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    靜力水準系統在大科學工程中的應用及發展趨勢

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-12-04 09:03

      

           靜力水準系統 ,是利用相連的容器中 ,液體總是尋求具有相同勢能的水平原理 ,測量和監測參考點彼此之間的垂直高度的差異和變化量。它以很高的測量精度,在測量領域獲得廣泛應用。尤其是在大型精密工程測量中 ,如對水電站、核電站、大型科學科研工程的垂直位置的變化監測等發揮著重要作用 ,靜力水準系統具有精度高、自動化性能好、實時測量功能等特點。在國際上 ,靜力水準系統有統一的英文名稱 , 即 Hydrostatic Leveling System , 簡 稱HL S。在國內不同的單位的英文名稱并不統一。
    1  HLS 的基本原理
           HL S 系統傳感器的基本原理并不復雜 ,用管道連接的容器中注入一定的液體 ,所有的容器中的液體將在管道中自由流動 ,其結果是當平衡或者靜止時各個容器中的液體表面將保持相同的高度 ,但是各個容器中的液體深度并不相同 ,這也就反映了各個容器所在的各個參考點的高度的不同 :如果容器和連通管道中使用的液體密度均勻一致 ,環境壓力等因素也相同 ,第一種情況顯示的是兩個容器對稱分布 ,處于相同的高度 ,此時 :d1 = d2 , h1 = h2式中 , d 表示標志物到容器底面的距離 ; h 為容器中液體的高度。所以兩個容器所在位置之間的高度差為零 ,即 :Δh = 0對于第二種情況 ,由于兩個容器所處位置的高度發生了變化 ,有:h′1 = h1 +Δh /2,h′2= h2 -Δh /2,所以d′1 = d1 +Δd /2,d′2= d2 -Δd /2,可以得到 :Δh = d′1 - d′2 (1)  如果兩個容器的距離比較遠 ,假如液體的密度也不同 ,則當處于平衡 (靜止) 狀態時 ,有下面的關系式 :P1 +ρ1 g1 H1 = P2 +ρ2 g2 H2 = C (2)式中 , P 為大氣壓力 ;ρ為液體密度 ; g 為重力加速度 ; H 是從基準水平面起算的液面的高度 ,例如容器內液體液面到系統 (包括連通管) 中液體最低點的高度。在一個復雜的、測量范圍比較大的靜力水準系統中 ,溫度、壓力等因素必須要加以考慮 , 在以后的章節中將給予進一步討論。
    2、主要技術
           由于不同的國家和單位所掌握的技術的不同 ,如何測量各個容器中的液體表面的高度又將用到不同的原理和技術。目前用在這方面的技術和方法有以下幾種 :
    2.1.1 電容式傳感器
           ESRF (歐洲同步輻射實驗室) 最先開發了這類產品 ,目前世界上加速器實驗室中用的大部分 HL S 系統多是這種傳感器。它利用液體表面作為電容器的一極 ,用某種材料做成電容器的另一極。當液面高度變化時 ,電容器的極距就發生變化 ,電容值也隨之變化。通過導線和數據采集系統將各個傳感器的電容值記錄、放大、濾波和 A/ D 轉化 ,輸入計算機進行處理 ,就能得到各個參考點的相對高度變化情況。測量精度取決于 A/ D 卡 , 最好測量精度可達±01 15μm。
    2.1.2 光電式傳感器
           1992 年美國阿貢 ( AR GONN E) 實驗室開始研究這種傳感器 ,1993 年通過測試。一束激光從傳感器容器壁底部的窗口按一定的角度射向液體表面 ,經過液面的全反射 ,光束在安放于容器底面另一端的線性光電位置傳感器 (OPS) 上形成光斑。當液面高度發生變化時 ,激光的反射光斑在 OPS 上的位置就發生變化 ,通過 OPS 輸出的信號也就隨之變化。同樣 ,這個信號經過處理送入計算機 ,得到各個參考點的相對高度 ,這種方法的測量標稱精度達到 ±1μm。
    磁致伸縮式靜力水準儀
    2.1.3電感式傳感器
           這種傳感器利用線性差動變壓器把位移量變成電信號 。鐵芯安裝在浮力座上 ,可以隨著傳感器容器里液面的升降而升降。當鐵芯在線圈內移動時 ,改變了磁通的空間分布 ,也就改變了初、次級線圈之間的互感量 ,特別是兩個次級線圈的互感量之比發生了變化。供給初級線圈一定頻率的交變電壓 ,次級線圈 就產生感應電動勢 ,互感量不同 ,次級線圈產生的感應電動勢就不同 ,這樣就把鐵芯的位移值變為電壓信號 ,同樣 ,經過處理后輸入計算機 ,可以得到不同參考點的相對高度。目前國家地震局地震研究所生產這種產品 ,標稱測量精度為 ±0.01 mm。另外 ,還有利用超聲波、接觸式探頭、磁致伸縮式等原理做成的傳感器。
    3、HLS在國外科學工程中的開發應用現狀
