本文从各种静态水平仪的原理和分类出发，详细说明了各种水平仪的优缺点；帮助用户在项目中选择合适的水平仪。

   

一、静力水平仪简介

   

对结构影响较大的因素是重力，因此以结构的竖向位移较能代表结构位置的变化。竖向位移通常也简称沉降。对竖向位移的观测也叫沉降观测。

   

传统的人工测量耗时过长，监测周期长，只能反映变化的长期趋势。难以响应快速变化的垂直位移。因此，业内人士发明了静态水平仪，用于自动测量垂直位移。

   

   

二、静力水准仪的原理及分类

   

静态水准仪根据连通管原理进行沉降监测，即两端开口U注入液体后，液体较终会在大气压力和重力的作用下保持在同一高度。

   

根据这一原理，市场上有两种不同形式的静态水平仪，即液位静态水平仪和压差静态水平仪。液位水平仪通过测量不同传感器的液位变化高度来计算沉降，压差静态水平仪计算不同传感器之间的液压变化，然后除以液体的密度和重力加速度来获得沉降值。

   

根据液位测量，液位水准仪可分为磁致伸缩、超声波和电容。

   

三、磁致伸缩静力水平仪的原理及优缺点

   

磁致伸缩是指磁体中磁化方向的变化会导致介质晶格间距的变化，从而改变磁体的长度和体积。磁致伸缩液位传感器利用磁致伸缩效应和检测到两个不同磁场交叉时产生的应变脉冲信号的时间来计算磁场交叉点的准确位置，从而测量液位的高度。

   

磁致伸缩液位计的传感器测杆外配有浮子，可随液位的变化上下移动。浮子内部有一组*磁环。当脉冲电流磁场遇到浮子产生的磁环磁场时，浮子周围的磁场发生变化，使由磁致伸缩材料制成的波导线在浮子所在的位置产生扭转波脉冲，沿波导线以固定速度传回，由检出机构检出。浮子的位置可以通过测量脉冲电流和扭转波的时差来准确确定。

   

   

优缺点：

   

磁伸缩液位计价格*，主要用于石油、化工原料储存、生化、医药、食品饮料、大坝水位、水库水位监测和污水处理。近年来，一些业内人士用于观察建筑结构的沉降。

   

磁致伸缩静力水准仪的测量精度为1mm，测量浮子的移动高度。液位的变化可以通过透明罐直观地看到。

   

由于使用浮子，有移动部件，体积难以缩小，有些地方妨碍观察，使用有限。范围更有限，通常是100-200mm，大量程很难做到。

   

由于液位变化是通过磁场变化获得的，因此抗电磁干扰能力较弱，不建议在电厂、高铁接触网和大型电力设备附近使用。

   

如果温度变化较大，浮子内空气的体积变化会导致浮力变化，此时浮力会带来较大的系统误差。因此，适合在相同的温度下进行数据比较。在昼夜温度变化较大的地方，必须进行保温和保温处理。

   

   

四、超声静力水平仪的原理及优缺点

   

原理：

   

超声波静态水平仪的基本原理与磁伸缩液位计相同。区别在于用超声波测量液位的高度。超声波信号通过安装在仪器底部的超声波探头发出，并根据探头接收到的反射回波的时差和超声波在液体中的传播速度反射到液体表面。0.01mm。

   

   

优缺点：

   

超声静态水平仪的优点是无机械活动装置，传感器不接触液体，抗电磁干扰能力强。缺点是温度变化很大。

   

超声静态水准仪的基本原理与磁致伸缩水准仪相同，因此体积大，安装不便。

   

影响超声波静态水平仪的因素是液体表面和内部的气泡和悬浮物，导致反射混乱和测量误差。使用时应采取保温措施，避免太阳引起的液体蒸发和气泡。

   

此外，超声静力水平仪的量程较小，通常只有50-300mm。在安装和使用过程中，位置要求较高，需要手动使用水平仪进行复制，静态水平仪安装在同一水平，以尽可能使用有限的范围。

