劉湘鍇，吳能森，吳承彬

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.中匯建筑集團(tuán)有限公司，福建 福州 350002)

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一種新型容柵式靜力水準(zhǔn)儀的研制

劉湘鍇1，吳能森1，吳承彬2

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.中匯建筑集團(tuán)有限公司，福建 福州 350002)

摘要：創(chuàng)新性地研制了一種容柵式靜力水準(zhǔn)儀，利用容柵數(shù)顯技術(shù)與靜力水準(zhǔn)技術(shù)相結(jié)合研制而成，期望該靜力水準(zhǔn)儀能夠在建筑沉降觀測(cè)中起到重要作用。給出了容柵式靜力水準(zhǔn)儀的系統(tǒng)組成、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀相比，該靜力水準(zhǔn)儀的最大特點(diǎn)是功耗低，可采用電池供電，并自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，減少了人工測(cè)量成本，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。應(yīng)用實(shí)踐證明，該方案切實(shí)可行，且效果良好。該研制儀器已被授予發(fā)明專利(2013105507592)和實(shí)用新型專利(2013207027472)。

關(guān)鍵詞：靜力水準(zhǔn)儀；容柵傳感器；沉降觀測(cè)

隨著城市化進(jìn)程的日益推進(jìn)，對(duì)建筑工程的要求也在逐步提高，而沉降觀測(cè)無(wú)疑是建筑工程質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代土木工程要求沉降觀測(cè)做到高效率、高精度、低成本，甚至自動(dòng)化、信息化，而目前對(duì)房建工程的沉降觀測(cè)技術(shù)多數(shù)還停留在傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量，不僅觀測(cè)過(guò)程較為復(fù)雜，需要多人協(xié)作，還受觀測(cè)環(huán)境影響大，這顯然難以滿足要求。容柵式靜力水準(zhǔn)儀是業(yè)內(nèi)第一次引用容柵技術(shù)研制的靜力水準(zhǔn)儀，其不僅觀測(cè)精度高，受環(huán)境影響小，可以進(jìn)行全天候連續(xù)觀測(cè)，并能自動(dòng)讀數(shù)，自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，大大減少了觀測(cè)成本，是提高沉降觀測(cè)的安全性、穩(wěn)定性的有效途徑，更是提高沉降觀測(cè)的精度和效率的較好設(shè)備。介紹了新型容柵式靜力水準(zhǔn)儀的工作原理及構(gòu)造，并結(jié)合儀器實(shí)際的應(yīng)用情況，總結(jié)分析所研制儀器的應(yīng)用前景，供同行參考。

1工作原理

容柵式靜力水準(zhǔn)儀的理念是將靜力水準(zhǔn)儀與容柵式傳感器相結(jié)合，發(fā)揮兩者之間的優(yōu)勢(shì)，研制出適于建筑沉降觀測(cè)的高精度，高穩(wěn)定性，受工作環(huán)境影響小的測(cè)量?jī)x器。

圖1　容柵式靜力水準(zhǔn)儀的構(gòu)造圖

容柵式靜力水準(zhǔn)儀由液晶顯示器、動(dòng)?xùn)拧⒍拧⒏⊥埠瓦B接管等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

容柵式靜力水準(zhǔn)儀利用連通器中的所有液面高度一致的原理進(jìn)行兩點(diǎn)之間的垂直位移測(cè)量，其原理圖如圖2所示。將容柵式靜力水準(zhǔn)儀固定在各測(cè)點(diǎn)上，用連通管連接各測(cè)點(diǎn)的容柵式靜力水準(zhǔn)儀，注入適量液體。當(dāng)測(cè)點(diǎn)之間產(chǎn)生垂直位移時(shí)，儀器中的液面產(chǎn)生升降變化，浮筒隨液面產(chǎn)生自由升降，固定在浮筒上的動(dòng)?xùn)懦弑惝a(chǎn)生上下位移[1]。位移引起容柵接收極板與發(fā)射極板的相對(duì)位置變化，使得接收信號(hào)產(chǎn)生變化，并通過(guò)一系列的信號(hào)處理，將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，容柵位移測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖3所示。

