CN108731639A - 基于双膜片压力传感器的静力水准仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于双膜片压力传感器的静力水准仪，包括：钵体外壳和压力传感器，压力传感器连接在钵体外壳的底部；压力传感器包括光纤光栅、壳体和由上往下依次设置在壳体内部的一次膜片、二次膜片、传压杆、传力梁、等强度悬臂梁，光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁上；一次膜片、二次膜片与壳体之间围成的容腔为传压油腔，钵体外壳上安装有气体连通管接口和液体连通管接口。该静力水准仪能够实现不均匀压力重新分布，确保在振动环境下测量的压力是均匀的压力，进而保证测量结果的准确性。属于测量仪器领域。

Description

基于双膜片压力传感器的静力水准仪

技术领域

本发明涉及测量仪器领域，具体地说是基于双膜片压力传感器的静力水准仪。

背景技术

静力水准仪利用液体连通器原理进行标高测量，可以在光线条件不佳、空间狭小不易进入等不适合进行光学测量的环境中使用。同时可以与各种传感器结合，实现自动化测量，提高测量精度与稳定性，满足工程长期进行结构标高监测的需要。

但是大部分现有的静力水准仪，如浮子式、反射式静力水准仪，都要求必须在液面静止的条件下才能进行液面位置测量，因此不能在地铁隧道、桥梁等存在振动的环境下准确地进行标高测量。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于双膜片压力传感器的静力水准仪，该静力水准仪能够实现不均匀压力重新分布，确保在振动环境下测量的压力是均匀的压力，进而保证测量结果的准确性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于双膜片压力传感器的静力水准仪，包括：钵体外壳和压力传感器，压力传感器连接在钵体外壳的底部；压力传感器包括光纤光栅、壳体和由上往下依次设置在壳体内部的一次膜片、二次膜片、传压杆、传力梁、等强度悬臂梁，光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁上；一次膜片、二次膜片与壳体之间围成的容腔为传压油腔，钵体外壳上安装有气体连通管接口和液体连通管接口。采用这种结构后，一次膜片上受到的不均匀压力通过传压油腔中的液压油均匀地传递到二次膜片上，实现不均匀压力重新分布，通过传压杆和传力梁传递挠度、分配压力给等强度悬臂梁，通过粘贴在等强度悬臂梁上的光纤光栅测量等强度悬臂梁的应变，从而测量出液体压力，得到静力水准仪内的液面高度。

优选地，壳体包括下底板和设有三级内阶梯的圆形凸台；一次膜片和二次膜片依次设在圆形凸台的第一级阶梯内；传压杆、传力梁、等强度悬臂梁依次设在圆形凸台的第二级阶梯中部。采用这种结构后，压力传感器的结构紧凑，压力传输稳定。

优选地，一次膜片和二次膜片的竖向间距范围为5-20毫米。采用这种结构后，保证传压油腔中装有足够使压力均匀的液压油，确保传递到二次膜片的压力是均匀的。

优选地，钵体外壳底部的外伸圆板上等角度分布设有若干螺栓孔，对应壳体的下底板上相应位置也设有若干螺栓孔，钵体外壳与压力传感器壳体的下底板通过螺栓可拆卸连接。采用这种结构后，实现压力传感器可替换功能。

优选地，传力梁水平设置，传力杆垂直设置，传力梁两端的下部各设有一半圆球体。采用这种结构后，半圆球体保证了传递给等强度悬臂梁的只有竖向力，无水平力的干扰，消除压力偏心产生的弯矩的影响。

优选地，等强度悬臂梁的数量为两根，分别位于传力梁的半圆球体的下方；等强度悬臂梁上表面中心线处设有一凹槽；等强度悬臂梁一端设有螺钉孔并通过螺钉连接在壳体上，另一端用于安放传力梁的半圆球体。采用这种结构后，凹槽保证传力梁与等强度悬臂梁连接紧密，并限制传力梁只在等强度悬臂梁中心线上移动。双等强度悬臂梁的结构，通过传力梁将液体压力分配为两个竖向力分别作用在两个等强度悬臂梁自由端，消除了传压杆上弯矩的影响。两个等强度悬臂梁自由端竖向力相加即为液体压力。

优选地，光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁的凹槽内。采用这种结构后，光纤光栅黏贴在等强度悬臂梁的凹槽内，同时传力梁的半圆球体也安放在等强度悬臂梁的凹槽内，利用的光纤光栅测量等强度悬臂梁的应变，测量出液体压力，使得测量更为精准。

优选地，外伸圆板的内侧设有密封圈。采用这种结构后，确保静力水准仪的密封性。

优选地，下底板中心开设有用于穿出光纤光栅的圆孔；在一次膜片和二次膜片之间的圆形凸台外侧设有油嘴。采用这种结构后，下底板的圆孔便于光纤光栅的传输，油嘴用于向传压油腔中添加或排出液压油，添加后将油嘴密封。

