静力水准装置及其测量系统的制作方法

1.本发明属于仪器仪表测量控制技术领域，特别是涉及一种静力水准装置及其测量系统。


背景技术：

2.在运行大型科学试验装置过程中，尤其是大型强子对撞机或高能离子加速器相关设备，随着时间的推移，由于受到重力的作用，大型科学试验装置在竖直方向上会引起高程变化。与此同时，试验人员也无法在其运行过程中到达现场，并且无法实现对试验装置的实时操控。因此，如何实时监控大学科学试验装置上的各个关键部位的沉降状态，实现高精度沉降检测是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种静力水准装置及其测量系统，实现了竖直方向上的高精度沉降检测需求。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种静力水准装置，其包括：
5.底座；
6.下钵体，包括气管，水管及水位基准线，所述下钵体连接所述底座，所述气管连接在所述下钵体上，所述水管设置在所述气管的一侧，所述水位基准线设置在所述下钵体的内壁，且位于所述气管与所述水管之间；
7.上钵体，包括盖板，所述上钵体设置在所述下钵体上，且连接所述下钵体形成容纳空间，所述盖板通过螺钉连接所述上钵体；
8.靶标球座，其设置在所述上钵体上，且连接所述盖板。
9.综上所述，在本发明的实施例中，通过内置传感器单元及控制装置，可实现全浸式电容式静力水准装置，提高电容检测单位间隙位移变化量，提升位移变化分辨率。再者，可实现减少在添加去离子水的过程中的气泡堆积现象，提高测量精度。另外，可提供与等位环相同电势，可以实现有效消除探头外壳与电缆间分布的电容。因此，本发明提供一种静力水准测量系统，若干个静力水准装置通过水管和气管进行并联至服务器的方式，实现垂直方向上各个关键部位沉降检测的监控。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1为一种静力水准装置于一实施例中的立体图。
12.图2为一种静力水准装置于一实施例中的底座示意图。
13.图3为一种静力水准装置于一实施例中的下钵体示意图。
14.图4为一种静力水准装置于一实施例中的下钵体侧视图。
15.图5为一种静力水准装置于一实施例中的上钵体爆炸示意图。
16.图6为一种静力水准装置于一实施例中的靶标球座示意图。
17.图7为一种静力水准装置于一实施例中的侧视图。
18.图8为一种静力水准装置于一实施例中的控制系统示意图。
19.图9为一种静力水准装置于一实施例中的传感器单元立体图。
20.图10为一种静力水准装置于一实施例中的传感器单元结构侧视图。
21.图11为一种静力水准装置于一实施例中的液位位移量与液位各个位移位置对应的电容值之间关系图。
22.图12为一种静力水准装置于一实施例中的液位各个位移位置对应的电容值呈阶梯式增长图。
23.图13为一种静力水准装置于一实施例中的连接件的示意图。
24.图14为一种静力水准测量系统于一实施例中的框图。
25.图15为一种静力水准测量系统于一实施例中的子系统示意图。
26.图16为一种静力水准测量系统于一实施例中的位各个位移点的电容值随液位位移变化的关系图。
27.图17为一种静力水准测量系统于一实施例中的液位各个位移位置对应的电容值呈阶梯式增长关系图。
28.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
29.1底座
30.11固定孔
31.2下钵体
32.21第一孔
33.22第二孔
34.23第三孔
35.24气管
36.25水管
37.26水位基准线
38.3上钵体
39.31柱体
40.32第一连接孔
41.33第二连接孔
42.34第三连接孔
43.35盖板
44.4靶标球座
45.41磁体
46.42固定件
47.43挂钩
48.5容纳空间
49.51控制装置
50.511控制模块
51.5111控制电路
52.512测量模块
53.5121测量电路
54.5122测温电路
55.52传感器单元
56.521定极板层
57.522保护板层
58.523电缆线接口
59.524动极板层
60.6连接件
61.100静力水准装置
62.200升降台
63.300连接水管
64.400标定钵体
65.500位移平台
具体实施方式
66.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
67.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
