静力水准仪的工作原理和选型!

一、静力水准仪简介

对结构健康影响最大的外力因素是重力，因此结构的竖向位移最能代表结构位置的变化。竖向位移通常也简称沉降。

传统的人工测量耗时太多，监测周期长，只能反应变化的长期趋势。难以反应快速变化的竖向位移。而静力水准仪可用来在线自动测量沉降数据。

二、静力水准仪的原理及分类

静力水准仪是依据“连通管”原理工作的：两端开口与大气相通的U型管注入液体后，液体在大气压力和重力的作用下，最终会保持在同一个水平面。测量出测点液位的变化，即可得到测点的位置变化。

根据这个原理，市面上出现了液位式静力水准仪和压差式静力水准仪。液位式水准仪是通过测量每个测点液位变化的高度来计算沉降的，而压差式静力水准仪是通过计算不同测点间的液体压力变化量再除以液体的密度和重力加速度得到沉降值。

液位式静力水准仪由于原理简单，液位变化直观，测量液位的技术简单成熟，因此种类繁多。液位测量的方式有机械式、非机械式两种。

机械式的液位测量是在液位中放入浮球，液位变化时，浮球会随液位而变动，测量出浮球的位置变化，即可得到液位的变化。常见的测量浮球位置变化是通过磁致伸缩原理来实现的。

非机械式的液位测量方式有超声波、电容，毫米波雷达、机器视觉、压差。

超声波、毫米波液位测量是利用超声波或电磁波遇到液体与气体的界面时会发生反射的原理，测量出超声波在液体中传播所用的时间，根据液体中声波的速度，求出液位的。

机器视觉是利用摄像装置，观察辅助激光光束在液面的光斑位置变化，求出液位变化的。由于摄像装置的光学器件会收到水蒸气的遮蔽、侵蚀等影响，对视频数据的解算需要硬件和软件支持，结构复杂，体积较大、成本较高，目前极少有应用，因此本文不做展开介绍。

电容式液位测量原理是利用液位变化时，液体与上方的金属之间的电容会发生变化。通过测量电容的变化，可求出液位的变化。由于影响到电容的不仅是两极板之间的距离，液体上方的空气密度、温度、结构件几何尺寸都会影响到电容的变化，且测量的量程较小。由于电容式液位测量的缺点，目前市场上已经很少见，因此本文不作进一步的介绍。

三、常见静力水准仪介绍

下面就市场上常见、应用较多的静力水准仪分别做介绍，以便帮助业界伙伴根据项目情况，正确选择静力水准仪。

1、 磁致伸缩静力水准仪

原理：磁致伸缩指铁磁质中磁化方向的改变会引起介质晶格间距的改变，从而使得铁磁质的长度和体积发生改变的现象。磁致伸缩液位传感器是利用磁致伸缩效应，利用两个不同磁场相交时产生的应变脉冲信号被检测到的时间来计算出磁场相交点的准确位置，从而测量出液位的高度。

在磁致伸缩液位水准仪的传感器测杆外配有一浮子，此浮子可以沿测杆随液位的变化而上下移动。在浮子内部有一组永久磁环。当脉冲电流磁场与浮子产生的磁环磁场相遇时，浮子周围的磁场发生改变从而使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲，这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。通过测量脉冲电流与扭转波的时间差可以精确地确定浮子所在的位置，即液面的位置。

优点：

磁致伸缩液位静力水准仪结构简单，液面变化直观，价格较为便宜，较多的用于石油、化工原料储存、生化、医药、食品饮料、大坝水位、水库水位监测与污水处理等。近些年有业内人士用来做建筑结构的沉降观测。

缺点：

（1）安装不便：磁致伸缩液位静力水准仪是依靠的液位变化来进行测量的，因此体积较大，某些现场难以安装，如钢轨、道岔等结构件上难以安装。

（2）量程较小：磁致伸缩液位静力水准仪的量程不超过液体的高度，受液体的高度的限制，量程一般在100-200mm，现场安装使用时需要用水准仪进行抄平，把水准仪尽量安装在同一个水准面上，以充分利用量程。

（3）灵敏度、精度较低：因使用浮球，存在移动的部件，部件之间的摩擦力导致较小的位移难以察觉反应，灵敏度和精度较低。且体积较大，使用受限，某些地方甚至有碍观瞻。量程更是受限，常规为100-200mm，很难做到大量程。

（4）抗电磁干扰性较差：由于是靠磁场变动来获取液位变动的，因此抗电磁干扰能力较弱，不建议在电厂、高铁接触网附近、大型电力设备设附近使用。

（5）环境温度影响大：浮球体积较大，如果温度变化较大，浮子内部空气的体积变化将导致浮力变化，浮力此时将带来较大的系统误差。因此适合在相同的气温下做数据的对比。在昼夜温变较为剧烈的地方必须做防热、隔热处理。