           HLS 首先由 ESRF 的準直測量組開發和應用于監測 ESRF 儲存環的垂直位移 ,后經過FO GAL E2NANO TECH 公司改進并生產出系列產品。目前世界上幾乎所有著名的大型加速器裝置都已經運用或正在研究使用 HL S系統 :法國 ESRF 早在 1990 年就在其儲存環上安裝使用了 HL S 系統 ,它可以保證儲存環的垂直精度在 ±0.1 mm 以內 , 他們還同時將HL S 系統用于市政工程的測量 ;美國阿貢實驗室于 1992 年開始研究不同測量原理的HL S 傳感器 ,于 1993 年成型并進行測試和標定 ;瑞士歐洲核研究中心 ( CERN) 于 1996 年用更精確的 HL S 系統結合一套新開發的軟件 ,測量儲存環上磁鐵的位置變化 ,并通過反饋系統校正大型儲存環 L EP 的閉合軌道 ;美國 SLAC 實 驗 室 的 FF TB ( FINAL FOCUS TEST B EAM) 對其四極鐵的垂直精度要求在±01 03 mm 以內 ,為此 ,它的準直組與 PEL2 L ISSIER 公司合作開發了名為 H5 的便攜式HL S 系統 ,它的精度可達到 ±0. 005 mm ,比光 學 測 量 精 度 高 10 倍 以 上 ; 瑞 士 的 SL S ( SWISS L IGH T SOURCE) 在每個二極鐵的支撐梁上安裝四個 HL S 傳感器 ,檢測垂直方向的位移 ;日本的 SPRIN G28 準直組正在研究便攜式 HL S 在其磁鐵位置監測方面的應用 ,測試結果已經出來。在一些核電站 ,如法國FLAMA ILL E 核電站 ,應用 HL S 測量建筑物承重墻對設備高度的影響 ,等等。
    4、國內高精度 HLS 研究的背景與現狀
           在我國重大科學研究工程中 ,繼北京正負電子對撞機 (B EPC) 和國家同步輻射實驗室(NSRL) 等一些已建成并運行多年的大型科學工程后 ,“九五”和“十五”期間將又建一批科學科研工程 ,其中 B EPC Ⅱ工程已經得到國家有關部門立項并正在實施 ,還有上海光源工程(SSRF) 也已經正式動工。在國際加速器的準直測量中 , HL S 系統越來越受到重視 ,幾乎所有新建的加速器裝置都安裝了 HL S 系統作為磁鐵等重要部件的水準實時監測 ,在一批已經建成的加速器中也安裝了 HL S 系統。
           B EPC Ⅱ工程是將原來的單環對撞機升級改造成雙環對撞機 ,將原來的單環加速器的磁鐵等拆除 ,在原有的環形隧道中建立內外環 ,這樣在空間上比以前擁擠得多 ,尤其是隧道外環的測量將非常困難 ,所以 B EPC Ⅱ的調節裝置擬采用伺服電機驅動的專用千斤頂來完成 ,因為沒有人員進行手動調節的空間 ,所以測量的自動化和遙測技術就顯得格外重要。HL S 不僅能實現測量自動化和遙測的要求 ,還能進行實時測量。和支撐的調節裝置結合還可以實現實時的調整 ,這也是目前國際加速器中流行的一種做法。
           國外雖然有 HL S 現成的產品 ,但是價格昂貴 ,而從各個實驗室發展 HL S 的狀況來看 ,立足于本實驗室 ,開發相配套的傳感器及相應的軟硬件 ,是發展的主流 。因此 ,自己開發研究一套 HL S 系統 ,并在技術上有所提高和力爭突破 ,也為將來能在其他領域的使用打下基礎 ,為 HL S 技術的發展作出貢獻。在此情況下 ,由中國科學院高能物理研究所負責的B EPC Ⅱ國家重點科學項目資助 ,于 2003 年開始研制用于粒子加速器并能應用于其他領域的精密 HL S 系統。課題的目標開始就是為在正負電子對撞機 B EPC Ⅱ上建立一套 HL S 系統開展研究 ,完成系統的調研、設計和實驗產品的加工、測試 ,最終完成能夠在加速器裝置上實際應用的產品和系統。
           在國內有針對水利、地震等而開發的靜力水準傳感器。主要有電感式、電容式、光學和磁致伸縮式靜力水準傳感器。由于它們主要用于諸如大壩變形監測、地殼和山體變形監測等 ,要求測量量程較大而測量的精度不高 ,都不能滿足加速器磁鐵位置監測所需要的精度。從精密工程測量學角度來講 ,高能粒子加速器建設中的測量工作無論是從精度方面、還是測量內容的廣泛程度都將是精密工程測量的前沿 ,它推動工程測量的進步和發展。立足國內 ,開發適合加速器等高精度要求的靜力水準系統 ,努力趕上國外先進的變形監測技術 ,是目前國內加速器準直測量的工作需要 ,也是精密工程測量的發展趨勢。
           經過努力 ,新型 HL S 系統于 2004 年 10 月完成所有測試 ,11 月正式用于 B EPC Ⅱ工程的前期準直測量工作 ,從得到的測量數據看 ,研究的成果得到了預期目標。系統的技術參數為 :測量靈敏度 0.002mm。單點測量精度 < ±0.01 mm  兩測點高差測量中誤差 <±0.02mm 量程±5mm 允許環境條件  溫度0-50℃  濕度100%這個課題的完成標志著監測手段的提高。進一步的發展 ,可以利用監測所得到的數據建立反饋系統 ,再通過伺服機構進行定期的或實時的調節 ,形成一個“監測2數據處理2反饋2調節”完整的系統。
     


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