一种光栅水准仪的制作方法

1.本实用新型涉及地表沉降监测技术领域，具体为一种光栅水准仪。


背景技术：

2.传统的人工沉降测量，耗时甚多，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。因而近年来能够在线自动测量的沉降的静力水准仪达到广泛应用。静力水准仪是依据“连通管”原理工作的：两端开口与大气相通的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。测量出测点液位的变化，即可得到测点的位置变化。
3.根据这个原理，目前主流的静力水准仪有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。
4.液位式静力水准仪由于原理简单，液位变化直观，测量液位的技术简单成熟，因此种类繁多。液位测量的方式有机械式、非机械式两种。
5.机械式的液位测量是在液位中放入浮球，液位变化时，浮球会随液位而变动，测量出浮球的位置变化，即可得到液位的变化。常见的测量浮球位置变化是通过磁致伸缩原理来实现的。优点是磁致伸缩液位静力水准仪结构简单，液面变化直观，但是存在体积较大、安装不便、量程小、灵敏度精度较低、抗电磁干扰能力差、受环境温度影响较大等缺点，不适合应用于隧道工程应用场景。
6.非机械式的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。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。但缺点是也很明显，价格高、安装要求高、量程小，同样不适合施工现场测量。
7.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。优点是安装方便、量程大、结构简单，不受电磁干扰的影响，但其至命弱点是压差式静力水准仪通常扩散硅压力传感器来测量液体压力。而扩散硅压力传感器适合较大压力的测量，小量程的价格昂贵，需要定制。在相对精度确定的情况下，而较大的量程导致精度的降低。