2、 超声波静力水准仪

原理：超声波静力水准仪的基本原理和磁致伸缩液位水准仪一样，不同的是用超声波来测量液位的高度。由装在仪器底部的超声波探头发出超声波信号，到达液面被反射回来，根据探头接收到反射回波的时间差与超声波在液体中的传播速度，可以算出液体高度。

优点：

超声波静力水准仪的优点是无机械活动器件，传感器不和液体接触，抗电磁干扰能力强。液体中超声波的速度随温度而变化的因素，可以通过温度传感器做补偿，相比磁致伸缩水准仪，精度较高。当代的MCU可以测量的时间差在几个皮秒，相当于光走过0.1mm距离所用的时间。良好的算法软件结合高质量的压电陶瓷换能器，在加上优异的结构设计，超声波静力水准仪的精度可达到0.1mm级别。

缺点：

（1）安装不便：超声波静力水准仪的基本原理和磁致伸缩水准仪一样是靠液位测量实现功能的，因此体积较大，不便与安装。

（2）量程小：超声波静力水准仪受液体的高度的限制，量程一般在100-300mm，现场安装使用时需要用水准仪进行抄平，把水准仪尽量安装在同一个水准面上，以充分利用量程。

（3）使用要求高：液体表面和内部的气泡、悬浮物、水质等，均会改变超声波在液体中的传播速度，导致测量误差。使用时需要采取保温隔热措施，避免太阳照射带来的液体蒸发、气泡等带来的影响。

（4）受测点倾斜影响大：超声波束在液体中传播时，会逐渐扩大，不再是一条理想的测距“线”，随着传播距离的增加，到达液面时，逐渐扩大成为一个“圆面”。

超声波发散角度满足以下公式：Sine(ѳ) = 1.2 * V/(DF)，其中ѳ 为发散角度，V为液体中的声速，D为压电换能器直径，F为超声波频率。从上述公式中可看出，当量程较大，液体有倾斜时，发散角增大，会影响到测距的精度。

（5）价格较高：高精度的超声波静力水准仪需要使用较高品质的MCU、压电陶瓷换能器和罐体结构件，结合温度传感器、倾角传感器数据，用软件算法对测距数据进行补偿，所以成体成本较高。

小结：超声波静力水准仪属于精密的娇气的仪器，对使用环境要求较高，适合于室内使用，如科研院所、地铁、隧道等环境温度变化较小，液体介质受控的场景使用。在户外工地等项目中也有部分客户在尝试使用，具体使用效果有待验证。

3、 压差式静力水准仪

原理：

压差式静力水准仪是用压力传感器测量液体压力的变化量再除以液体的密度和重力加速度得到液位变化的。因此各项关键指标高度依赖于压力传感器和计算的MCU及算法。压差式静力水准仪利用帕斯卡传递液体压力的原理，压力传感器检测的压力仅与整个系统中液面的最高位置有关，因此体积可以做得非常小，便于安装使用。

优点：

（1）安装方便：压差式静力水准仪是测量液体的压力而非高度的，相比其他原理的静力水准仪，体积最小，因此安装方便；

（2）量程大：压差式静力水准仪的量程大小与体积无关，因此可选用大量程的液体压力传感器。量程通常在1000~4000mm。较大的量程可以在安装时不必进行严格的抄平安装。；

（3）结构简单：压差式静力水准仪中的液体仅起到传递压力波的作用，无流动，因此无需任何活动部件。具有结构简单，使用方便的特点。

（4）不受电磁干扰：压差式静力水准仪由于结构简单、紧凑，通常使用整体铝合金外壳，具有屏蔽外界电磁干扰的作用；

（5）精度高:压差式静力水准仪通常使用扩散硅压力传感器实现压力测量的。通常压力传感器的精度0.1%FS。比如1米的量程精度为1mm，分辨率为0.1mm。

缺点：

（1）受温度影响较大：压差式静力水准仪通常扩散硅压力传感器来测量液体压力。扩散硅压力传感器本身受温度影响较大；

（2）精度低：压差式静力水准仪通常扩散硅压力传感器来测量液体压力。而扩散硅压力传感器适合较大压力的测量，小量程的价格昂贵，需要定制。在相对精度确定的情况下，而较大的量程导致精度的降低。

（3）需要注意的是，某些商家为了某些目的，标注的精度为分辨率，甚至有的根本不知道精度的意义，直接标注分辨力。

六、小结

1、静力水准仪的特点：必须在静态情况下才能使用

所有静力水准仪都是使用都是利用连通器原理，在管道和容器内的液体达到液面平衡时，实现液位测量的。由于流动的水具有惯性、粘滞性及温度差，必须等水彻底停止流动、系统温度趋于一致后才能准确测量，否则会导致数据波动剧烈导致频繁的误报。如果被测物有外力作用、振动、管道较长、串联的测点较多时，水面彻底平静需要较长时间，难以实现实时、准确的动态位移测量。因此特意命名为静力水准仪，必须在静态情况下才能使用。