优选地，两个气体连通管接口位于两个液体连通管接口的上部，液体连通管接口高于压力传感器；两个气体连通管接口的轴线水平，一个液体连通管接口的轴线水平，另一个液体连通管接口的轴线倾斜向下且与水平线的夹角为锐角。采用这种结构后，两个气体连通管接口的轴均水平设置，方便与相邻的静力水准仪相连接，以通过气体的方式平衡各静力水准仪间的压力。其中一个液体连通管接口倾斜向下，使注入液体时气泡更容易排出。

本发明的原理是：(1)采用一次膜片——传压油腔——二次膜片的结构，将一次膜片上作用的不均匀的压力通过传压油腔转化为均匀压力传递到二次膜片上。一次膜片承受不均匀的液体压力，压缩传压油腔中的液体油，液体油将压力重新分配后将压力均匀地传递到二次膜片上，实现不均匀压力重新分布。(2)采用传力梁——双等强度悬臂梁的结构，通过传压杆和传力梁传递挠度、分配压力给两个等强度悬臂梁，将液体压力分配为两个竖向力分别作用在两个等强度悬臂梁自由端，以保证传递给等强度悬臂梁的只有竖向力，无水平力的干扰，消除压力偏心产生的弯矩的影响。两个等强度悬臂梁自由端竖向力相加即为液体压力。(3)通过粘贴在等强度悬臂梁中心线的凹槽内的光纤光栅测量等强度悬臂梁的应变，从而测量出液体压力，得到静力水准仪内的液面高度。

总的说来，本发明具有如下优点：

本发明适用于振动环境下的标高测量，不需要使用浮子等接触装置，消除浮子浸没体积变化对液面位置测量的影响。通过双膜片-双等强度悬臂梁结构对不均匀液压进行测量，实现液面高度测量，测量结果更加精准。通过螺栓连接压力传感器与钵体外壳，实现压力传感器的可替换功能。

附图说明

图1为本发明装置的剖面结构示意图

图2为压力传感器的剖面结构示意图。

图3为一次膜片的剖面示意图。

图4为二次膜片的剖面示意图。

图5为压力传感器壳体的俯视示意图。

图6为压力传感器壳体的剖面示意图。

图7为压力传感器壳体的三维示意图。

图8为等强度悬臂梁的俯视示意图。

图9为等强度悬臂梁的三维示意图。

图10为传压杆-传力梁组合体的平面示意图。

图11为传压杆-传力梁组合体的三维示意图。

图12为静力水准仪的钵体外壳的剖面示意图。

图13为图1中A处的局部放大图。

图中的标号和对应的零部件名称为：1为一次膜片，2为二次膜片，2-1为倒锥槽，3为传压油腔，4为油嘴，5为传压杆，6为传力梁，6-1为传力梁下部的半圆球体，7为等强度悬臂梁，7-1为等强度悬臂梁上的螺钉孔，7-2为凹槽，8为光纤光栅，9为壳体，9-1为下底板，9-2为圆孔，9-3为下底板上的螺栓孔，9-4为矩形凸起，10为钵体外壳，10-1为气体连通管接口，10-2为液体连通管接口，10-3为外伸圆板，10-4为外伸圆板上的螺栓孔，11为密封圈，12为压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步详细的说明。

一种基于双膜片压力传感器的静力水准仪，包括，钵体外壳和通过螺栓连接在钵体外壳底部的压力传感器，压力传感器相对于钵体外壳可拆卸、替换。

压力传感器包括光纤光栅、壳体、一次膜片、二次膜片、传压杆、传力梁、两根等强度悬臂梁。

壳体包括下底板和设有三级内阶梯的圆形凸台，下底板为圆形平板，中部设有圆孔，以便光纤光栅穿出。下底板与圆形凸台为一体式结构，下底板的外径大于圆形凸台的外径；在下底板上、圆形凸台的外侧等角度分布设有八个螺栓孔，用于与钵体外壳通过螺栓连接。一次膜片和二次膜片从上到下依次焊接在圆形凸台的第一级阶梯内；一次膜片、二次膜片与圆形凸台之间围成的容腔为传压油腔。传压油腔的一侧设有油嘴，油嘴用于向传压油腔中添加或排出液压油，添加后将油嘴密封。一次膜片和二次膜片的竖向间距范围为20毫米。以保证传压油腔中装有足够使压力均匀的液压油，确保传递到二次膜片的压力是均匀的。