技术实现要素：

8.针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种光栅水准仪，结构简单、安装便捷，测试精度可以根据实际需要通过光电二极管错排增减灵活配置，抗电磁干扰能力强、价格低廉，且可靠性高。技术方案如下：
9.一种光栅水准仪，包括基准点液位仪和监测点液位仪，二者结构相同，均包括竖直设置且底端封闭的外管，以及竖直设置于外管内部的pcb透明套管和浮球管；外管底部通过
液体联通管连接到水箱；所述浮球管为透明管，其底部开口，与外管连通，内部设有可反光的浮球，顶部设有激光发射器；所述pcb透明套管两端封闭，内部设有采控板和沿管长方向的感光板，感光板用于感应浮球的反光，采控板用于采集感光板的感光位置信息，并将其发送至后台，以供计算监测点沉降量。
10.进一步的，所述监测点液位仪有多个，且均与基准点液位仪连接到同一个水箱。
11.更进一步的，还包括液位管，液位管竖直的置于外管外部，且底端接通过到外管下部，顶端接通到外管上部。
12.更进一步的，所述外管包括下管段、中管段和上管段；所述下管段底端封闭，顶端通过变径四通同时连接到中管段的底端、液体联通管和液位管的底端；所述中管段的顶端通过变径三通同时连接到上管段的底端和液位管的顶端；所述上管段顶部设有上盖。
13.更进一步的，所述pcb透明套管和浮球管位于中管段；所述上管段中设有为激光发射器、感光板和采控板供电的电源板和锂电池。
14.更进一步的，所述上盖上方设有连接到采控板的天线。
15.更进一步的，所述变径四通与液体联通管连接的端口设有快接插头。
16.更进一步的，所述感光板为上下间距在0.1mm-0.5mm的光敏二极管阵列。
17.更进一步的，所述光敏二极管阵列包括多列竖向排布的光敏二极管，且各列光敏二极管的水平高度相互错开。
18.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型根据基准点液位仪和监测点液位仪的液面高度变化差值，即可分析出监测点的沉降量，即使中途加水或减水都不会影响沉降量的计算，可靠性较高；采用光电二极管阵列的感光板作为激光反射接收件，检测精度高，可调控；同时装置结构简单、抗电磁干扰能力强、价格低廉，适用于地表沉降，含边坡沉降的监测。
附图说明
19.图1为本实用新型的光栅水准仪的整体结构示意图。
20.图2为本实用新型的光栅水准仪中液位仪的外部结构示意图。
21.图3为图2中a-a剖视图。
22.图4为图3中e-e剖视图。
23.图5为光敏二极管阵列排布示意图。
24.图中：1-基准点液位仪；2-监测点液位仪；3-液体联通管；4-水箱；5-外管；51-下管段；52-中管段；53-上管段；54-变径四通；55-变径三通；6-pcb透明套管；7-浮球管；8-采控板；9-感光板；10-浮球；11-激光发射器；12-液位管；13-上盖；14-电源板；15-锂电池；16-天线。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
26.如图1所示，本实用新型的一种光栅水准仪，包括基准点液位仪1和监测点液位仪2，且二者结构相同。如图2～4所示，液位仪包括竖直设置且底端封闭的外管5，以及竖直设置于外管5内部的pcb透明套管6和浮球管7；外管5底部通过液体联通管3连接到水箱4；所述
浮球管7为透明管底部开口，其与外管5连通，内部设有可反光的浮球10，顶部设有激光发射器11；所述pcb透明套管6两端封闭，内部设有采控板8和沿管长方向的感光板9，感光板9用于感应浮球10的反光，采控板8用于采集感光板9的感光位置信息，并将其发送至后台，以供计算监测点沉降量。
27.原理说明：液位仪中浮球可以随水位变化高度，激光发射器发射线性激光打在浮球上时，光线向四周反射，感光板的光栅通过检测光的强度，确定浮球位置，进而确定浮球顶部距离激光发射器的距离。
28.基准点液位仪1和监测点液位仪2都通过液体联通管3连接到水箱4，就够成一个连通器，平衡时，两个液位仪的液面处于相同高度。初始时是液面达到稳定状态，两个液位仪的液面高度相同。经过一段时间或是经过某种扰动，监测点液位仪2的底部可能发生沉降，此时，连通器的液面将发生位移。两个装置中液面将分别发生不同位移，但仍处于同一个高度。则沉降量δh的计算如下：
29.δh＝(c
1-c0) (z
0-z1)＝(c
1-z1)-(c
0-z0)
30.其中，z0为基准点液位(浮球顶部)离顶端(激光发射器)的初始值，z1为基准点由于监测点沉降引起液位变化后的液位离顶端值；c0为监测点液位离顶端的初始值，c1为监测点沉降后液位离顶端值。由以上公式可发现，即使中途加水或减水，因c
0-z0值是固定的，不影响δh实际计算。
31.本实用新型光栅水准仪的一个实施例：还包括液位管12，液位管12竖直的置于外管5外部，且底端接通过到外管5下部，顶端接通到外管5上部。设置液位管12便于观察内部的水位变化，便于维护人员在水量减少是及时加水。
32.本实用新型光栅水准仪的另一个实施例：所述外管5包括下管段51、中管段52和上管段53；所述下管段51底端封闭，顶端通过变径四通54同时连接到中管段52的底端、液体联通管3和液位管12的底端；所述中管段52的顶端通过变径三通55同时连接到上管段53的底端和液位管12的顶端；所述上管段53顶部设有上盖13。
33.其中，pcb透明套管6和浮球管7位于中管段52；所述上管段53中设有为激光发射器11、感光板9和采控板8供电的电源板14和锂电池15。
34.其中，上盖13上方设有连接到采控板8的天线，用于将采控板8采集到的感光位置信息发送至后台。
35.其中，变径四通54与液体联通管3连接的端口设有快接插头，方便快速的安装和拆卸。
36.所述感光板9为上下间距为0.1mm～0.5mm的二极管阵列，光敏二极管阵列包括多列竖向排布的光敏二极管，且各列光敏二极管的水平高度相互错开。本实用新型采用激光照射在浮漂上，光向四周反射，通过光敏二极管检测反射光的位置。光敏二极管通过错位布置，即阵列中横向的各行光敏二极管根据精度要求上下错位排布，如图5所示，间距可达0.1mm，即精度可达0.1mm。通常采用0.5mm的上下间隔布置单列光敏二极管，若不通过错行布置，比如仅采用单列的光敏二极管，或各行对齐排布，精度仅能达0.5mm没有正负。而通过错行布置，可达0.1mm。因为光敏二极管多列上下错位排布后，各列之间在水平高度上相互补位，相当于细化了测量刻度，提高了分辨率，因此可以达到更高的测量精度。