静力水准仪标定方法的研究

余剑锋

(中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，湖北 武汉 430071)



静力水准仪标定方法的研究

余剑锋

(中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，湖北 武汉 430071)

摘要：介绍了以大量程百分表为基础的静力水准仪步进电机标定法，标定测试结果满足静力水准仪器行业标准。现场标定方法有效地得出了比例因子，减小了现场复杂环境对观测的影响。

关键词：百分表；静力水准；步进电机；比例因子

静力水准仪是一种通过测量两点间或多点间相对高程变化的建筑工程沉降位移监测设备，其主要应用于大型储罐、大坝、核电站、高层建筑、基坑、隧道、桥梁、地铁。通常静力水准仪都会被安装在等高的测墩上，或墙壁内的等高线上。采用一体化模块化自动测量单元采集数据，通过有线或无线通讯与计算机连接，从而实现自动化观测。

一套完整的静力水准仪是由若干个钵体通过液体管道连接而成，钵体内置有测量液面变化的传感器。传感器本身所具有的技术指标会直接影响到整个仪器系统的测量精度，同时仪器各个机械主体部件的加工及装配精度也会对测量精度造成影响。因此，在静力水准仪正常工作之前，对仪器进行标定就是一项必不可少的工作。

1一般标定方法

1.1标准块法

选定一个钵体作为基准水箱，将待标定钵体通过水管与之相连。调水箱与待标定钵体之间的水平，往水箱之中注入工作液体(如蒸馏水)。待液面稳定之后，往水箱之中放入一个标准块，放入时应防止水滴溅出和引起水面波动。此时，在这两个钵体组成的系统中，待标定钵体的液面将会升高，通过计算投入标准块的体积所应当升高的液面高度来进行仪器标定。但此种标定方法只能严格标定钵体的单程测量结果，因为当从液体中取出标准块时，标准块必定会粘带有水珠，从而使得液面实际体积减少，液面高差变化也减小。经过估算，如果有一滴水珠被带出或加入系统，将会产生±1.7 um左右的液面高差变化的误差。通过本方法标定标准块往往会粘带很多水滴，所以误差无法估算，从而影响仪器的分辨率及测量精度，因此标准块标定法在标定仪器的反行程是不合适的。

1.2步进电机法

以武汉地震科学仪器研究院有限公司生产的JSY-ID型遥测静力水准仪为实验对象，根据要求搭建如图1所示的标定系统。其中，大量程百分表(0～30 mm)的精度为30 um，分度值为0.01 mm。通过固定支架将大量程百分表夹持，垂直固定于步距为2 mm的步进电机上。通过步进电机使得钵体1上升20 mm，同时读取大量程百分表数值20-αmm，则步进电机每一步的标准值为：n(2-α/20)mm(其中n为步数)。

图1　标定系统示意图

在无风的实验条件下，将静力水准仪安放在标定系统上，以液面变化4 mm为一个档位，标定系统从零位开始逐一进档直至满量程20 mm(上行)，记录每档的测试结果。然后再逐一退档至零位(下行)，同样记录每档的测试结果，如此共进行三次循环测试，测试结果如表1所示。

表1　实验标定数据表

根据公式，可求得非线性误差：

其中，Xi为每一个静力水准仪测点的测值，Ci为标定系统中大量程百分表所标定的位移值，L为JSY-ID型静力水准仪的满量程值，i为静力水准仪测点序号(i=1,2，3……n)。

同时进行不重复度实验，计算公式为：

其中，X[i]max和X[i]min分别为各个静力水准仪测点在正反行程中的最大和最小测值。

最后进行滞后误差实验，计算公式为：

其中，X[i]m和X[i]n分别为各个静力水准仪测点测值在正反行程中的均值，L为仪器满量程值。

根据实验所计算得到的测试结果见表2，其中标准值为查询所得仪器的标准指标值。从表中数值对比可见，此种实验标定方法是满足静力水准仪行业标准的测量要求的。

表2　测试结果对比表

2现场标定方法

静力水准仪安装完成后，在工作现场应当进行现场标定。以JSY-ID型静力水准仪为例(如图2所示)，数台静力水准仪连接形成的一条测点线上，布置有一个标定器，标定器主要由标定筒和通过螺旋机构可以上下移动的标定棒组成。采用标定棒增减工作液体的体积，人为改变液面变化进行静态标定是该仪器的标定原理。

根据水的不可压缩特征，对n个静力水准仪钵体内液面高度的变化ΔH水，由如下计算公式确定：

式中：ΔH棒为标定棒移动量，r棒为标定棒半径100，r为钵体半径(均等)，r标为标定筒半径，单位均为mm。r、r棒、r标在仪器出厂时给出实测值。ΔH棒则是标定时设置给出。标定棒丝杆螺距为1 mm。即标定盘转动一圈，标定棒上升或下降1 mm。

图2　标定装置原理示意图

根据公式求得标定器标定的液面高度变化ΔH水，观测测点所得的信号输出变化ΔH，则可求得比例因子K=ΔH水/ΔH。将各个测点的K值存入MCU控制单元，以后信号采集到的液面变化值ΔH×K就是以mm为单位的各个测点的准确观测值。

3结束语

以大量程百分表为基础的步进电机标定方法，对静力水准仪的标定试验表明，测试结果是满足静力水准仪器行业标准要求的。仪器安装后的现场标定，则确定了比例因子K，提高了静力水准仪的观测精度，很大程度上减小了现场复杂多变的环境对观测带来的不利影响。

参考文献

[1]何晓业.CCD静力水准系统的标定方法和拟合[J].大地测量与地球动力学，2007(3)：113-117.

Study on the Calibration Method for Static Leveling Instrument

Yu Jianfeng

(KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,CEA,WuhanHubei430071,China)

Abstract:The article introduces the step motor calibration method of static leveling instrument based on large range indicator. The calibration results meet the static level of industry standards. The locale calibration obtains the scaling factor and reduces the influence of complex environment on the observation site.

Key words:indicator; static level; step motor; scaling factor

收稿日期：2016-02-29

作者简介：余剑锋(1988- )，男，湖北咸宁人，工程师，硕士，主要从事大坝形变安全监测工作。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0077- 02

中图分类号：TH762

文献标识码：A