传压杆、传力梁、等强度悬臂梁从上到下依次设在圆形凸台的第二级阶梯中部。传压杆的顶部为圆锥体结构，二次膜片的底部的中心设有与传压杆顶部的圆锥形相匹配的倒锥槽。安装时，传压杆的圆锥体固定在二次膜片的倒锥槽内。二次膜片将压力传递至传压杆。传力梁水平设置，传力杆垂直设置，传压杆与传力梁相互固定，传力梁两端的下部各设有一半圆球体。半圆球体保证了传递给等强度悬臂梁的只有竖向力，无水平力的干扰，消除压力偏心产生的弯矩的影响。等强度悬臂梁一端设有螺钉孔并通过螺钉连接在壳体上，另一端用于安放传力梁的半圆球体。等强度悬臂梁上表面中心线处设有一条形的凹槽；光纤光栅粘贴在凹槽内，光纤光栅的两端均从下底板中心的圆孔穿出，与光谱仪连接。传力梁的半圆球体也卡在凹槽内，利用的光纤光栅测量等强度悬臂梁的应变，测量出液体压力，使得测量更为精准。凹槽保证传力梁与等强度悬臂梁连接紧密，并限制传力梁只在等强度悬臂梁中心线上移动。双等强度悬臂梁的结构，通过传力梁将液体压力分配为两个竖向力分别作用在两个等强度悬臂梁自由端，消除了传压杆上弯矩的影响。两个等强度悬臂梁自由端竖向力相加即为液体压力。

钵体外壳上焊接有两个气体连通管接口和两个液体连通管接口。气体连通管接口位于液体连通管接口的上部，液体连通管接口高于压力传感器；两个气体连通管接口的轴线水平，一个液体连通管接口的轴线水平，另一个液体连通管接口的轴线倾斜向下且与水平线的夹角为锐角。气体连通管接口水平焊接，方便与相邻的静力水准仪相连接，以通过气体的方式平衡各静力水准仪间的压力。其中一个液体连通管接口倾斜向下，使注入液体时气泡更容易排出。

钵体底部的外伸圆板上等角度分布设有八个螺栓孔，与壳体的下底板上设置的八个螺栓孔一一对应，钵体外壳与压力传感器壳体的下底板通过螺栓实现可拆卸、替换连接。外伸圆板内侧底部有一圈矩形凹槽，下底板上设有一圈矩形凸起，在矩形凹槽与矩形凸起之间放置O型密封圈并利用矩形凹槽和矩形凸起将O型密封圈固定。

使用时，向传压油腔内灌满液压油后，向钵体外壳内部注入空气和液体，由于振动环境下，一次膜片上受到钵体外壳内液体的不均匀压力通过传压油腔中的液压油均匀地传递到二次膜片上，实现不均匀压力重新分布，通过传压杆和传力梁传递挠度、分配压力给等强度悬臂梁，通过粘贴在等强度悬臂梁上的光纤光栅测量等强度悬臂梁的应变，从而测量出液体压力，得到静力水准仪内的液面高度。

除了上述实施例提及的方式外，还可以采用应变片等其他应变传感器黏贴在等强度悬臂梁凹槽内。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于，包括：钵体外壳和压力传感器，压力传感器连接在钵体外壳的底部；压力传感器包括光纤光栅、壳体和由上往下依次设置在壳体内部的一次膜片、二次膜片、传压杆、传力梁、等强度悬臂梁，光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁上；一次膜片、二次膜片与壳体之间围成的容腔为传压油腔，钵体外壳上安装有气体连通管接口和液体连通管接口。

2.按照权利要求1所述的基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于：壳体包括下底板和设有三级内阶梯的圆形凸台；一次膜片和二次膜片依次设在圆形凸台的第一级阶梯内；传压杆、传力梁、等强度悬臂梁依次设在圆形凸台的第二级阶梯中部。

3.按照权利要求2所述的基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于：一次膜片和二次膜片的竖向间距范围为5-20毫米。

4.按照权利要求2所述的基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于：钵体外壳底部的外伸圆板上等角度分布设有若干螺栓孔，对应壳体的下底板上相应位置也设有若干螺栓孔，钵体外壳与压力传感器壳体的下底板通过螺栓可拆卸连接。

5.按照权利要求1所述的基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于：传力梁水平设置，传力杆垂直设置，传力梁两端的下部各设有一半圆球体。

6.按照权利要求5所述的基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于：等强度悬臂梁的数量为两根，分别位于传力梁的半圆球体的下方；等强度悬臂梁上表面中心线处设有一凹槽；等强度悬臂梁一端设有螺钉孔并通过螺钉连接在壳体第二级阶梯的平台上，另一端用于安放传力梁的半圆球体。

7.按照权利要求6所述的基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于：光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁的凹槽内。

8.按照权利要求4所述的基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于：外伸圆板的内侧设有密封圈。

9.按照权利要求2所述的基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于：下底板中心开设有用于穿出光纤光栅的圆孔；在一次膜片和二次膜片之间的圆形凸台外侧设有油嘴。

10.按照权利要求1所述的基于双膜片压力传感器的静力水准仪，其特征在于：两个气体连通管接口位于两个液体连通管接口的上部，液体连通管接口高于压力传感器；两个气体连通管接口的轴线水平，一个液体连通管接口的轴线水平，另一个液体连通管接口的轴线倾斜向下且与水平线的夹角为锐角。