自 1990 年數(shù)字水準(zhǔn)儀的問(wèn)世以來(lái)， 水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)的效率得到了極大地提高。 自此不斷有新型數(shù)字靜力水準(zhǔn)儀問(wèn)世，例如采用電荷耦合固體攝像器件（CCD）作為敏感元件的光電型儀器以及超聲波靜 力水準(zhǔn)儀和激光測(cè)距靜力水準(zhǔn)儀。 但磁致伸縮液位傳感器在形變儀器上的應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。
1 磁致伸縮液位傳感器
磁致伸縮位移傳感器是利用磁致伸縮效應(yīng)研制的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)非接觸、式測(cè)量，具有大量程、高精度的特點(diǎn)，同時(shí)由于采用非接觸式元件， 減少了磨損，故具有較高的可靠性。 據(jù) NASA 的測(cè)定，磁致伸縮液位傳感器平均時(shí)間（MTBF）為23 年。 同時(shí)，由于其安裝方便、調(diào)試快捷、測(cè)量精度高，比傳統(tǒng)的壓力、電容、差動(dòng)變壓式以及 CCD 式等測(cè)量系統(tǒng)具有更高的應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
磁致伸縮液位傳感器由三部分組成：探測(cè)桿，電路單元和浮子組成。 測(cè)量時(shí)，電路單元產(chǎn)生電流脈沖，脈沖沿著探測(cè)桿傳輸，并產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)。 磁致旋轉(zhuǎn)波的傳播速度為式中：G 為探測(cè)桿的剪切彈性模量；ρ為波導(dǎo)管密度；均為恒定值，在探測(cè)桿外配有浮子，浮子隨液位的變化而上下移動(dòng)。 浮子內(nèi)部有一組永磁鐵，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)， 當(dāng)電流磁場(chǎng)與浮子磁場(chǎng)“返回”脈沖，將“返回”脈沖與電流脈沖的時(shí)間差轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，就可計(jì)算出浮子的實(shí)際位置。
液位磁致伸縮位移傳感器工作原理如圖 1。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由主機(jī)系統(tǒng)、水管系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)等模塊組成。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
系統(tǒng)是根據(jù)連通容器中液體表面自然保持水平的特性進(jìn)行工作的，當(dāng)儀器主體所在處（檢測(cè)點(diǎn)） 高度變化時(shí)，儀器主體缽中的液面將相對(duì)于缽體發(fā)生相對(duì)升降變化，測(cè)量出這些變化量就可以計(jì)算出每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于某一基點(diǎn)的高差［2］。 設(shè) Y，Y1，Y2，
…，Yn 為基準(zhǔn)點(diǎn)及測(cè)點(diǎn) 1 到 n 的液面變化量，h1，h2，…，hn 每個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的高差
系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)通過(guò)移動(dòng)標(biāo)定裝置，通過(guò)改變液體體積，實(shí)現(xiàn)人為改變液面升降的目的，和電路信號(hào)連接起來(lái)，從而求得液面改變單位高度時(shí)，電信號(hào)數(shù)值的變化。
3 信號(hào)采集及處理
系統(tǒng)的信號(hào)采集及處理電路如圖 3 所示。系統(tǒng)選用 C8051F020 作為處理器，主頻達(dá)25M， 片內(nèi)自帶 64K 可編程序存儲(chǔ)器， 不需外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。 信號(hào)調(diào)理模塊主要是將來(lái)自于傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理，濾除干擾，并轉(zhuǎn)換到 A/D 芯片允許輸入范圍，電路設(shè)計(jì)均選用精密元件。 AD 采用 Maxim 的 16 位 8 通道并行轉(zhuǎn)換芯片 Max1302，采樣頻率達(dá) 115k/s。 系統(tǒng)擴(kuò)展了容量為 8Mb 的Flash 芯片 AT45DB081， 為大量檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供了保障。 同時(shí)為了系統(tǒng)使用方便，硬件設(shè)計(jì)時(shí)加入 4×4 鍵盤和 128×64 液晶， 并支持檢測(cè)數(shù)據(jù)的 U 盤讀取（CH375 USB HOST）、網(wǎng)線及串口傳輸。 系統(tǒng)滿足“十五”期間地震前兆儀器的網(wǎng)絡(luò)化要求。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊功能相對(duì)獨(dú)立，程序結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便，代碼可重用度高，主程序只需對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)用，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 系統(tǒng)軟件框圖如圖 4。
4誤差來(lái)源及處理
1）為避免磁致伸縮位移傳感器探測(cè)桿不垂直引起的誤差，采用氣泡法調(diào)直［3］。
2）為防止缽體水分蒸發(fā)流失及缽體管壁濕潤(rùn)導(dǎo)致液面下降，將整個(gè)缽體設(shè)計(jì)為密封結(jié)構(gòu)，各個(gè)缽體在上方用空氣管連接， 保證各缽體氣壓相同， 同時(shí)將缽體直徑設(shè)計(jì)為≥18cm，可將液體分子和固體分子間相互作用引發(fā)的濕潤(rùn)現(xiàn)象影響減至。
3）為防止探測(cè)桿及缽體的溫度形變而引起的誤差，采用線脹相同的材料設(shè)計(jì)及探測(cè)桿和缽體，本系統(tǒng)均采用硬鋁［4］。
其他誤差，如液體漏失誤差等可以忽略。
會(huì)員1.png)
