静力水准系统在大科学工程中的应用及发展趋势.docx

静力水准系统在大科学工程中的应用及发展趋势何晓业( 中国科学技术大学 ,安徽 合肥 230029)摘要 :综述了静力水准系统的基本原理和国内外运用的技术 ,着重介绍了 hl s 在国内外大型科学工程 ,尤其是在电子加速器上的应用和发展 ,以及为 b epc 工程研究的 hl s 系统的背景情况 。还希望通过 介绍 ,统一静力水准系统的英文名称 ,以利与国际接轨 。关键词 :静力水准系统 ;大科学工程 ;发展趋势中图分类号 : tl 3641 5 文献标识码 :b文章编号 :025820918 (2006) 0420332205appl icat ion of hydrostat ic level ing system in key scient if icengineering and its devel oping ten dencyh e xiao2ye( u ni ver sit y of science a nd technolo gy of chi na , hef ei of a n hui pro v. 230029 , chi na)abstract : thi s p ap e r summa rize s t he ba sic p ri ncip le of t he hydro st atic leveli ng syst e ma nd t ech nolo gie s u sed i n it wo rl dwi de . it e mp ha size s o n t he i nt ro ductio n of t he i nt er na2 tio nal app licatio n a nd develop me nt of hl s u se d i n key scie ntific e ngi neeri ng , e sp eciall y i n elect ro nic accele rato r s , a nd t he re sea rchi ng bac kgro u nd of t he new t yp e of hl s fo rb epc . by t he i nt ro ductio n , t he a ut ho r al so hop e s to unif y t he engli sh na me of t hehydro st atic leveli ng syst e m i n chi na , wit h a n ai m to be i de ntical wit h t he na me i nt er na2tio nall y u se d.key words :hydro st atic leveli ng sy st e m ; key scie ntific e ngi neeri ng ; developi ng t e nde ncy静力水准系统 ,是利用相连的容器中 ,液体总是寻求具有相同势能的水平原理 ,测量和监 测参考点彼此之间的垂直高度的差异和变化量 。它以很高的测量精度 ,在测量领域获得广泛应用 。尤其是在大型精密工程测量中 ,如对水电站 、核电站 、大型科学科研工程的垂直位置 的变化监测等发挥着重要作用 ,静力水准系统具有精度高 、自 动 化性 能好 、实 时 测 量 功 能 等收稿日期 :2005212205 ;修回日期 :2006204224作者简介 :何晓业 ( 1964 ) ,男 ,安徽肥东人 ,高级工程师 ,博士 ,核科学与技术专业 ,精密工程测量332特点 。在国际上 ,静力水准系统有统一的英文名 称 , 即 h ydro st atic l eveli ng syst e m , 简 称hl s 。在国 内 不 同 的 单 位 的 英 文 名 称 并 不 统一 。可以得到 :h =d1d2( 1)-如果两个容器的距离比较远 ,假如液体的密度也不同 ,则当处于平衡 (静止) 状态时 ,有下 面的关系式 :p1 +1 g1 h1 = p2 +2 g2 h2 = c( 2)1hl s 的基本原理hl s 系统传感器的基本原理并不复杂 ,用式中 , p 为大气压力 ;为液体密度 ; g 为重力加速度 ; h 是从基准水平面起算的 液面 的 高度 ,例如容器内液体液面到系统 (包括连通管) 中液 体最低点的高度 。在一个复杂的 、测量范围比较大的静力水准系统中 ,温度 、压力等因素必须要加以 考 虑 , 在 以 后 的 章 节 中 将 给 予 进 一 步 讨论 。管道连接的容器中注入一定的液体 ,所有的容器中的液体将在管道中自由流动 ,其结果是当 平衡或者静止时各个容器中的液体表面将保持 相同的高度 ,但是各个容器中的液体深度并不 相同 ,这也就反映了各个容器所在的各个参考 点的高度的不同 (图 1 为其原理图) :主要技术由于不同的国家和单位所掌握的技术的不 同 ,如何测量各个容器中的液体表面的高度又 将用到不同的原理和技术 。目前用在这方面的 技术和方法有以下几种 :21 1 电容式传感器esr f (欧洲同步辐射实验室) 最先开发了 这类产品 ,目前世界上加速器实验室中用的大 部分 hl s 系统多是这种传感器 。它利用液体 表面作为电容器的一极 ,用某种材料做成电容器的另一极 。当液面高度变化时 ,电容器的极 距就发生变化 ,电容值也随之变化 。通过导线 和数据采集系统将各个传感器的电容值记录 、 放大 、滤波和 a/ d 转化 ,输入计算机进行处理 , 就能得到各个参考点的相对高度变化情况 。测量精 度 取 决 于 a/ d 卡 , 最 好 测 量 精 度 可 达01 15 m 。