水准盒和/或某些工作水准盒的水位却已经超过了预期的高度，从而对水准盒中的振弦式力传感器造成损伤。所以，在上述的注水过程中，必须控制注水的水流大小，以避免上述的问题。为了避免上述的问题，在上述的初始化操作中，通常是逐一打开各个工作水准盒的阀门，对各个工作水准盒逐一完成注水。例如，首先关闭所述出水箱304的出水阀门 3041，并打开所述参考水准盒301的阀门3010和任意一个工作水准盒302的阀门3020，然后再缓慢打开进水箱303的进水阀门3031。此时，进水箱303中存储的水可通过分水器305 缓慢注入到参考水准盒301和上述工作水准盒302中。当参考水准盒中的水位达到预设的水位值时，关闭进水箱303的进水阀门3031 (这样一个工作水准盒充水完毕，随后再开始下一个工作水准盒充水)，关闭先前工作水准盒的阀门，并打开下一个工作水准盒的阀门，再缓慢打开进水箱303的进水阀门3031，向下一个工作水准盒中注水，直到参考水准盒中的
水位达到预设的水位值并关闭进水箱303的进水阀门3031 ；......，依此类推，直到打开最
后一个工作水准盒的阀门，向最后一个工作水准盒中注水，当参考水准盒中的水位达到预设的水位值时，关闭所述进水箱303的进水阀门3031，停止向参考水准盒和工作水准盒注水。然后，再打开所有工作水准盒302的阀门3020。当各个水准盒中的液面平稳之后，通过各个水准盒上的振弦式力传感器记录各个水准盒中的液面值，并将各个水准盒中的当前液面值作为各个水准盒的液面初始值。在完成上述初始化操作后，一般会等待一段预设时间(例如，1天或2天等)之后， 再进行静力水准测量(例如，测量各个工作水准点相对于参考水准点的沉降值)。当需要进行静力水准测量(例如，在安全壳验收压力试验中，各个压力平台需要对基础的沉降进行测量)时，可以通过各个水准盒上的振弦式力传感器获取各个水准盒中的液面当前值，然后再根据所记录的各个水准盒的液面初始值和所测量的液面当前值，通过计算得出各个工作水准点相对于参考水准点的沉降值。在本发明的技术方案中，可以使用多种计算方法来计算各个工作水准点相对于参考水准点的沉降值，例如，可通过如下所述的公式来计算各个工作水准点相对于参考水准点的沉降值AHx= (ROx-Rlx) Gx- (R0Eef-RlEef) GEef (1)其中，所述ΔΗΧ为第X个工作水准点相对于参考水准点的沉降值，当ΔΗΧ为负值时，表示第X个工作水准点相对于参考水准点下沉，当ΔΗΧ为正值时，表示第X个工作水准点相对于参考水准点升高。所述Rlx为第X个工作水准盒的液面当前值；ROx为第X个工作水准盒的液面初始值Ax为第X个工作水准盒的传感器系数；ROltef为参照水准盒的液面初始值；Rlltef为参照水准盒的液面当前值；Gltef为参照水准盒传感器系数。根据上述内容可知，在使用本发明的上述静力水准测量系统进行静力水准测量时，可以一次性完成向参照水准盒和所有工作水准盒的注水操作，还可以一次性地自动、同步地完成对所有水准盒的液面值的测量操作，从而实现对所有工作水准点的同步自动化测量，而不需要对每个工作水准盒都依次反复执行注水、放水和测读等操作，同时也不需要人工通过柱塞泵来不断地进行注水或放水以调节各个水准盒的水位，从而大大降低了操作过程的复杂度和劳动强度，避免了大量重复劳动，而且测试过程的复现性和稳定性好，测试用时短。此外，在使用本发明的上述静力水准测量系统进行静力水准测量时，各个水准盒的液面初始值和液面当前值可以通过振弦式力传感器自动同步地获取，实现自动化测量，而不是通过人工使用不同步的测量方法来获取，从而可以有效地排除静力水准测量结果中的人工干预因素，大大提高测量精度，并大大减少人工劳动强度。在完成上述静力水准测量之后，开启所述出水箱中的出水阀门。此时，所述参考水准盒和所有的工作水准盒中的水可通过分水器排出至所述出水箱中。上述测量系统内部的水排干后，可以关闭所述的出水阀门，等待下一次的静力水准测量。由上可知，由于在上述的静力水准测量系统中使用如图2所示的静力水准测量装置作为参考水准盒和工作水准盒，从而可以实现自动监测，极大减小了人工操作对测量结果的不良影响，并大大提高了系统的测量精度；同时，由于在上述的静力水准测量系统中， 参考水准盒与各个工作水准盒处于并联状态，因此可以一次性对多个工作水准盒的沉降情