68.为了提高沉降检测的检测精度，本发明提供一种静力水准装置，请参考图1，静力水准装置包括底座1，下钵体2，上钵体3及靶标球座4，底座1固定连接下钵体2，上钵体3固定连接下钵体2，上钵体3连接靶标球座4，上钵体3与下钵体2形成容纳空间5，容纳空间5内设置有连接件6。
69.请参考图1及图2，在本发明的一实施例中，底座1的形状例如是圆形或者方形。底座1可包括固定孔11，固定孔11开设置于底座1上，且贯穿于底座1，固定孔1用于将底座1安装固定于其他待安装设备上。固定孔1的数量例如至少是三个，既保证固定的稳定性，也节约生产成本。
70.请参考图1及图3，在本发明的一实施例中，下钵体2固定连接在底座1上，下钵体2的直径小于底座1的直径，下钵体2用于盛液。下钵体2可包括第一孔21，第二孔22及第三孔23，第一孔21设置在下钵体2的一侧，第一孔21用于安装连接气管24，气管24固定连接在第
一孔21上，气管24的直径等于第一孔21的直径，气管24连接其他静力水准装置，并用于传输空气。第二孔22临近设置在第一孔21的一侧，第二孔22用于安装连接水管25。第三孔23相对设置在第二孔22的一侧，第三孔23用于安装设置热电阻探测器。
71.如图3及图4所示，水管25的材料例如可以是聚氟乙烯等。水管25设置在下钵体2的一侧，且固定连接在第二孔22上，水管25与下钵体2的外壁具有夹角，水管25与下钵体2之间的夹角范围例如可以是5
°
～15
°
，水管25与下钵体2之间的夹角在本发明中是10
°
，此夹角的设置可以实现减少在添加去离子水的过程中的气泡堆积现象，提高测量精度。水管25的直径等于第二孔22的直径，水管25连接其他静力水准装置，并传输去离子水。
72.请参考图4，在本发明的一实施例中，水位基准线26位于下钵体2的内侧壁。水位基准线26可设置在水管25的上方，且位于气管24与水管25之间。溶液在下钵体2内以水位基准线26为基准，设置刻度线，方便调试液位高度，刻度线在下钵体2内壁的位移变化量程范围在本发明中例如是
‑
6mm～ 6mm。
73.请参考图5，在本发明的一实施例中，上钵体3固定连接在上钵体2上，上钵体3用于容纳集成控制线路。上钵体3可包括柱体31，第一连接孔32，第二连接孔33，第三连接孔34及盖板35，第一连接孔32开设于柱体31，第一连接孔32用于安装电源线。第二连接孔33贯穿于柱体31，且位于第一连接孔32的一侧，第二连接孔33例如可以是通信接口，用于安装连接器，连接器用于传输热电阻信号。第三连接孔34开设于柱体31，且相对设置于第一连接孔32，第三连接孔34例如可以是网络接口，用于安装网线。盖板35固定连接柱体31，盖板35的直径等于柱体34的直径。
74.请参考图6，在本发明的一实施例中，靶标球座4固定连接在上钵体3上，靶标球座4可包括磁体41，固定件42及挂钩43，磁体41设置在固定件42内，挂钩43连接固定件42，且位于磁体41上方，挂钩43可用于挂卡卡簧钳。
75.请参考图7，在本发明的一实施例中，容纳空间5由下钵体3和上钵体2组成，容纳空间5用于设置电控系统。容纳空间5可包括控制装置51及传感器单元52，控制装置51设置在传感器单元52上方，控制装置51位于上钵体3内。如图8所示，控制装置51可包括控制模块511及测量模块512，控制模块511内设置控制电路5111，控制电路5111提供双线式兼容的串行接口通信电路。控制模块511设置在测量模块512的一侧，控制模块511是控制整个静力水准测量系统的主控制器，控制模块511用于驱动w5500以太网电路，并接收上位机采集指令。控制模块511内的模拟集成通讯电路驱动测量模块512，使得测量模块512采集电容值，再将测量模块512采集到的电容值通过以太网通信发送至上位机上显示和存储。测量模块512内设置有测量电路5121及测温电路5122，测量电路5121及测温电路5122电连接控制模块511，测量模块512提供标准交流激励的激励源，将测量模块512加载至传感器单元52，实现检测电容量。测量电路5121加载至等位环的引脚上，提供与等位环相同电势，可以实现有效消除探头外壳与电缆间分布的电容。测温电路5122用于检测环境温度。
76.请参考图7、图9及图10，在本发明的一实施例中，传感器单元52可设置于高于水位基准线26的上方，具体地，传感器单元52位于距离刻度线最大位移变化量程位置的上方，用于测量下钵体2内的液面位置。传感器单元52在本发明中例如是位于距离刻度线上方 6mm位置的500um距离，防止使用过程中传感器单元52浸水。传感器单元52可包括电容传感器或者温度传感器，电容传感器的材料例如可以是氧化铝陶瓷基板，电容传感器中的氧化铝含
