6第六章 电容式静力水准仪.
静力水准仪原理
静力水准仪原理
静力水准仪是一种常用的测量仪器，用于测量水平面的相对高差。
其原理基于静水压力的平衡关系。
静力水准仪的主要组成部分包括一个远离测量点的水池、连接测量点和水池的导管以及测量点和水池之间用于传递水压的软管。
同时，仪器上还装有一把校准水平的仪器和一个垂直精密水泡。
当静力水准仪被放置在参考点上时，水池内的水会通过导管和软管传递到测量点。
由于水是液体，在静力作用下，水面会自动保持平衡，使得水池内的水面与测量点上的水面达到同一水位。
此时，水压作用在导管和软管中的位置处于同一高度，即测量点与水池的水平面是相同的。
在测量过程中，测量员通过观察垂直精密水泡的位置变化来判断测量点的高低差。
垂直精密水泡是一个微小的玻璃管中封装了水和空气的尺度。
当水位差异引起水压变化时，垂直精密水泡会在系统中移动，通过观察其位置的变化，可以计算出测量点与参考点的高差。
通过静力水准仪测量，可以达到高精度和高稳定性的水平测量结果。
它广泛应用于土木工程、建筑测量、道路施工等领域。
电容式静力水准仪应用与地铁隧道变形监测精度分析
地铁隧道内静力水准观测的精度分析付和宽（上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海，200438 ）摘要：在轨道交通保护区内的重大、危险项目的施工过程中，需要实时了解地铁结构变形情况。
静力水准测量是地铁隧道结构自动化垂直位移测量的重要手段。
目前，国内对静力水准在地铁隧道内观测精度方面的研究较少。
本文通过对布设在地铁隧道内部的静力水准仪进行遥控测量，对采集的观测数据进行整理分析，研究地铁隧道内静力水准的观测精度以及地铁列车运营导致容器内液面震动对观测精度的影响。
为类似自动化观测精度分析、观测数据取舍以及变形观测数据可靠性分析提供参考依据。
关键词：静力水准、观测精度、中误差、地铁隧道1引言轨道交通的重要作用毋庸置疑，上海市运营的轨道交通总长达到了420公里，一旦轨道交通出现问题会带来一系列的社会问题。
随着城市的发展，轨道交通沿线附近的开发、建设工程越来越多，如何减少周边施工对轨道交通结构的影响，一直是工程界研究的重要课题。
上海申通地铁公司也成立了专门的监护部门，负责轨道交通结构的监测、保护。
一般，在轨道交通保护区内施工，都会有专门的单位负责施工过程中地铁结构的监测。
申通地铁公司也对轨道交通结构的监测提出了极高要求。
轨道交通测量人工时间窗口极短，一般每周两天，每天三个小时。
监护人员只有在这个时间段内才能进入地铁施工。
在一些特殊的、危险的情况下，需要实时了解地铁结构状态，这时大多采用自动化监测。
静力水准测量是地铁结构自动化垂直位移监测的重要手段之一。
但是由于在地铁运营时间段，列车以一定的时间间隔在隧道内运行，对位于地铁隧道内部的静力水准仪的测量精度会产生较大影响。
地铁列车在隧道内以一定速度通过静力水准监测点时，对监测点的影响主要有以下三种情况，a)仪器内部空气压强的变化由于列车运行使得隧道内部空气流动，导致静力水准容器内空气压强有降低的趋势，最终使得液面产生上升的趋势。
b)列车震动影响列车车厢位于监测点附近时，使得监测点下沉，导致静力水准容器内液面上升；列车远离监测点后，监测点上抬，导致导致静力水准容器内液面下降。
静力水准仪分类
目前，市场上常见的静力水准仪种类繁多，名称也各式各样，这里进行一下简单的梳理。
静力水准仪是一种常见的垂直位移监测的传感器，其从测量原理上可以分为测量液位高度和测量压力差两大类。
1连通管式静力水准仪基于测量液位变化的静力水准仪是连通器的原理，即在重力作用下一根通液管所连接的各个传感器内的液面高度应保持一致，其原理实质是通过测量传感器内的各种测距设备测得液位值，进而计算出监测点相对于基准点的沉降量。
