本发明属于土木工程的构筑物沉降领域，涉及一种利用图像分析技术测量液位的螺旋型静力水准仪。
背景技术
静力水准系统是测量两点或者多点之间的相对沉降的精密仪器，主要用于大型储罐、大坝、核电站、高层建筑、基坑、隧道、桥梁、地铁等垂直位移和倾斜的监测。传统的静力水准仪在使用中，多个静力水准仪的容器用通液管联接，每一容器的液位由磁致伸缩式传感器测出，传感器的浮子位置随液位的变化而同步变化，由此可测出各测点的液位变化量。静力水准仪有多种类型，包括：振弦式，电感式，液位式等等。然而，在测量沉降的过程中，静力水准系统会因为不同位置的温度不同而导致测量精度受影响，需要添加温度补偿等复杂的工序。根据流体力学原理，液体流动距离越远，水头会越小，产生的较大的流动粘滞性会导致液面不等高，使最后测得的结果误差较大。传统的静力水准仪的自动化采集数据的方式是通过将液面的位移数据转换为其它物理量来进行计算分析，换算的过程也会导致测量结果的精度不高。
因此，针对上述问题提出一种新的静力水准仪。
技术实现要素：
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种利用图像分析技术测量液位的螺旋型静力水准仪。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种利用图像分析技术测量液位的螺旋型静力水准仪，包括暗箱(1)、螺旋连通管(2)、浮球(3)、摄像机(4)、背景板(5)、水泵机箱(6)、水箱(7)和连通管(8)，
所述背景板(5)、螺旋连通管(2)和摄像机(4)均设置在所述暗箱(1)中，所述背景板(5)设置在所述螺旋连通管(2)的下方，所述摄像机(4)设置在所述螺旋连通管(2)的上方，所述螺旋连通管(2)内设置有所述浮球(3)，所述螺旋连通管(2)为透明管；
所述水泵机箱(6)通过所述连通管(8)与所述螺旋连通管(2)连通，所述水泵机箱(6)的液位最低点低于所述螺旋连通管(2)的液位最低点。
更进一步的，所述背景板(5)为圆形板。
更进一步的，所述背景板(5)为漫射光板。漫射光板方便提供摄像机采样图像所需的漫射逆光。
更进一步的，所述背景板(5)竖直投影的直径大于所述螺旋连通管(2)竖直投影的最大直径。
更进一步的，所述暗箱内表面设置有漫反射层。暗箱为一个可以防尘，透气，没有光线的正方体空间，为测量系统提供液位测量所需的环境。
更进一步的，所述浮球(3)的表面设置有超疏水层，所述浮球(3)为非透光球。其中，超疏水层为超疏水材料。目前，我们定义超疏水材料表面稳定接触角要大于150°，滚动接触角小于10°。超疏水层用以保证其吃水深度维持不变并作为稳定准确的读数工具。浮球漂浮在螺旋连通管内，其球心的位置作为螺旋连通管内液面升降的指标，浮球的表面材料采用超疏水材料，且不透光，综合密度小。
更进一步的，还包括托架(9)，多个所述螺旋连通管(2)之间通过所述连通管(8)连通，所述托架(9)托起所述连通管(8)。托架安置在相邻每两个暗箱的中间位置，将连通螺旋连通管的连通管托起，使得在更换系统内的测量液体后连通管内没有液体残留。
更进一步的，所述摄像机(4)和背景板(5)分别位于所述螺旋连通管(2)的正上方和正下方。方便进行标定和液位数据测量。摄像机安装在螺旋连通管的正上方，调整摄像机与螺旋连通管的距离，使得螺旋连通管的测量段在摄像机采样的图片中不产生畸变。将采样图片上传计算机，用计算机软件进行处理并读取，提取灰度值，确定浮球图片的圆心点位置，获取液面变化的信息，从而测得两点间的相对沉降数据。
更进一步的，还包括滑片(10)，所述滑片(10)设置在所述暗箱(1)的外侧。大量程滑片用来粗调螺旋连通管位置，使得本发明能够测量初始水平位置不同的两点间的沉降。
更进一步的，还包括水箱(7)，所述水泵机箱(6)通过水泵连接所述水箱(7)。水箱提供测量所需的干净且流动性好的液体，水泵机箱能够定期更换螺旋连通管中的测量液体，控制液体的主水位，使得静力水准系统能够自动清理测量液体，并且保持液体的流动性，各个位置的螺旋连通管中的液体温度基本相同，测量结果不会受到温度的影响。
有益效果：本发明的利用图像分析技术测量液位的螺旋型静力水准仪液体体积可以自由膨胀，测量结果不受温度变化的影响；螺旋连通管内的液体可以定期更换，从而可以定期自动清理测量液体的杂质，并且保持液体的流动性，提高了测量结果的精度。采用图像分析技术测量液位，可以直观地测得液面的变化，从而得到更加准确的沉降数据。螺旋状的结构设计使得液面高程的竖直变化转化为螺旋上升的变化，从而增加测量的精度和分辨率。
