一、靜力水準儀簡介

對結構健康影響最大的外力因素是重力，因此結構的豎向位移最能代表結構位置的變化。豎向位移通常也簡稱沉降。

傳統的人工測量耗時太多，監測周期長，隻能反應變化的長期趨勢。難以反應快速變化的豎向位移。而靜力水準儀可用來在線自動測量沉降數據。

二、靜力水準儀的原理及分類

靜力水準儀是依據“連通管”原理工作的：兩端開口與大氣相通的U型管注入液體後，液體在大氣壓力和重力的作用下，最終會保持在同一個水平面。測量出測點液位的變化，即可得到測點的位置變化。

根據這個原理，市面上出現了液位式靜力水準儀和壓差式靜力水準儀。液位式水準儀是通過測量每個測點液位變化的高度來計算沉降的，而壓差式靜力水準儀是通過計算不同測點間的液體壓力變化量再除以液體的密度和重力加速度得到沉降值。

液位式靜力水準儀由于原理簡單，液位變化直觀，測量液位的技術簡單成熟，因此種類繁多。液位測量的方式有機械式、非機械式兩種。

機械式的液位測量是在液位中放入浮球，液位變化時，浮球會随液位而變動，測量出浮球的位置變化，即可得到液位的變化。常見的測量浮球位置變化是通過磁緻伸縮原理來實現的。

非機械式的液位測量方式有超聲波、電容，毫米波雷達、機器視覺、壓差。

超聲波、毫米波液位測量是利用超聲波或電磁波遇到液體與氣體的界面時會發生反射的原理，測量出超聲波在液體中傳播所用的時間，根據液體中聲波的速度，求出液位的。

機器視覺是利用攝像裝置，觀察輔助激光光束在液面的光斑位置變化，求出液位變化的。由于攝像裝置的光學器件會受到水蒸氣的遮蔽、侵蝕等影響，對視頻數據的解算需要硬件和軟件支持，結構複雜，體積較大、成本較高，目前極少有應用，因此本文不做展開介紹。

電容式液位測量原理是利用液位變化時，液體與上方的金屬之間的電容會發生變化。通過測量電容的變化，可求出液位的變化。由于影響到電容的不僅是兩極闆之間的距離，液體上方的空氣密度、溫度、結構件幾何尺寸都會影響到電容的變化，且測量的量程較小。由于電容式液位測量的缺點，目前市場上已經很少見，因此本文不作進一步的介紹。

三、常見靜力水準儀介紹

下面就市場上常見、應用較多的靜力水準儀分别做介紹，以便幫助業界夥伴根據項目情況，正确選擇靜力水準儀。

1、磁緻伸縮靜力水準儀

​原理：磁緻伸縮指鐵磁質中磁化方向的改變會引起介質晶格間距的改變，從而使得鐵磁質的長度和體積發生改變的現象。磁緻伸縮液位傳感器是利用磁緻伸縮效應，利用兩個不同磁場相交時産生的應變脈沖信号被檢測到的時間來計算出磁場相交點的準确位置，從而測量出液位的高度。

在磁緻伸縮液位水準儀的傳感器測杆外配有一浮子，此浮子可以沿測杆随液位的變化而上下移動。在浮子内部有一組永久磁環。當脈沖電流磁場與浮子産生的磁環磁場相遇時，浮子周圍的磁場發生改變從而使得由磁緻伸縮材料做成的波導絲在浮子所在的位置産生一個扭轉波脈沖，這個脈沖以固定的速度沿波導絲傳回并由檢出機構檢出。通過測量脈沖電流與扭轉波的時間差可以精确地确定浮子所在的位置，即液面的位置。

​優點：

磁緻伸縮液位靜力水準儀結構簡單，液面變化直觀，價格較為便宜，較多的用于石油、化工原料儲存、生化、醫藥、食品飲料、大壩水位、水庫水位監測與污水處理等。近些年有業内人士用來做建築結構的沉降觀測。