1.1磁致伸缩式静力水准仪传感器主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触浮球组成。
测量时，由电路先发出一起始脉冲，脉冲沿测杆内的磁致伸缩线传输，同时会产生沿其方向前进的旋转磁场。
当这个磁场与浮球中的永久磁场相遇时，会产生磁致伸缩效应而产生的电流脉冲，通过并计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确地算出被传感器内液位值。
1.2电容式静力水准仪电容式静力水准仪计根据变面积型电容感应原理设计。
当测点垂直位移发生变化时，采用屏蔽管接地方式改变变极的电容感应长度，从而使其与中间极间的电容量发生变化，利用比率测量技术。
通过测量仪器的中间极与可变极、中间极与固定极之间的电容比值的变化，将测点垂直位移变化转换为电容比变化量输出。
1.3光电式静力水准仪光电式(CCD)静力水准仪是采用CCD器件(电荷耦合器件)实现的一种非接触式高精度自动化位移量设备，根据连通管内液面保持自然水平的原理，能够通过浮子标杆的上下相对移动在CCD上产生投影而测出各测点液面垂直位移变化。
算出CCD静力水准仪浮子标杆的准确位置。
从而得到测点液面的位移值，经与基准点液面位移变化的比较，计算出各测点的相对垂直位移。
1.4超声波式静力水准仪采用高精度超声波传感器直接测出传感器内液位，通过测量基准点与监测点传感器内液位的变化量，计算各点沉降量。
1.5激光式静力水准仪采用高精度激光传感器直接测出传感器内液位，通过测量基准点与监测点传感器内液位的变化量，计算各点沉降量。
静力水准-安装示意图和测量原理
静力水准仪—安装示意图和工作原理
1、静力水准仪安装示意图
1-液位传感器；2-保护罩；3-螺母；4-螺栓；5-液缸；6-浮筒;7-地脚螺栓；8-气管接头；9-液管接头；10-气管；11-液管；12-防冻液；13-导线；14-PVC 钢丝软管；15-气管堵头；16-液管堵头
埋入式连通液位沉降计示意图
2、静力水准测量数据处理：
静力水准仪利用连通液的原理，多支通过连通管连接在一
起的储液罐的液面总是在同一个水平面，通过测量不同
储液罐的液面高度，经过计算就可以得出各个静力水准
仪的相对差异沉降。
即只需读出各个静力水准仪的测量值，与基准点的测量
值相减即可求出各点之间的沉降差异。
如果
知道基准点高程变化，可相加基准点高程变化数据得出
各个测点的绝对变化量。
3、静力水准仪应用领域和厂家：
静力水准仪测量差异沉降，该产品主要用于路基、路堑、桥梁、建筑、地铁及桥路过渡段的监测测量。
电容式静力水准仪应用与地铁隧道变形监测精度分析
电容式静力水准仪应用与地铁隧道变形监测精度分析概述静力水准法是地形测量和工程测量中常用的高精度测量方法。
而电容式静力水准仪则是一种新型的测量仪器，相较于传统的水准仪具有更高的精度、更快的测量速度、更小的体积和更便捷的操作。
本文旨在探讨电容式静力水准仪在地铁隧道变形监测中的应用，并分析其监测精度。
电容式静力水准仪原理电容式静力水准仪的测量原理基于重力场的垂直方向。
该仪器内置一对平行电容器，分别向上和向下测量，借助重力场的指向使电容变化，从而实现高精度的测量。
与传统的水准仪相比，电容式静力水准仪具有以下优势：•精度更高：电容式静力水准仪的精度非常高，可以达到2毫米/千米，而传统水准仪的精度只能达到10毫米/千米左右。
•测量速度更快：只需极短的时间就可以完成一次测量，测量速度更快。
•体积更小：电容式静力水准仪体积小、重量轻，更加方便携带和使用。
•操作更便捷：只需要一个人进行操作即可完成测量。
电容式静力水准仪在地铁隧道变形监测中的应用地铁隧道建设和运营中，往往需要对隧道的变形情况进行监测。
电容式静力水准仪在此方面具有很大的潜力和应用前景。