該系統(tǒng)由3個(gè)主要部分組成：

(1)有源容柵傳感器。它包括激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生、容柵輸出信號(hào)的信號(hào)變換電路等部件。鑒相電路是將被測(cè)信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)化為一個(gè)脈寬信號(hào)(用以控制系統(tǒng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)閥門(mén))和一個(gè)位移方向信號(hào)。

(2)計(jì)數(shù)顯示電路。它包括系統(tǒng)計(jì)數(shù)器(由可逆計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn))、加減判別、符號(hào)判別、過(guò)零判別、譯碼顯示等部件。

圖2　靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)原理示意圖

(3)有源容柵傳感器的輸出信號(hào)在信號(hào)變換中，經(jīng)濾波除去高次諧波。并將基波分量整形成方波，再經(jīng)單穩(wěn)成一個(gè)脈沖序列(見(jiàn)圖3)。位置分別處于X-、X0、X+的容柵傳感器，其輸出信號(hào)如圖4 b、圖4 c、圖4 d所示，它們之間的相位差與位置對(duì)應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)位置相差一個(gè)容柵定柵節(jié)距W時(shí)，其相位差為2π。在靜態(tài)時(shí)，這個(gè)脈沖序列是一個(gè)周期為T(mén)的脈沖信號(hào)，在各個(gè)對(duì)應(yīng)位置上的信號(hào)之間，相位是一個(gè)與位置相對(duì)應(yīng)的位相角[2]。

圖3　鑒相型有源容柵位移測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖4　容柵動(dòng)態(tài)直讀原理圖

當(dāng)容柵從位置X0移至X+時(shí)，接收到的波形其相位向前移了。反之，從X0移至X-時(shí)，接受到的波形其相位就向后移了。因而在位移的過(guò)程中，采樣得到的脈沖信號(hào)周期就會(huì)變化。由采樣得到的信號(hào)周期Ti，與原基準(zhǔn)周期T相比的增量為△Ti=Ti-T，它與該時(shí)間內(nèi)的位移對(duì)應(yīng)，于是在某一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的位移，就可以通過(guò)對(duì)該時(shí)間內(nèi)接收信號(hào)的每一個(gè)周期的增量求總和來(lái)得到，即

△x～△T=∑iTi-T

(1)

式中△T的符號(hào)與相位方向?qū)?yīng)[3]。

2研制儀器的意義

研制儀器之所以采用容柵技術(shù)，是基于它在用于大位移測(cè)量時(shí)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)測(cè)量速度快。例如：分辨率為0.01 mm的容柵數(shù)顯電子卡尺，測(cè)量速度可達(dá)1.5 m/s。

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。傳感器的機(jī)械部分主要由兩組極板組成，結(jié)構(gòu)小巧，易于與集成電路制成一體(如瑞士Sylvac型數(shù)顯卡尺)。這一優(yōu)點(diǎn)也是其他類(lèi)型的位移傳感器所不能比擬的。

(3)對(duì)使用環(huán)境要求不高。能抗電、磁場(chǎng)的干擾，對(duì)空氣濕度不敏感等。

(4)耗能少。這是由于電容傳感器本身的介質(zhì)損耗和靜電引力都很小，以及使用CMOS電路的緣故。瑞士的Sylvac型容柵數(shù)顯卡尺，僅使用一塊1.5 V氧化銀短板電池，就可以連續(xù)供電使用12個(gè)月[4]。

研制的儀器主要適用于二級(jí)及以下的建筑物沉降變形測(cè)量，故對(duì)其與常見(jiàn)的精密光學(xué)水準(zhǔn)儀和現(xiàn)有市面上的各類(lèi)型靜力水準(zhǔn)儀做一個(gè)大致的對(duì)比分析。