缺點：

（1）安裝不便：磁緻伸縮液位靜力水準儀是依靠的液位變化來進行測量的，因此體積較大，某些現場難以安裝，如鋼軌、道岔等結構件上難以安裝。

（2）量程較小：磁緻伸縮液位靜力水準儀的量程不超過液體的高度，受液體的高度的限制，量程一般在100-200mm，現場安裝使用時需要用水準儀進行抄平，把水準儀盡量安裝在同一個水準面上，以充分利用量程。

（3）靈敏度、精度較低：因使用浮球，存在移動的部件，部件之間的摩擦力導緻較小的位移難以察覺反應，靈敏度和精度較低。且體積較大，使用受限，某些地方甚至有礙觀瞻。量程更是受限，常規為100-200mm，很難做到大量程。

（4）抗電磁幹擾性較差：由于是靠磁場變動來獲取液位變動的，因此抗電磁幹擾能力較弱，不建議在電廠、高鐵接觸網附近、大型電力設備設附近使用。

（5）環境溫度影響大：浮球體積較大，如果溫度變化較大，浮子内部空氣的體積變化将導緻浮力變化，浮力此時将帶來較大的系統誤差。因此适合在相同的氣溫下做數據的對比。在晝夜溫變較為劇烈的地方必須做防熱、隔熱處理。

2、超聲波靜力水準儀

​原理：超聲波靜力水準儀的基本原理和磁緻伸縮液位水準儀一樣，不同的是用超聲波來測量液位的高度。由裝在儀器底部的超聲波探頭發出超聲波信号，到達液面被反射回來，根據探頭接收到反射回波的時間差與超聲波在液體中的傳播速度，可以算出液體高度。

優點：

超聲波靜力水準儀的優點是無機械活動器件，傳感器不和液體接觸，抗電磁幹擾能力強。液體中超聲波的速度随溫度而變化的因素，可以通過溫度傳感器做補償，相比磁緻伸縮水準儀，精度較高。當代的MCU可以測量的時間差在幾個皮秒，相當于光走過0.1mm距離所用的時間。良好的算法軟件結合高質量的壓電陶瓷換能器，再加上優異的結構設計，超聲波靜力水準儀的精度可達到0.1mm級别。

缺點：

（1）安裝不便：超聲波靜力水準儀的基本原理和磁緻伸縮水準儀一樣是靠液位測量實現功能的，因此體積較大，不便于安裝。

（2）量程小：超聲波靜力水準儀受液體的高度的限制，量程一般在100-300mm，現場安裝使用時需要用水準儀進行抄平，把水準儀盡量安裝在同一個水準面上，以充分利用量程。

（3）使用要求高：液體表面和内部的氣泡、懸浮物、水質等，均會改變超聲波在液體中的傳播速度，導緻測量誤差。使用時需要采取保溫隔熱措施，避免太陽照射帶來的液體蒸發、氣泡等帶來的影響。

（4）受測點傾斜影響大：超聲波束在液體中傳播時，會逐漸擴大，不再是一條理想的測距“線”，随着傳播距離的增加，到達液面時，逐漸擴大成為一個“圓面”。

超聲波發散角度滿足以下公式：Sine() = 1.2 * V/(DF)，其中 為發散角度，V為液體中的聲速，D為壓電換能器直徑，F為超聲波頻率。從上述公式中可看出，當量程較大，液體傾斜時，發散角增大，會影響到測距的精度。

（5）價格較高：高精度的超聲波靜力水準儀需要使用較高品質的MCU、壓電陶瓷換能器和罐體結構件，結合溫度傳感器、傾角傳感器數據，用軟件算法對測距數據進行補償，所以成體成本較高。

小結：超聲波靜力水準儀屬于精密的嬌氣儀器，對使用環境要求較高，适合于室内使用，如科研院所、地鐵、隧道等環境溫度變化較小，液體介質受控的場景使用。在戶外工地等項目中也有部分客戶在嘗試使用，具體使用效果有待驗證。