在地铁隧道建设中，需要测量隧道的垂直方向变形，以确保隧道的安全。
电容式静力水准仪可以在短时间内完成高精度的测量，满足监测需求。
同时，由于电容式静力水准仪体积小、重量轻、操作方便，可以减少施工时间和人力成本，并提高监测效率。
在地铁运营期间，需要进行隧道变形监测，以及时发现运营过程中的隐患。
电容式静力水准仪可以快速完成监测任务，提供高质量的监测数据，帮助管理者及时掌握隧道的安全情况。
地铁隧道变形监测精度分析在地铁隧道建设和运营过程中，需要对隧道的变形情况进行高精度监测。
电容式静力水准仪作为一种新型测量仪器，其精度是否能够满足需求是评价其可行性的关键因素。
一般来说，地铁隧道的变形量较小，需要的测量精度在毫米级别。
电容式静力水准仪的测量精度可以达到2毫米/千米，即在一公里内的测量误差为2毫米左右。
静力水准仪通用技术要求
静力水准仪通用技术要求1范围本文件规定了静力水准仪通用技术要求。
2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成文件必不可少的条款。
所引用的文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB191包装储运图示标志GB6388运输包装收发货标志GB/T2423.1电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温GBZT2423.2电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验B：高温GBZT2423.3电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Cab：恒定湿热GBZT4857.5包装运输包装件跌落试验方法GB/T4857.10包装运输包装件基本试验第10部分：正弦变频振动试验方法GB“7665传感器通用术语DI√Γ948混凝土坝监测仪器系列型谱D1ZT5178混凝土坝安全监测技术规范DI√Γ5211大坝安全监测自动化技术规范DI√Γ1020电容式静力水准仪DI√Γ1086光电式(CCD)静力水准仪3术语与定义3.1倾角式静力水准仪(Ob1iquitystatic1eve1)将液面高度变化转换成角度变化并输出信号的仪器。
3.2光电式静力水准仪(PhotoeIeCtriCtypestatic1eve1)通过线位移传感器感受液面高度变化并输出信号的仪器。
3.3压差式静力水准仪(PreSSUredifferencestatic1eve1)将液面高度变化转换成水位压差的变化并输出信号的仪器。
4概述静力水准仪根据监测液面高度变化的原理不同，主要分为倾角式静力水准仪(图1所示)、压差式静力水准仪(图2所示)和光电式静力水准仪(图3所示)三种。
倾角式静力水准仪和光电式静力水准仪的测量范围为(0-500)mm、压差式静力水准仪的测量范围为(0-5000)mm。
图3光电式静力水准仪结构示意图1一位移传感静；2一箱体：3—浮球5要求5.1一般机械要求仪器的结构应能保证在规定使用条件下不引起任何危险，应保证防破裂、防爆燃、防异物、防腐蚀。
静力水准仪测量原理
静力水准仪测量原理
静力水准仪是一种在水面上测量和确定水平面的仪器，也称为水准仪。
它是一种使用精确水平面测量水准仪测量平面位置的仪器。
它结合精密的
水准测量技术，对水准上的标准点进行测量，并且可以快速准确地测量出
水平面上的标准点。
水准仪的使用方法是将水准仪的罐子放置在需要测量的平面和卡尺上，然后调整水准仪的气压，调整水准仪的气压，以获得每个基准测量点的高
度量度。
在整个测量过程中，要定期检查气压，以确保水准仪的水平维持
在0.01mm。
此外，水准仪还可以使用风速仪和加速度传感器进行精确测量。
