静力水准仪的工作原理分类及选型

一、静力水准仪简介

对结构影响最大的因素是重力，因此以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

静力水准仪的根据是“连通管”原理。两端开口的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。

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。

液位式水准仪按照液位测量的方式可分为磁致伸缩、超声波、电容三种。

三、磁致伸缩静力水准仪的原理及优缺点

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。优缺点：

磁致伸缩液位静力水准仪价格较为便宜，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。

磁致伸缩静力水准仪的测量精度为1mm，测量的是浮子的移动高度。能够直观的通过透明罐体看到液位的变化。

因使用浮子，存在移动的部件，且体积难以缩小，某些地方有碍观瞻，使用受限。量程更是受限，常规为100-200mm，很难做到大量程。

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。

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。

四、超声波静力水准仪的原理及优缺点

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；精确度为0.1mm。

优缺点：

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。缺点是受温度影响变化较大。

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。

影响超声波静力水准仪的因素还有液体表面和内部的气泡、悬浮物，引起反射混乱而产生的测量误差。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。

另外，超声波静力水准仪的量程较小，通常仅为50-300mm。安装使用时对位置要求较高，需要人工用水准仪进行抄平，把静力水准仪安装在同一个水平上，以尽可能使用有限的量程。

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，如科研院所等环境温度变化较小，液体介质受控的试验室。在户外工地等项目中较少使用。

五、压差式静力水准仪的原理及优缺点

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。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。

压差式静力水准仪利用帕斯卡原理，液体压力仅与液面的高度有关、因此体积可以做得非常小，便于安装使用。

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。因此可以在体积不变的情况下，根据需求选择合适的量程与精度。通常，压力传感器的精度0.01%FS。比如1米的量程精度为1mm，分辨率为0.1mm。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。

静力水准仪使用水来做介质，对气温极为敏感。如低温时容易结冰、高温时容易膨胀等。需要采取防冻保温措施。如在低温环境，使用防冻液。高温时，采用保温隔热泡沫材料进行隔热，避免温差过大。六、小结

以上这些类型的静力水准仪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。

下图是使用静力水准仪测量某铁路隧道路基边墙沉降的数据曲线图情况。红色表示测点竖向位移数据曲线，黑点表示雷达探测到有列车经过时做了自动标注的数据曲线。

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，数据丢弃，不触发报警。但问题是如果列车经过时出现了严重的沉降，则无法反应出来，有可能导致严重的事故。因此常规的静力水准仪只能用来做静态环境中的沉降观测。

七、动力水准仪的原理及优缺点

随着结构健康监测的要求越来越高，对竖向位移的测量也出现了新的要求。如桥梁动态挠度、列车经过时轨道的竖向位移变化、高压注浆 时路基隆起、管廊架空施工时的挠度动态补偿等。

动力水准仪在同一个外壳内嵌的压力传感器、加速度传感器及倾斜角 度传感器、温度传感器硬件采集数据，高性能MCU运行实 现多传感器数据融合算法，对液体的流动惯性、粘滞阻尼及 温度做实时计算补偿，以获取高精度、高频率的竖向位移。 

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。

由此可见动力水准仪能够克服静力水准仪的缺点，实现动态位移的高精度准确测量。