3、壓差式靜力水準儀

​原理：

壓差式靜力水準儀是用壓力傳感器測量液體壓力的變化量再除以液體的密度和重力加速度得到液位變化的。因此各項關鍵指标高度依賴于壓力傳感器和計算的MCU及算法。壓差式靜力水準儀利用帕斯卡傳遞液體壓力的原理，壓力傳感器檢測的壓力僅與整個系統中液面的最高位置有關，因此體積可以做得非常小，便于安裝使用。

優點：

（1）安裝方便：壓差式靜力水準儀是測量液體的壓力而非高度的，相比其他原理的靜力水準儀，體積最小，因此安裝方便；

（2）量程大：壓差式靜力水準儀的量程大小與體積無關，因此可選用大量程的液體壓力傳感器。量程通常在1000~4000mm。較大的量程可以在安裝時不必進行嚴格的抄平安裝。；

（3）結構簡單：壓差式靜力水準儀中的液體僅起到傳遞壓力波的作用，無流動，因此無需任何活動部件。具有結構簡單，使用方便的特點。

（4）不受電磁幹擾：壓差式靜力水準儀由于結構簡單、緊湊，通常使用整體鋁合金外殼，具有屏蔽外界電磁幹擾的作用；

（5）精度高:壓差式靜力水準儀通常是使用擴散矽壓力傳感器實現壓力測量的。通常壓力傳感器的精度0.1%FS。比如1米的量程精度為1mm，分辨率為0.1mm。

缺點：

（1）受溫度影響較大：壓差式靜力水準儀通常擴散矽壓力傳感器來測量液體壓力。擴散矽壓力傳感器本身受溫度影響較大；

（2）精度低：壓差式靜力水準儀通常擴散矽壓力傳感器來測量液體壓力。而擴散矽壓力傳感器适合較大壓力的測量，小量程的價格昂貴，需要定制。在相對精度确定的情況下，而較大的量程導緻精度的降低。

（3）需要注意的是，某些商家為了某些目的，标注的精度為分辨率，甚至有的根本不知道精度的意義，直接标注分辨力。

四、小結

1、靜力水準儀的特點：必須在靜态情況下才能使用

所有靜力水準儀都是使用都是利用連通器原理，在管道和容器内的液體達到液面平衡時，實現液位測量的。由于流動的水具有慣性、粘滞性及溫度差，必須等水徹底停止流動、系統溫度趨于一緻後才能準确測量，否則會導緻數據波動劇烈導緻頻繁的誤報。如果被測物有外力作用、振動、管道較長、串聯的測點較多時，水面徹底平靜需要較長時間，難以實現實時、準确的動态位移測量。因此特意命名為靜力水準儀，必須在靜态情況下才能使用。

2、 靜力水準儀的使用注意事項：

（1）管道長度：如果管道過長，水流在管道内流動的阻力較大，需要較長時間液位才能平穩，因此測量的時間周期較長。一般來說，每個靜力水準測量系統的管道長度不适超過300米，且線路盡量平直，非要拐彎的地方，适用較大的轉彎角度，盡量減少水頭損失。

（2）保溫：靜力水準儀一般使用水來做介質，一般來說管道較長，管道中的水溫受環境影響較大，溫度的變化會導緻水的密度的變化，産生對流，導緻測量誤差增大。因此在戶外使用時，需要使用保溫材料對管道及傳感器進行保溫，防止溫差過大。保溫材料選擇常見的冬季自來水管防凍保溫泡沫管即可。如果是壓差式的靜力水準儀，可以使用保護水表的泡沫保溫套進行包裹保護；

（3）管道連接：為保證所有傳感器内液體上方的氣壓相等，必須用氣管把所有傳感器的連接起來。但是如果在開闊地使用，且使用發為不是很大時，可認為都處于同一個大氣環境下的個測點的氣壓都是一個相同的大氣壓。此時可以不使用氣管，簡化系統。但如果是在隧道内使用，由于列車經過時，對列車前後的氣壓有較大影響，此時需要使用氣管連接所有測點，以避開列車對測點内氣壓的影響；