风速
仪可以测量空气的风速和风向，以便改善测量方法的准确度。
而加速度传
感器可以用来检测罐子内液体的振动和温度变化，以辅助水准控制。
除了上述测量原理，水准仪设备还可以通过光学元件来测量水准。
它
可以通过将光栅置于水准仪清洁面上，从而精确测量水准仪的平面位置。
静力水准仪工作原理
静力水准仪工作原理
静力水准仪是测量水平面高程差的一种仪器，也叫高差仪。
它的工作原理是基于液体静压力的原理，利用测量液面观测的方法来测量高差。
首先，将静力水准仪放在高程低处（即地面），并把调整螺母调整至可能的水平位。
然后，将测高杆插入地面上的标志物中，并调整螺母，直到杆子垂直于地面。
此时将目视器放在测高杆顶端，然后调整目视器，使得目视线对准视线标记。
接下来，在需要测量的高处放置一个标志物，并用测高杆测量其高度差。
将静水位移器置于目视器上，并观察测量液面。
读取测量液面的高度值并计算高差。
静力水准仪的另一个重要组成部分是水准仪管。
水准仪管是一个长而细的玻璃管，内部充满液体，管内拐角处有气泡。
当水准仪管被调整到水平时，气泡会浮到管的中央，并停留在那里。
这时，静水位移器将水准仪的位置调整到中央位置。
在此过程中，使用木几来调整仪器的高度，并观察气泡在水准仪管中的位置。
在实际测量中，同一标准高程上可以放置数个标志物，并测量它们相对于该基准高程的高度差。
然后，将高度值相加或相减，即可得到测量区域内标志物的高程差。
总之，静力水准仪是一种测量高差的精密仪器，利用观测液面高度和调整仪器高度来测量高度差。
此外，调整水准仪管确保仪器水平，并使用测高杆进行测量。
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第六章 电容式静力水准仪
6.1 用途
RJ 型电容式静力水准仪是测量基础和建筑物各个测点间相对高程变化的专用精密仪器。
主要用于大型建筑物如水电站厂、坝、高层建筑物、核电站、水利枢纽工程岩体等各测点间不均匀沉陷测量。
与R 系列电容式变形仪器采用同样的采集装置构成完整的变形监测系统。
6.2 RJ 型电容式静力水准仪原理及结构
该仪器依据连通管原理的方法，用电容传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。
如图6-1所示，设共布设有n 个测点，1号点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对与（基准）参考高程面▽H 0间的距离则为：Y 01、Y 02……Y 0i …Y on (i 为测点代号I=0，1……n)；各测点安装高程与液面间的距离则为h 01、h 02、h 0i …h on 则有：
Y 01＋h 01＝Y 02＋h 02＝…Y 0i ＋h 0i ＝…Y on ＋h on 。
(1)
当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面▽H 0的变化量为：Δh j1、Δh j2…Δh ji …Δh jn （j 为测次代号，j=1，2，3 ……）；各测点容器内液面相对于安装高程的距离为h j1、h j2、…、h ji 、…、h jn 。
由图可得：
（Y 01＋Δh j1）+h j1＝（Y 02＋Δh j2）＋h j2＝（Y 0i ＋Δh ji ）＋h ji
＝（Y 0n ＋Δh jn ）＋h jn 。
(2) 则j 次测量i 点相对于基准点1的相对沉陷量H i1：
H i1＝Δh ji －Δh j1 。
(3) 由（2）式可得：
Δh j1－Δh ji ＝(Y 0i ＋h ji )－(Y 01＋h j1)
＝(Y 0i -Y 01)＋(h ji -h j1) 。
(4) 由（1）式可得： (Y 0i －Y 01)＝h 01－h oi 。