附图说明
图1利用图像分析技术测量液位的螺旋型静力水准仪的结构示意图；
图2摄像机采集到带有浮球位置信息的图片示意图；
图3浮球运动分解原理图。
图中，暗箱1，螺旋连通管2，浮球3，摄像机4，漫射光屏5，水泵机箱6，水箱7，连通管8，托架9，滑片10。
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。
请参阅图1-3所示，本发明的利用图像分析技术测量液位的螺旋型静力水准仪，包括暗箱1、螺旋连通管2、浮球3、摄像机4、背景板5、水泵机箱6、水箱7和连通管8，背景板5、螺旋连通管2和摄像机4均设置在暗箱1中，背景板5设置在螺旋连通管2的下方，摄像机4设置在螺旋连通管2的上方，螺旋连通管2内设置有浮球3，螺旋连通管2为透明管。水泵机箱6通过连通管8与螺旋连通管2连通，水泵机箱6的液位最低点低于螺旋连通管2的液位最低点。
优选的，背景板5为圆形板。背景板5为漫射光板。漫射光板方便提供摄像机采样图像所需的漫射逆光。背景板5竖直投影的直径大于螺旋连通管2竖直投影的最大直径。暗箱内表面设置有漫反射层。暗箱为一个可以防尘，透气，没有光线的正方体空间，为测量系统提供液位测量所需的环境。
优选的，浮球3的表面设置有超疏水层，浮球3为非透光球。其中，超疏水层为超疏水材料。目前，我们定义超疏水材料表面稳定接触角要大于150°，滚动接触角小于10°。超疏水层用以保证其吃水深度维持不变并作为稳定准确的读数工具。浮球漂浮在螺旋连通管内，其球心的位置作为螺旋连通管内液面升降的指标，浮球的表面材料采用超疏水材料，且不透光，综合密度小。
优选的，还包括托架9，多个螺旋连通管2之间通过连通管8连通，托架9托起连通管8。托架安置在相邻每两个暗箱的中间位置，将连通螺旋连通管的连通管托起，使得在更换系统内的测量液体后连通管内没有液体残留。
优选的，摄像机4和背景板5分别位于螺旋连通管2的正上方和正下方。方便进行标定和液位数据测量。摄像机安装在螺旋连通管的正上方，调整摄像机与螺旋连通管的距离，使得螺旋连通管的测量段在摄像机采样的图片中不产生畸变。将采样图片上传计算机，用计算机软件进行处理并读取，提取灰度值，确定浮球图片的圆心点位置，获取液面变化的信息，从而测得两点间的相对沉降数据。
优选的，还包括滑片10，滑片10设置在暗箱1的外侧。滑片用来粗调螺旋连通管位置，使得本发明能够测量初始水平位置不同的两点间的沉降。
优选的，还包括水箱7，水泵机箱6通过水泵连接水箱7。水箱提供测量所需的干净且流动性好的液体，水泵机箱能够定期更换螺旋连通管中的测量液体，控制液体的主水位，使得静力水准系统能够自动清理测量液体，并且保持液体的流动性，各个位置的螺旋连通管中的液体温度基本相同，测量结果不会受到温度的影响。
本发明的利用图像分析技术测量液位的螺旋型静力水准仪液体体积可以自由膨胀，测量结果不受温度变化的影响；螺旋连通管内的液体可以定期更换，从而可以定期自动清理测量液体的杂质，并且保持液体的流动性，提高了测量结果的精度。采用图像分析技术测量液位，可以直观地测得液面的变化，从而得到更加准确的沉降数据。螺旋状的结构设计使得液面高程的竖直变化转化为螺旋上升的变化，从而增加测量的精度和分辨率。
实施例1
如图1所示，本发明利用图像分析技术测量液位的螺旋型静力水准仪，包括暗箱1，螺旋连通管2，浮球3，摄像机4，漫射光屏，水泵机箱6，水箱7，连通管8，托架9，大量程滑片10。各个测点的螺旋连通管2相互连通，并且通过连通管8与水泵机箱6和水箱7相连，水箱7提供测量所需的干净且流动性好的液体，水泵机箱6能够定期更换螺旋连通管2中的测量液体，并控制系统的主水位。浮球3在螺旋连通管2内，螺旋连通管2、摄像机4、漫射光屏、都布置在暗箱1内，摄像机4安装在与螺旋连通管2的正上方，调整摄像机4与螺旋连通管2的距离，使得螺旋连通管2的测量段在摄像机4采样的图片中不产生机变。漫射光屏安置在螺旋连通管2的正下方，提供图像采样所需的漫射逆光。位于暗箱1外部并用于连接螺旋连通管2的连通管8在其中间部位用托架9托起。待系统稳定后，摄像机4拍摄螺旋连通管2与浮球3的图片，将采样的图片上传至计算机进行处理和读取，并提取灰度值，确定浮球3投影的圆心点位置，将待测点的浮球3位置和参考点的浮球3位置进行比较运算，结合两点的初始位置关系，可最终得到两点间的相对沉降数据，并通过叠加运算可得到多点的沉降数据。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。