11况进行测量，实现了对所有工作水准点的同步自动化测量。此外，上述的静力水准测量系统还具有完善的系统拓展能力，系统设计更稳定、更可靠，即使是在部分工作水准盒异常的情况下，仍然可以实现同步自动化测量。在实际应用场景中，图3和图4所示的静力水准测量系统中的参考水准盒301是设置在参考水准点处，因此如果参考水准盒301发生故障而不能工作，可以直接更换新的参考水准盒301。然而，当图3和图4所示的静力水准测量系统中的某个工作水准盒302中的振弦式力传感器发生故障，无法传输测量信号时，如果上述工作水准盒302是预埋在待测的工作水准点处，而无法更换新的工作水准盒，则对上述出现故障的工作水准盒302所在的工作水准点将无法进行相应的测量。为了解决上述的问题，在本发明的技术方案中还可对图3和图4中所示的静力水准测量系统进行功能扩展，从而形成一种扩展的静力水准测量系统。图5为本发明中扩展的静力水准测量系统的局部剖面示意图。图6为本发明中扩展的静力水准测量系统中参考水准盒和工作水准盒的连接关系的简单示意图。如图5、图6所示，图3和图4中所示出的静力水准测量系统因需要还可以设置一个或多个设置于工作水准点处的扩展工作水准盒 502和与所述扩展工作水准盒502 —一对应且设置在参考水准点处的扩展参考水准盒501。其中，所述扩展参考水准盒501的底部与其对应的扩展工作水准盒502的底部通过供排水管5011连通，所述供排水管5011通过阀门504与所述分水器305连通；所述参考水准盒501和与其对应的扩展工作水准盒502的上部分别与总气流管306连通，所述扩展参考水准盒501中还包括振弦式力传感器5016和浮桶5014 ；所述振弦式力传感器5016设置于所述扩展参考水准盒501的顶部，并具有伸入所述扩展参考水准盒501的内部空腔的振弦5013和用于输出信号的输出端5015 ；所述浮桶 5014通过所述振弦5013悬挂于所述扩展参考水准盒501内部空腔中。另外，所述振弦式力传感器5016的输出端5015通过导线与读数装置307连接。而且，所述扩展参考水准盒中还包括设置于所述扩展参考水准盒的外侧并分别与所述扩展参考水准盒内部空腔的上部和下部均连通的透明观察管，用于观察所述扩展参考水准盒内部空腔中的水位。而所述扩展工作水准盒502中，仅具有一内部空腔而并不包括浮桶和力传感器。 此时，上述扩展工作水准盒502可以相当于图3和图4所示的静力水准测量系统中的力传感器发生故障的工作水准盒302。在上述扩展的静力水准测量系统中，所述扩展工作水准盒502和参考水准盒501 是一一对应的，即每一个扩展工作水准盒502都与某一个参考水准盒501形成一一对应的关系，如果上述扩展的静力水准测量系统中有N个扩展工作水准盒502，则也对应有N个参考水准盒501。参考水准盒501和所述扩展工作水准盒502的底部通过供排水管5011直接连通，为便于通过分水器向扩展静力水准测量系统中充水，所述供排水管5011虽通过阀门 504与所述分水器305连通，但是，上述参考水准盒501和所述扩展工作水准盒502在测量状态下必须形成独立串联的关系(即测量状态下，阀门504应处于关闭状态)。对于一个扩展工作水准盒502和与其对应的参考水准盒501而言，在对上述扩展的静力水准测量系统进行初始化操作时，如果出水箱304的出水阀门3041已关闭且进水箱 303的进水阀门3031处于开启状态，则可以开启阀门504，从而使得进水箱303中存储的水可通过分水器305缓慢注入到参考水准盒501和扩展工作水准盒502中。当参考水准盒501 中的水位达到预设的水位值时，关闭阀门504，停止向参考水准盒和工作水准盒注水。当液面平稳之后，参考水准盒501和扩展工作水准盒502中的液面将保持在同一水平高度上。