(5) 将（5）式代入(4)得：
任意次状
态（j ）
Y 01
初始状态（0）
图6-1、连通管测量原理示意图
H i1＝(h ji －h j1)－(h oi －h 01) 。
(6)
即只要用电容传感器测得任意时刻各测点容器内液面相对于该点安装高程的距离h ji
（含h j1及首次的h 0i ），则可求得该时刻各点相对于基准点1的相对高程差。
如把任意点g （1，2…i ，n ）做为相对基准点，将f 测次做为参考测次，则按（6）式同样可求出任意测点相对g 测点（以f 测次为基准值）的相对高程差H ig ：
H ig ＝(h ij －h ig )－(h fj －h fg ) 。
(7) 由图6-2所示，电容式静力水准仪由主体容器、连通管、电容传感器等部分组成。
当仪器主体安装墩发生高程变化时，主体容体相对于位置产生液面变化，引起装有中间极的浮子与固定在容器顶的一组电容极板间的相对位置发生变化，通过测量装置测出电容比的变化即可计算得测点的相对沉陷。
6.3 RJ 型电容式静力水准仪主要技术指标
电容式静力水准仪主要技术指标如下： 测量范围： 0~10、20、40、50mm 最小读数： ≤0.05％F.S 或0.01mm 基本误差 ： ≤0.7％F.S
环境温度： -20~60˚C ；相对湿度： ≤95％ 温度附加误差： ＜0.05%F.S/℃ 配用电缆：三芯屏蔽电缆（专用） 6.4 RJ 型电容式静力水准仪性能特点
1. 采用电容感应方式，实现了非接触测量，没有摩擦、阻力而造成的误差。
静力水准系统传递精度高。
2. 测量范围大，防潮性能好，传感器主要性能(线性、温度系数等)明显优于同类产品。
3. 结构简单，仪器安装方便。
4. 静力水准液体采用防冻液，可防冻、防霉等，提高了系统的可靠性。
6.5 RJ 型电容式静力水准仪安装、调试
仪器的安装尺寸如图6-3所示，按要求在测点预埋∅180三个均布的M8⨯40（伸出长度）螺杆。
1. 检查各测墩顶面水平及高程是否符合设
计要求。
2. 检查测墩予埋钢板及三根安装仪器螺杆
是否符合设计要求。
3. 予先用水和蒸馏水冲洗仪器主体容器及
塑料连通管。
4. 将仪器主体安装在测墩钢板上，用水准器在主体顶盖表面垂直交替放置，调节螺杆螺丝使仪器表面水平及高程满足要求。
5. 将仪器及连通管系统联接好，从未端仪器徐徐注入防冻液，排除管中所有气泡。
连
）
图6-3、静力水准仪安装示意图
通管需有槽架保护。
6. 将浮子放于主体容器内。
7. 将装有电容传感器的顶盖板装在主体容器上。
仪器及静力水准管路安装完毕后，用专用的3芯屏蔽电缆与电容传感器焊接，并进行绝缘处理(方法同垂线，引张线)。
3芯屏蔽电缆的红芯接测量模块的信号接线端口，白、黄芯接激励（桥压）接线端口。
当容器液位上升时，电容比测值应变小，否则将白、黄芯接线位置互换。
仪器主要性能已在出厂前由厂家标定给出。
现场仅在2~5mm内标定检查系统性能。
6.6 静力水准的观测和运行维护
6.6.1 静力水准的观测
由式(2)可得出i测点第j测次相对与首次基准点的相对高程变化：
H i1＝(h ij－h i0)－(h1j－h10)
Hij＝（Z ij－Z i1）×K fi－（Z1j－Z10）×K f1
式中：Z ij、Z i1为第i测点仪器的第j次和首次读数；K f i为第i测点仪器的灵敏度系数；Z1j、Z10为基准点仪器第j次和首次读数；K f1为基准点仪器的灵敏度系数。
计算结果为正，则测点相对基准点沉陷了H ij。
6.6.2 运行维护
（1）静力水准管路一般应进行保护，尤其在坝顶等外露部位应采用隔热材料进行保温，避免温度变化对观测值的影响。
（2）同样测点仪器也应进行隔热保护，同时防止泥水进入以及免遭破坏。
(3）应定期检查等接头处是否存在漏水情况。