2、 静力水准仪的使用注意事项：

（1）管道长度：如果管道过长，水流在管道内流动的阻力较大，需要较长时间液位才能平稳，因此测量的时间周期较长。一般来说，每个静力水准测量系统的管道长度不适超过300米，且线路尽量平直，非要拐弯的地方，适用较大的转弯角度，尽量减少水头损失。

（2）保温：静力水准仪一般使用水来做介质，一般来说管道较长，管道中的水温受环境影响较大，温度的变化会导致水的密度的变化，产生对流，导致测量误差增大。因此在户外使用时，需要使用保温材料对管道及传感器进行保温，防止温差过大。保温材料选择常见的冬季自来水管防冻保温泡沫管即可。如果是压差式的静力水准仪，可以使用保护水表的泡沫保温套进行包裹保护；

（3）管道连接：为保证所有传感器内液体上方的气压相等，必须用气管把所有传感器的连接起来。但是如果在开阔地使用，且使用发为不是很大时，可认为都处于同一个大气环境下的个测点的气压都是一个相同的大气压。此时可以不使用气管，简化系统。但如果是在隧道内使用，由于列车经过时，对列车前后的气压有较大影响，此时需要使用气管连接所有测点，以避开列车对测点内气压的影响；

（4）液体选择：静力水准仪一般使用水来做介质，在气温低于0°时，水会结冰膨胀，导致系统失效。因此一般使用防冻液来代替水。防冻液还可以起到消毒杀菌的作用避免水中微生物的滋长。防冻液可使用汽车水箱的防冻液，选择有色的防冻液，可直观看到管道中是否有气泡；

（5）水箱的使用：无论是否使用气管来联通水箱，都必须让水箱与大气相通，否则水箱内的水不能自由流动，会导致数据误差。联通大气的水箱内的水容易蒸发，可以在水面上滴上数滴硅油，隔绝水与空气的接触，可有效防止水分蒸发。硅油可使用液态机油，或普通的矿物润滑油即可。

3、 静力水准仪的发展：

随着科技的发展，测量液体压力的传感器不断出现，如扩散硅、MEMS等固态传感器，具有体积小、性价比高，数字化，容易和MCU集成等优点，得到了广泛的应用。因此数字压力传感器也在静力水准仪中得到较多应用。由于压差式静力水准仪的优点较为明显，如果能够显著改善压力传感器的温度性能，那么压差式静力水准仪将代替体积笨重的其他静力水准仪。

七、应用案例：

为说明静力水准仪只能在静态情况下才能使用，以笔者在2017年做过的一个铁路隧道内沉降的自动化监测项目为例进行简要说明。

该铁路隧道据推测有煤矿巷道从该隧道下方穿过，导致隧道内沉降变形严重。因此委托深圳安锐科技有限公司做了自动化监测。（配带logo的隧道图）

下图是使用静力水准仪测量路基边墙沉降的数据曲线图情况。红色曲线表示测点的沉降，黑点表示雷达探测到有列车经过，对该时间点做了自动标注。从图中数据曲线可看出，当列车经过时，数据显示边墙出现厘米级的沉降，并在列车驶离后回弹至原始位置，与现场实际情况完全不符。如果据此设定报警阈值，将导致极为频繁的误报警。

当时的解决办法是用雷达传感器来探测列车。当列车经过时，数据仅记录，不触发报警。虽然项目成功监测出隧道的沉降变形趋势愈发严重，公务部门进行了彻底的整改。开挖整治时的情况验证了监测数据的准确性。但如果当时列车经过时出现了严重的沉降，而无法正确报警，从而导致严重的事故，那么自动化监测的意义将大打折扣。因此深圳安锐开始研发能够在动态环境下使用来测量动态沉降的动力水准仪。

动力水准仪在压差式静力水准仪的基础上，用加速度传感器测量出运动冲量导致的额外压力，对压力传感器的压力数据进行修正，从而能够准确的高频测量动态沉降。

下图为同一环境下静力水准仪和动力水准仪的性能对比试验：

把静力水准仪和动力水准仪牢牢困在一起。在台面静止5秒后拿起放到一个高度为130mm的盒子上，过10秒后从盒子上推下跌落回台面。

从下图的数据上可看出：从拿起、放置、跌落到台面后反弹、静止的过程。静力水准仪在静置一段时间后的数据趋于稳定，但在振动时，数据波动很大，甚至完全失真。而动力水准仪表现让人欣喜。传感器从台面到盒子上的光滑位移曲线，数据与实际试验过程完全相符。

从数据对比图中可看出，同样条件下，静力水准仪的数据波动极大，而动力水准仪的数据曲线光滑，准确的还原了测点的移动过程。

由深圳安锐科技发明的动力水准仪当前已经在杭州地铁高压电力管廊保护、广铁三亚高铁等数个项目中得到使用和验证，是静力水准仪的升级换代产品。具体请参考生长安锐科技的相关资料介绍。