此时，可以通过参考水准盒501上的振弦式力传感器，记录参考水准盒501中的液面值，并将该液面值作为参考水准盒501和扩展工作水准盒502的液面初始值。此外，上述扩展的静力水准测量系统的参考水准盒301和所述工作水准盒302的初始化过程与图3和图4所示的静力水准测量系统中的初始化过程相同，在此不再赘述。在完成上述初始化操作后，当需要进行静力水准测量(例如，需要对地基/基础的沉降进行测量)时，可以通过参考水准盒501上的振弦式力传感器获取参考水准盒501中的液面当前值，然后再根据所记录的参考水准盒501的液面初始值和上述液面当前值，通过计算得出扩展工作水准盒502相对于参考水准点的沉降值。此外，上述扩展的静力水准测量系统的参考水准盒501和所述工作水准盒502的静力水准测量方法与图3和图4所示的静力水准测量系统中的静力水准测量方法相同，在此不再赘述。在上述扩展的静力水准测量系统中，所述扩展工作水准盒502可以是图3和图4 所示的静力水准测量系统中的力传感器发生故障的工作水准盒302，也可以在设置上述扩展的静力水准测量系统时，直接预埋在待测工作水准点处的、不包括浮桶和力传感器的工作水准盒，从而减少设置静力水准测量系统的成本。将现有技术中的图1(b)与本发明技术方案中的图6进行对比可知，由于上述扩展工作水准盒502和所述参考水准盒501是一一对应的，具有独立串联的关系，因此使用上述扩展的静力水准测量系统，同样可以减小系统中的测试干扰，提高系统测试精度、加强系统的可靠性，同时也可实现同步自动化测量。正因如此，本发明技术方案中的上述扩展的静力水准测量系统具有很完善的系统拓展能力。也就是说，当埋入混凝土内的一个或多个工作水准点由于工作水准盒中的力传感器无法正常工作而失效时，那么可以将上述失效的工作水准盒作为上述的扩展工作水准盒，然后为该失效的工作水准盒分别设置一个对应的参考水准盒，从而可同样实现且同步自动化测量，并减小系统中的测试干扰，提高系统测试精度、加强系统的可靠性。更进一步的，还可在上述静力水准测量系统或扩展的静力水准测量系统中设置系统干燥管(图3和图4中未示出)。其中，所述系统干燥可管设置于所述分水器的一端，并可用于对包括分水器、各个水准盒(包括参考水准盒、各个工作水准盒、扩展参考水准盒和各个扩展工作水准盒)的内腔及各个供排水管在内的整个管道系统进行干燥操作。另外， 为了保证各个水准盒内腔的干燥，在必要时还可以通过系统干燥管和分水器向各个水准盒的内腔灌入惰性气体。此外，在本发明的技术方案中，上述静力水准测量系统或扩展的静力水准测量系统中的每个振弦式力传感器中都可设置一根通气电缆(图3和图4中均未示出)。所述通气电缆与所述传感器干燥管相连，所述传感器干燥管可设置于所述通气电缆的末端，并可通过所述通气电缆对所述振弦式力传感器的内腔进行干燥操作。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种静力水准测量装置，其特征在于，该装置包括水准盒、浮桶和振弦式力传感器；其中，所述水准盒中具有一内部空腔；所述水准盒的底部设置有用于注水和排水的供排水管；所述水准盒的上部设置有用于保证水准盒的内部空腔的气压与外部气压一致的气流管；所述振弦式力传感器，设置于所述水准盒的顶部，并具有用于输出信号的输出端和伸入所述水准盒的内部空腔的振弦；所述浮桶，通过所述振弦式力传感器的振弦悬挂于所述水准盒内部空腔中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置于所述水准盒的外侧并分别与所述水准盒内部空腔的上部和下部均连通的透明观察管，用于观察所述水准盒内部空腔中的水位。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振弦式力传感器还包括通气电缆；所述通气电缆与设置于所述通气电缆的末端并用于对所述振弦式力传感器的内腔进行干燥操作的传感器干燥管相连。