（4）液體選擇：靜力水準儀一般使用水來做介質，在氣溫低于0°時，水會結冰膨脹，導緻系統失效。因此一般使用防凍液來代替水。防凍液還可以起到消毒殺菌的作用避免水中微生物的滋長。防凍液可使用汽車水箱的防凍液，選擇有色的防凍液，可直觀看到管道中是否有氣泡；

（5）水箱的使用：無論是否使用氣管來聯通水箱，都必須讓水箱與大氣相通，否則水箱内的水不能自由流動，會導緻數據誤差。聯通大氣的水箱内的水容易蒸發，可以在水面上滴上數滴矽油，隔絕水與空氣的接觸，可有效防止水分蒸發。矽油可使用液态機油，或普通的礦物潤滑油即可。

3、 靜力水準儀的發展：

随着科技的發展，測量液體壓力的傳感器不斷出現，如擴散矽、MEMS等固态傳感器，具有體積小、性價比高，數字化，容易和MCU集成等優點，得到了廣泛的應用。因此數字壓力傳感器也在靜力水準儀中得到較多應用。由于壓差式靜力水準儀的優點較為明顯，如果能夠顯著改善壓力傳感器的溫度性能，那麼壓差式靜力水準儀将代替體積笨重的其他靜力水準儀。

五、應用案例：

為說明靜力水準儀隻能在靜态情況下才能使用，以筆者在2017年做過的一個鐵路隧道内沉降的自動化監測項目為例進行簡要說明。

該鐵路隧道據推測有煤礦巷道從該隧道下方穿過，導緻隧道内沉降變形嚴重。因此委托深圳安銳科技有限公司做了自動化監測。（配帶logo的隧道圖）

下圖是使用靜力水準儀測量路基邊牆沉降的數據曲線圖情況。紅色曲線表示測點的沉降，黑點表示雷達探測到有列車經過，對該時間點做了自動标注。從圖中數據曲線可看出，當列車經過時，數據顯示邊牆出現厘米級的沉降，并在列車駛離後回彈至原始位置，與現場實際情況完全不符。如果據此設定報警阈值，将導緻極為頻繁的誤報警。

當時的解決辦法是用雷達傳感器來探測列車。當列車經過時，數據僅記錄，不觸發報警。雖然項目成功監測出隧道的沉降變形趨勢愈發嚴重，公務部門進行了徹底的整改。開挖整治時的情況驗證了監測數據的準确性。但如果當時列車經過時出現了嚴重的沉降，而無法正确報警，從而導緻嚴重的事故，那麼自動化監測的意義将大打折扣。因此深圳安銳開始研發能夠在動态環境下使用來測量動态沉降的動力水準儀。

動力水準儀在壓差式靜力水準儀的基礎上，用加速度傳感器測量出運動沖量導緻的額外壓力，對壓力傳感器的壓力數據進行修正，從而能夠準确的高頻測量動态沉降。

下圖為同一環境下靜力水準儀和動力水準儀的性能對比試驗：

​把靜力水準儀和動力水準儀牢牢困在一起。在台面靜止5秒後拿起放到一個高度為130mm的盒子上，過10秒後從盒子上推下跌落回台面。

從下圖的數據上可看出：從拿起、放置、跌落到台面後反彈、靜止的過程。靜力水準儀在靜置一段時間後的數據趨于穩定，但在振動時，數據波動很大，甚至完全失真。而動力水準儀表現讓人欣喜。傳感器從台面到盒子上的光滑位移曲線，數據與實際試驗過程完全相符。

從數據對比圖中可看出，同樣條件下，靜力水準儀的數據波動極大，而動力水準儀的數據曲線光滑，準确的還原了測點的移動過程。

由深圳安銳科技發明的動力水準儀當前已經在杭州地鐵高壓電力管廊保護、廣鐵三亞高鐵等數個項目中得到使用和驗證，是靜力水準儀的升級換代産品。具體請參考生長安銳科技的相關資料介紹。

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