量例如可以是96％，沉积钯银浆料于氧化铝陶瓷基板，用于形成单极厚膜电容。电容传感器例如可包括单极厚膜电容，绝缘结构件及电缆，电缆通过绝缘结构件焊接在单极厚膜电容上，且位于单极厚膜电容的背面，其中绝缘结构件的材料例如是聚四氟乙烯，电缆例如可以是同轴屏蔽电缆。温度传感器例如可以是高精度热敏电阻，高精度热敏电阻可以提高环境温度的测量精度。
77.如图9及图10所示，单极厚膜电容的厚度范围例如可以是0.5mm～1.5mm，单极厚膜电容的厚度例如是1mm。由于其工作时存在边缘效应，单极厚膜电容可包括保护极和定极，保护极设置在定极的外圈，保护极和定极的表面喷涂三防漆，使得单极厚膜电容具有防水功能，并且增加初始电容量。具体地，单极厚膜电容还可包括定极板层521，保护板层522，电缆线接口532及动极板层524，定极板层521设置在均匀磁场中心，定极板层的直径范围例如可以是15mm～20mm，定极板层521的直径例如是18mm，定极板层521形成定极板，用于有效测量单极厚膜电容上的电极。定极板层521与保护板层522之间的间隙范围例如可以是0.5mm～1mm，定极板层521与保护板层522之间的间隙范围例如是0.6mm，随着定极板层521与保护板层522之间的间隙范围不断发生变化时，单极厚膜电容的电容值不断发生变化，进而电容传感器分辨率发生变化。保护板层522设置在定极板层521的两侧，保护板层522用于形成保护极，保护极围绕在定极板的外圈，且与定极板隔开保持电气绝缘，保护极可改善有效电极测量时的边缘效应，减小因该效应而产生的非线性误差。
78.请参考图10、图11及图12，在本发明实施例中，当定极板层521与保护板层522之间的间隙不断变小时，电容传感器位移变化的分辨率越来越高。具体地，利用高精度位移台使下钵体2内的液位发生位移移动，预设液位位移变化量为1um，限定液位初始位置为 5.5mm，随着液位沿着水位基准线26向上至最大值位移距离或者向下运动最小值位移距离，获取液位各个位移位置对应的电容值。如图11所示，液位位移量与液位各个位移位置对应的电容值之间关系应当符合非线性增长。如图12所示，随着液位位移量的增大，液位各个位移位置对应的电容值呈阶梯式增长，使得电容传感器满足1um的分辨率。
79.请参考图7、图9及图10，在本发明的一实施例中，电缆线接口532的数量例如至少是两个，至少两个电缆线接口532分别设置在保护板层522和定极板层521上，用于连接电缆。动极板层524相对设置在背离保护板层522级定极板层521的一侧，动极板层524与保护板层522和定极板层521形成均匀磁场，提高电容传感器的测量精度。
80.请参考图13，在本发明的一实施例中，连接件6设置在容纳空间5内，连接件6用于固定连接上钵体3和下钵体2。连接件6可包括固定装置，固定装置例如可以是螺钉，螺钉例如可以是无磁螺钉，无磁螺钉可以减少容纳空间5内的磁场散射，使得电容传感器工作更加稳定，提高电容传感器输出电容值的稳定性，进而提高沉降检测精准度。
81.请参考图14，本发明提供一种静力水准测量系统，静力水准测量系统可包括若干个静力水准装置100通过水管25和气管24并联至服务器，可提高测量灵敏度，使得静力水准测量系统的测量灵敏度提高2um。
82.请参考图15，在本发明的一实施例中，静力水准装置100设置在升降台200上，通过连接水管300连接标定钵体400，标定钵体400设置在高精度位移台500上，标定钵体400的中轴线与位移平台500的中轴线在同一直线上，形成静力水准控制系统，可以实现消除阿贝误差。
83.请参考图15，图16及图17，在本发明的一实施例中，静力水准控制系统的工作原理是利用高精度位移台500使得静力水准装置100内的液位高度变化是20um。具体地，定义液位起始位置是
‑
6mm，当液位向上运动至 6mm时，获取液位各个位移点的电容值，使得静力水准控制系统提高测量精度和测量分辨率。如图16所示，液位各个位移点的电容值随液位位移变化应当符合非线性关系。如图17所示，随着液位位移量的变化，液位各个位移位置对应的电容值呈阶梯式增长，使得静力水准控制系统提高测量精度和测量分辨率。
84.综上所述，本发明提供一种静力水准装置，通过内置传感器单元及控制装置实现全浸式电容式静力水准装置，提高电容检测单位间隙位移变化量，提升位移变化分辨率。
85.本发明提供一种静力水准测量系统，若干个静力水准装置通过水管和气管进行并联至服务器的方式，实现垂直方向上各个关键部位沉降检测的监控。
86.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。