21 2 光电式传感器1992 年美国阿贡 ( a r go n n e) 实验 室 开 始研究这种传感器 ,1993 年通过测试 。图 2 是这种传感器的原理图 。 一束激光从传感器容器壁底部的窗口按一定的角度射向液体表面 ,经过液面的全反射 ,光 束在安放于容器底面另一端的线性光电位置传 感器 ( o ps) 上形成光斑 。当液面高度发生变化时 ,激光的反射光斑在 o ps 上的位置就发生变 化 ,通过 o p s 输 出 的 信 号 也 就 随 之 变 化 。同 样 ,这个信号经过处理送入计算机 ,得到各个参3332图 1 hl s 原理示意图fig. 1 pri nciple of hl s如果容器和连通管道中使用的液体密度均匀一致 ,环境压力等因素也相同 ,图 1 中的第一 种情况显示的是两个容器对称分布 ,处于相同 的高度 ,此时 :d1 = d2 , h1 = h2式中 , d 表示标志物到容器底面的距离 ; h 为容 器中液体的高度 。所以两个容器所在位置之间 的高度差为零 ,即 :h = 0对于第二种情况 ,由于两个容器所处位置 的高度发生了变化 ,有 :+ h- hh1 = h1, h2= h222所以 :d1 = d1 + h , d2- h= d222 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 另外 ,还有利用超声波 、接触式探头等原理做成的传感器 。3hls 在国外科学工程中的开发应用现状hl s 首先由 esr f 的准直测量组开发和应用于监测 esr f 储存环的垂直位移 ,后经过fo gal e2n a n o t ec h 公司改进并生产出系 列产品 。目前世界上几乎所有著名的大型加速 器 装 置 都 已 经 运 用 或 正 在 研 究 使 用 hl s 系统 :法国 esr f 早在 1990 年就在其储存环上 安装使用了 hl s 系统 , 它 可以 保 证 储 存 环 的垂直 精 度 在 01 1 mm 以 内 , 他 们 还 同 时 将 hl s 系统用 于 市 政 工 程 的 测 量 ; 美 国 阿 贡 实 验室 于 1992 年 开 始 研 究 不 同 测 量 原 理 的hl s 传感器 ,于 1993 年成型并进行测试和标定 ;瑞士 欧 洲 核 研 究 中 心 ( c ern ) 于 1996 年 用更精 确 的 hl s 系 统 结 合 一 套 新 开 发 的 软件 ,测量储存环 上 磁铁 的位 置变 化 , 并 通过 反馈系统校正 大 型 储 存 环 l ep 的 闭 合 轨 道 ; 美 国 sl a c 实 验 室 的 f f tb ( f in al fo cu s t es t b ea m) 对其四极铁的垂直精度要求在01 03 mm 以 内 , 为 此 , 它 的 准 直 组 与 p el2l issier 公司 合 作 开 发 了 名 为 h5 的 便 携 式hl s 系统 , 它 的 精 度 可 达 到 01 005 mm , 比 光 学 测 量 精 度 高 10 倍 以 上 ; 瑞 士 的 sl s( sw iss l i gh t so u rc e) 在 每 个 二 极 铁 的 支撑梁上安 装四 个 hl s 传 感 器 , 检 测 垂 直 方向的位移 ; 日本的 spr in g28 准直组正在研究便携式 hl s 在其 磁铁 位置 监 测 方 面 的 应 用 ,测试结 果 已 经 出 来 。在 一 些 核 电 站 , 如 法 国fl a ma ill e 核电 站 , 应 用 hl s 测 量 建 筑 物 承重墙对设备高度的影响 ,等等 。图 2 光电式 hl sfig. 2 l ight2elect ric hl s考点的相对高度 ,这种方法的测量标称精度达到 1 m 。21 3电感式传感器这种传感器利用线性差动变压器把位移量 变成电信号 ,图 3 为其原理图 。图 3 电感式传感器原理图fig. 3 inductive hl s1 是初级线圈 ,2 为两个次级线圈 , 3 为铁芯 。铁芯 安 装 在 浮 力 座 上 , 可 以 随 着 传 感 器 容器里液面的 升降 而 升降 。当铁 芯在 线 圈内移动时 ,改变了磁 通 的空 间分 布 , 也就 改 变了 初 、次级线圈之间 的 互感 量 , 特别 是两 个 次级线圈的互感量 之比 发 生了 变化 。供给 初 级线圈一定 频 率 的 交 变 电 压 , 次 级 线 圈 就 产 生 感 应电动势 ,互感量 不 同 , 次 级 线圈 产生 的 感应 电动势 就 不 同 , 这 样 就 把 铁 芯 的 位 移 值 变 为电压信 号 , 同 样 , 经 过 处 理 后 输 入 计 算 机 , 可 以得到不同参 考点 的 相对 高度 。目前 国 家地震局地 震 研 究 所 生 产 这 种 产 品 , 标 称 测 量 精 度为 01 01 mm 。334国内高精度 hls 研究的背景与现状在我国重大科学研究工程中 ,继北京正负 电子对 撞 机 ( b epc) 和 国 家 同 步 辐 射 实 验 室 ( n srl ) 等一些已建成并运行多年的大型科学 工程后 “, 九五”和“十五”期间将又建一批科学 科研工程 ,其中 b epc 工程已经得到国家有 关部门 立 项 并 正 在 实 施 , 还 有 上 海 光 源 工 程4 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. ( ssr f) 也已经正式动工 。在国际加速器的准直测量中 , hl s 系统越 来越受到重视 ,几乎所有新建的加速器装置都安装了 hl s 系统作为磁铁等重要部件的水准 实时监测 ,在一批已经建成的加速器中也安装 了 hl s 系统 。