   

超声静态水平仪是一种精密精致的仪器，对使用环境要求高，适用于室内使用，如环境温度变化小、液体介质控制实验室等科研机构。它很少用于户外建筑工地和其他项目。

   

五、压差静态水平仪的原理及优缺点

           压差静态水平仪用压力传感器测量液体压力的变化，然后除以液体密度和重力加速度。因此，关键指标高度依赖于压力传感器和计算MCU还有算法。随着科学技术的发展，测量液体压力的传感器不断出现，如扩散硅MEMS固态传感器体积小，性价比高，数字化，易于和解MCU集成等优点得到了广泛的应用。因此，数字压力传感器也被广泛应用于静态水平仪器中。 压差静态水平仪采用帕斯卡原理，液体压力仅与液体表面高度有关，因此体积非常小，易于安装和使用。压差静态水平仪通常使用扩散硅压力传感器来实现压力测量。因此，可以根据需要选择适当的范围和精度。通常，压力传感器的精度0.01%FS。例如，1米的量程精度为1mm，分辨率为0.1mm。需要注意的是，有些企业为了某些目的，标记的精度是分辨率，有些企业甚至不知道精度的意义，直接标记分辨率。 静态水平仪使用水作为介质，对温度非常敏感。如低温*结冰，高温*膨胀等。需要采取防冻保温措施。例如，在低温环境中使用防冻剂。在高温下，使用绝缘泡沫材料进行绝缘，以避免温差过大。

   

六、小结

           以上类型的静态水平仪采用连接器原理，当管道和容器中的液体达到液位平衡时，实现液位测量。由于流动水具有惯性、粘度和温差，必须在水完全停止流动后准确测量，系统温度趋于一致，否则会导致严重的数据波动，导致频繁的误报。如果测量对象具有外力、振动、管道长、系列测量点多，水面需要很长时间才能完全平静，难以实现实时、准确的动态位移测量。 下图显示了铁路隧道路基侧墙沉降的数据曲线图。红色表示测量点的垂直位移数据曲线，黑点表示雷达检测到列车通过时自动标记的数据曲线。 从图中的数据曲线可以看出，当列车通过时，数据显示侧墙有厘米级的沉降，并在列车离开后反弹到原始位置，这与现场的实际情况完全不一致。如果设置了报警阈值，则不会导致非常规的静态报警。 当时，如果列车通过时，则不能使用雷达检测到传感器检测到静态阈值。

   

七、动力水平仪的原理及优缺点

   

随着结构健康监测要求的不断提高，对垂直位移的测量也有了新的要求。如桥梁动态挠度、列车通过时轨道垂直位移变化、高压灌浆 路基隆起、管廊架空施工时挠度动态补偿等。

   

   

压力传感器、加速度传感器、倾斜角 度传感器、温度传感器硬件采集数据嵌入同一外壳，高性能MCU运行实现 多传感器数据集成算法，实时计算和补偿液体的流动惯性、粘性阻尼和 温度，以获得高精度、高频率的垂直位移。

   

   

静力水准仪和动力水准仪在同一环境下的性能对比试验:

   

将静态水平仪和动力水平仪牢牢地困在一起。在台面静止5秒后，将其捡起并放置到高度130mm在盒子上，10秒后从盒子上推下，落回台面。

   

从下面的数据可以看出，从拿起、放置、跌落到桌子后的反弹和静态过程。静态水平仪的数据在静态一段时间后趋于稳定，但在振动时，数据波动很大，甚至完全扭曲。动力水平仪的性能令人满意。传感器从桌子到盒子的光滑位移曲线与实际过程完全一致。

   

从数据对比图可以看出，静态水准仪的数据在相同条件下波动很大，而动力水准仪的数据曲线光滑，准确还原了测点的移动过程。

   

由此可见，动力水平仪可以克服静力水平仪的缺点，实现动态位移的高精度准确测量。

   

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