2.1與常規(guī)光學(xué)水準(zhǔn)儀的對(duì)比

目前用于高層建筑沉降觀測(cè)的常用的精密光學(xué)水準(zhǔn)儀有瑞士進(jìn)口的威特N2、威特N3以及國(guó)產(chǎn)的DS05、DS1等水準(zhǔn)儀[5]。研制的儀器與以上水準(zhǔn)儀相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)工作環(huán)境要求低。精密水準(zhǔn)儀的使用受室外環(huán)境影響大，本儀器工作環(huán)境在-20～40℃，濕度≤80%都能夠正常工作；

(2)本儀器可以進(jìn)行全天候觀測(cè)。

(3)降低人工成本。精密水準(zhǔn)儀通常是與水準(zhǔn)尺配套使用，故一般需2人或2人以上協(xié)同完成測(cè)量工作，而本儀器安裝完成后，僅需1人即可觀測(cè)記錄，大大提高工作效率。

(4)數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確。精密水準(zhǔn)儀的測(cè)量結(jié)果通常需人工記錄，難免大意出錯(cuò)，本儀器具有數(shù)據(jù)直讀和保存功能，降低了數(shù)據(jù)記錄的工作難度。

2.2與常見(jiàn)的容柵式靜力水準(zhǔn)儀對(duì)比

就目前而言，上市的容柵式靜力水準(zhǔn)儀型號(hào)不多，比如HC-R型容柵式靜力水準(zhǔn)儀(見(jiàn)圖5)。

研制儀器與HC-R型容柵式靜力水準(zhǔn)儀相較而言，由于研制儀器引入了容柵數(shù)顯技術(shù)，使得測(cè)量數(shù)據(jù)可以直觀的被記錄，減少了觀測(cè)的人為誤差。

2.3與其他傳感類(lèi)型的靜力水準(zhǔn)儀

目前常見(jiàn)的靜力水準(zhǔn)儀絕大多數(shù)是基于光電式(CCD)、磁致伸縮式或電感式傳感器研發(fā)而成[6]，下面以XTY5106242型光電式(CCD)靜力水準(zhǔn)儀(見(jiàn)圖6)[7]、BY.39-MSL570-600型磁致伸縮式水準(zhǔn)儀(見(jiàn)圖7)[8]和SZZX-S100B型電感式靜力水準(zhǔn)儀(見(jiàn)圖8)[9]為例，上述3種儀器技術(shù)參數(shù)的配備與研制儀器的對(duì)比如表1所示。

圖5　HC-R型容柵式靜力水準(zhǔn)儀

圖6　XTY5106242型靜力水準(zhǔn)儀

圖7　BY.39-MSL570-600型靜力水準(zhǔn)儀

圖8　SZZX-S100B型靜力水準(zhǔn)儀

產(chǎn)品型號(hào)產(chǎn)品量程/mm綜合誤差/%精度/mm工作電壓/V工作溫度/℃市場(chǎng)價(jià)/(元/臺(tái))配備XTY510624250≤0.20.1100～220-15～+65約2000BY.39-MSL570-600600≤0.10.0124-20～+80約3000SZZX-S100B100≤0.010.0112-20～+80約2300研制儀器65≤0.20.11.5～3-20～+80約1500除研制儀器只需配備連通管外,其余都需要配備專業(yè)水工纜;連通管;智能讀數(shù)儀

圖9　研制儀器外觀尺寸圖(單位：mm)

由表1可以看出，研制的儀器在精度和量程上雖不及BY.39-MSL570-600、SZZX-S100B型靜力水準(zhǔn)儀，但因?yàn)檠兄苾x器是適用于二等建筑物的沉降觀測(cè)上，0.1 mm的精度和65 mm的量程已完全足夠。另外，由于研制儀器采用了容柵數(shù)顯技術(shù)，數(shù)據(jù)能夠直接顯示在儀器上，并且研制儀器采用兩顆紐扣電池供電，不僅耗能低，而且免去了布置電纜的煩瑣，在配備上較以上幾種靜力水準(zhǔn)儀少了專業(yè)水工電纜和智能讀數(shù)儀，儀器成本也大大降低。