4.一种静力水准测量系统，其特征在于，该系统包括一个设置于参考水准点处的参考水准盒、一个或多个设置在工作水准点处的工作水准盒、进水箱、出水箱、分水器和总气流管；其中，所述参考水准盒中包括设置于所述参考水准盒的底部并通过阀门与所述分水器连通的供排水管、设置于所述参考水准盒的上部并与所述总气流管连通的气流管、设置于所述水准盒的顶部并具有伸入所述参考水准盒的内部空腔的振弦和用于输出信号的输出端的振弦式力传感器、通过所述振弦悬挂于所述参考水准盒内部空腔中的浮桶；所述工作水准盒中包括设置于所述工作水准盒的底部并通过阀门与所述分水器连通的供排水管、设置于所述工作水准盒的上部并与所述总气流管连通的气流管、设置于所述水准盒的顶部并具有伸入所述工作水准盒的内部空腔的振弦和用于输出信号的输出端的振弦式力传感器、通过所述振弦悬挂于所述工作水准盒内部空腔中的浮桶；所述进水箱，通过进水阀门与所述分水器连接，用于向所述参考水准盒和各个工作水准盒中注水；所述出水箱，通过出水阀门与所述分水器连接，用于排出所述参考水准盒和各个工作水准盒中的水。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述参考水准盒中还包括设置于所述参考水准盒的外侧并分别与所述参考水准盒内部空腔的上部和下部均连通的透明观察管，用于观察所述参考水准盒内部空腔中的水位。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于所述参考水准盒的阀门、所述工作水准盒的阀门、所述进水箱的进水阀门和所述出水箱的出水阀门均设置在所述分水器上。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，该系统还进一步包括一个或多个设置于工作水准点处的扩展工作水准盒和与所述扩展工作水准盒一一对应且设置在参考水准点处的扩展参考水准盒；其中，所述扩展工作水准盒中具有一内部空腔；所述扩展参考水准盒中包括振弦式力传感器和浮桶；所述振弦式力传感器设置于所述扩展参考水准盒的顶部，并具有伸入所述扩展参考水准盒的内部空腔的振弦和用于输出信号的输出端；所述浮桶通过所述振弦悬挂于所述扩展参考水准盒内部空腔中； 所述扩展参考水准盒的底部与其对应的扩展工作水准盒的底部通过供排水管连通，所述供排水管通过阀门与所述分水器连通；所述扩展参考水准盒和与其对应的扩展工作水准盒的上部分别与总气流管连通。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述扩展参考水准盒中还包括 设置于所述扩展参考水准盒的外侧并分别与所述扩展参考水准盒内部空腔的上部和下部均连通的透明观察管，用于观察所述扩展参考水准盒内部空腔中的水位。
9.根据权利要求4 8中任一所述的系统，其特征在于，所述系统中还包括设置于所述分水器的一端并用于对所述分水器、各个水准盒的内腔及各个供排水管进行干燥操作的系统干燥管。
10.根据权利要求4 8中任一所述的系统，其特征在于 每个振弦式力传感器中还设置有一根通气电缆；所述通气电缆与设置于所述通气电缆的末端并用于对所述振弦式力传感器的内腔进行干燥操作的传感器干燥管相连。
11.根据权利要求4 8中任一所述的系统，其特征在于各个振弦式力传感器的输出端均通过导线分别与用于采集各个振弦式力传感器通过所述输出端输出的信号的读数装置连接。
全文摘要
本发明提供了一种静力水准测量装置和系统。其中，静力水准测量装置包括水准盒、浮桶和振弦式力传感器。所述静力水准测量系统包括一个设置于参考水准点处的参考水准盒、一个或多个设置在工作水准点处的工作水准盒、进水箱、出水箱、分水器和总气流管。通过使用上述的装置和系统，可实现对所有工作水准点的同步自动化测量，有效地排除静力水准测量结果中的人工干预因素，大大提高测量精度，并大大减少人工劳动强度。
文档编号G01C5/04GK102338631SQ20111014660
公开日2012年2月1日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者张心斌, 张忠, 张涛 申请人:中冶建筑研究总院有限公司