b epc 工程是将原来的单环对撞机升级 改造成双环对撞机 ,将原来的单环加速器的磁 铁等拆除 ,在原有的环形隧道中建立内外环 ,这样在空间上比以前拥挤得多 ,尤其是隧道外环 的测量将非常困难 , 所以 b epc 的调节装置 拟采用伺服电机驱动的专用千斤顶来完成 ,因 为没有人员进行手动调节的空间 ,所以测量的 自动化和遥测技术就显得格外重要 。hl s 不仅能实现测量自动化和遥测的要求 ,还能进行 实时测量 。和支撑的调节装置结合还可以实现 实时的调整 ,这也是目前国际加速器中流行的 一种做法 。国外 虽然 有 hl s 现 成的 产品 , 但 是 价 格昂贵 ,而从各个实验室发展 hl s 的状况来看 , 立足于本实验室 ,开发相配套的传感器及相应 的软硬件 ,是发展的主流 。因此 ,自己开发研 究一套 hl s 系统 , 并在技术上有 所提 高和 力 争突破 ,也为将来能在其他领域的使用打下基 础 ,为 hl s 技 术 的 发 展 作 出 贡 献 。在 此 情 况 下 ,由 中 国 科 学 院 高 能 物 理 研 究 所 负 责 的 b epc 国家重点科学项目资助 ,于 2003 年开 始研制用于粒子加速器并能应用于其他领域的 精密 hl s 系统 。课题的目标开始就是为在正 负电子对撞机 b epc 上建立一套 hl s 系统 开展研究 ,完成系统的调研 、设计和实验产品的 加工 、测试 ,最终完成能够在加速器装置上实际 应用的产品和系统 。在国内有针对水利 、地震等而开发的静力 水准传感器 。主要有武汉地震研究所研究开发的电感式 、南京自动化研究所研究开发的电容式和北京地壳应力研究所研究开发的光学静力 水准传感器 。由于它们主要用于诸如大坝变形 监测 、地壳和山体变形监测等 ,要求测量量程较大而测量的精度不高 ,都不能满足加速器磁铁 位置监测所需要的精度 。从精密工程测量学角度来讲 ,高能粒子加速器建设中的测量工作无论是从精度方面 、还是测量内容的广泛程度都将是精密工程测量的 前沿 ,它推动工程测量的进步和发展 。立足国内 ,开发适合加速器等高精度要求的静力水准系统 ,努力赶上国外先进的变形监测技术 ,是目 前国内加速器准直测量的工作需要 ,也是精密 工程测量的发展趋势 。经过努力 ,新型 hl s 系统于 2004 年 10 月 完成所有测试 ,11 月正式用于 b epc 工程的 前期准直测量工作 ,从得到的测量数据看 ,研究 的成果得到了预期目标 。系统的技术参数为 :01 002 mm 01 01 mm 01 02 mm5 mm050 100 %测量灵敏度单点测量精度 两测点高差测量中误差量程允许环境条件温度湿度这个课题的完成标志着监测手段的提高 。进一步的发展 ,可以利用监测所得到的数据建 立反馈系统 ,再通过伺服机构进行定期的或实 时的调 节 , 形 成 一 个“监 测2数 据 处 理2反 馈2调 节”完整的系统 。参考文献 : 1 da niel ro ux . a hi sto rical fi r st o n accelerato r alignment c . proceedi ngs of t he thi r d int er natio nal wo r k shop o n accelerato r align ment , c ern , sep . 28 oct . 1 ,1993 :83292 .ma rti n d , ro ux d. real ti me alti met er co nt rol by a hy2 dro st atic levelli ng sysyt e m c . proceedi ngs of t he sec2 o nd int er natio nal wo r kshop on accelerato r align ment , sep t 10212 , 1990 :1712182 .wolf ga ng scha uert e . sur veyi ng a nd align ment co ncep t fo r t he bo nn elect ro n st ret cher accelerato r ( el sa ) c , proceedi ngs of t he seco nd int er natio nal wo r k shop o n accelerato r alignment , sep t 10212 , 1990 :329 .l ngo bert schmadel , geo detic sur vey a nd co mpo nent a2lign ment of t he co mbi ned heavy io n synchrot ro n sis a nd t he experi ment al sto rage cooler ri ng esr c , proceedi ngs of t he seco nd int er natio nal wo r kshop o n accelerato r ali gn ment , sep t 10212 , 1990 :11225 .endo k. preci se alignment met ho d fo r t ri st a n accelera2to r c , proceedi ngs of t he seco nd int er natio nal wo r k2shop on accelerato r align ment , sep t 10212 , 1990 : 27243 .335 2 3 4 5 1994-2014 ch