3設(shè)計(jì)方案

3.1技術(shù)原理

該測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)靜力水準(zhǔn)儀工作原理和反射式群聚型容柵傳感器原理設(shè)計(jì)，動(dòng)?xùn)磐ㄟ^(guò)螺釘連接到尺框上，定柵粘接在尺身(和浮體連接)的定柵槽內(nèi)，和尺身形成一個(gè)整體，通過(guò)尺身帶動(dòng)定柵在尺框內(nèi)上下自由滑動(dòng)，形成一個(gè)完整的容柵傳感器[10]。將傳感器置于靜力水準(zhǔn)儀，傳感器數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器上，通過(guò)顯示器數(shù)據(jù)的變化測(cè)得浮體的上下位移量。

3.2儀器尺寸及樣品

研制儀器外觀尺寸及研制樣品分別如圖9、圖10所示。

圖10　研制儀器成品圖

圖11　顯示界面

顯示界面如圖11所示，系統(tǒng)的初始界面，也是最常用界面，該界面下液晶顯示日期“XX年XX月XX日”，當(dāng)前測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，測(cè)量的單位是“In”或“mm”[11-15]。各按鍵的使用和功能見(jiàn)產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)[11]。

3.3相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及注意事項(xiàng)

(1)測(cè)量精確到0.1 mm，量程≥60 mm；

(2)使用環(huán)境：溫度-10～40℃；濕度不大于80%；

(3)正常關(guān)機(jī)后再開(kāi)機(jī)，數(shù)據(jù)保持關(guān)機(jī)前的數(shù)據(jù)；

(4)電池電量不足的時(shí)候，液晶屏上會(huì)顯示低電量報(bào)警，如果要更換電池，要先長(zhǎng)按“保存”鍵存儲(chǔ)當(dāng)前數(shù)據(jù)，再卸下電池進(jìn)行更換，兩個(gè)電池要同時(shí)更換，更換電池再次開(kāi)機(jī)之前數(shù)據(jù)全部保留[15]。

4系統(tǒng)標(biāo)定與應(yīng)用

4.1技術(shù)依據(jù)

《工程測(cè)量規(guī)范》GB 50026—2007；

《建筑變形測(cè)量規(guī)程》JCJ 8—2007。

4.2主要技術(shù)指標(biāo)

相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)高程中誤差≤±1.0 mm；

沉降觀測(cè)點(diǎn)高程中誤差≤±1.0 mm；

基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)站高差中誤差≤±0.5 mm；

沉降觀測(cè)網(wǎng)測(cè)站高差中誤差≤±0.5 mm。

4.3標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)在位移標(biāo)定臺(tái)上進(jìn)行，對(duì)比用游標(biāo)卡尺與該靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。

表2　測(cè)量誤差分析表　　　　　　　　　　 mm

由表2可知，測(cè)量最大誤差不大于0.09 mm，可以滿足絕大部分建筑沉降觀測(cè)要求[16]。

4.4工程應(yīng)用

研制的水準(zhǔn)儀在三明市沙縣某住宅樓工程進(jìn)行了研究性試用，該工程為1#住宅樓18層，住宅樓主體高度為60 m且地下為二層。該工程地基采用天然地基，筏型基礎(chǔ)，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。依據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026—2007)和《建筑變形測(cè)量規(guī)程》(JGJ 8—2007)等相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行沉降觀測(cè)[17]。在該住宅樓布設(shè)八個(gè)外露標(biāo)志的沉降觀測(cè)點(diǎn)，并在其相應(yīng)位置布置一臺(tái)研制的靜力水準(zhǔn)儀組成靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，共8臺(tái)，沉降點(diǎn)布置如圖12所示。

在約6個(gè)月的測(cè)量周期內(nèi)，靜力水準(zhǔn)儀與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線對(duì)比如圖13所示。

圖12　沉降點(diǎn)布置圖(單位：m)

圖13　人工與靜力水準(zhǔn)測(cè)量比較圖

由圖13可知，該靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量性能穩(wěn)定，并與人工測(cè)量的數(shù)據(jù)相差最大值不超過(guò)5 mm，具有替代現(xiàn)有光學(xué)水準(zhǔn)儀的潛力。并且在觀測(cè)時(shí)不受通視條件和氣候條件限制，觀測(cè)方便，測(cè)量精度高，符合《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026—2007)二等沉降觀測(cè)類(lèi)精度要求，節(jié)省人工費(fèi)用60%，節(jié)約成本約2萬(wàn)元，其應(yīng)用情況良好。

5結(jié)語(yǔ)

(1)沉降觀測(cè)對(duì)于分析掌握已建工程的安全動(dòng)態(tài)，積累地區(qū)性資料，豐富完善沉降計(jì)算理論具有十分重要的作用。目前沉降觀測(cè)的常規(guī)做法是埋設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，定期或不定期進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量。由于水準(zhǔn)觀測(cè)儀器攜帶不方便，需要人員多，成本高，且儀器本身精度不高，受人為和環(huán)境因素影響大，能長(zhǎng)期正常進(jìn)行沉降觀測(cè)的不多，數(shù)據(jù)的客觀性和有效性很值得懷疑，因此具有自動(dòng)化和智能化特性的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)必將取而代之。

(2)實(shí)踐證明，在建筑觀測(cè)中與常規(guī)的光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量相比，靜力水準(zhǔn)儀具有諸多優(yōu)勢(shì)，如觀測(cè)迅速、觀測(cè)精度高，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)記錄等，但目前的流體靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用起來(lái)有時(shí)不如傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀方便，且儀器價(jià)格偏高，因此對(duì)面廣量大的常規(guī)性建筑工程，亟須研究開(kāi)發(fā)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格低廉的靜力水準(zhǔn)儀，在保持靜力水準(zhǔn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，進(jìn)一步向輕便化、通用性方向發(fā)展，提高工效，降低成本，這是靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在建筑工程上普及和推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

(3)論文研制的基于容柵傳感器的靜力水準(zhǔn)儀具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率和準(zhǔn)確度高、測(cè)量速度快、功耗小、成本低、對(duì)使用環(huán)境要求不高等突出的特點(diǎn)，又具有自動(dòng)讀數(shù)，自動(dòng)記錄、僅需一名工作人員記錄數(shù)據(jù)且不易受環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)，與常規(guī)光學(xué)測(cè)量及其他類(lèi)型的靜力水準(zhǔn)儀都有一定的優(yōu)勢(shì)。

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Development of an array capacitance hydrostatic level measurement

LIU Xiang-kai1，WU Neng-sen1，WU Cheng-bin2

(1.FujianAgricultureandForestryUniversity，F(xiàn)uzhou350002,China；2.ZhonghuiConstructionGroupLimitedCompany，F(xiàn)uzhou350002，China)

Abstract：This research aims to develop an innovative array capacitance hydrostatic level measurement,which combines capacitive digital caliper with hydrostatic level measurement,and is expected to substitute for the widely used optical level.The paper illustrates the system of array capacitance hydrostatic level measurement,its mechanical structural design and its design solution of hardware circuit.Compared with the traditional optical level,one of the biggest marks of hydrostatic level measurement is low power consumption with rechargeable batteries and automatically recorded data.It can not only reduce expenditure on labor costs,but also improve the reliability of system.Practice has proven that this project is feasible and has good results.

Key words：hydrostatic level measurement;capacitance array sensors;settlement observation

中圖分類(lèi)號(hào)：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.013

文章編號(hào):1674-7046(2016)01-0071-08

作者簡(jiǎn)介：劉湘鍇(1990—)，男，福建上杭人，碩士研究生。通訊作者：吳能森(1964—)，男，福建福清人，博士，教授，博士生導(dǎo)師。

基金項(xiàng)目：福建農(nóng)林大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目資助(113-612014018)；福建農(nóng)林大學(xué)創(chuàng)新(培育)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目資助(Pytd12006)

收稿日期：2015-11-13