浮子式数字水位仪的设计与初步测试

水位观测是我国地震前兆地下流体观测的主要测项之-，并在我国建成数以百计的水位观测井。观测仪器的性能直接影响产出数据的质量，为了取得连续、准确、高质量的观测数据，- 般都要求观测仪器具有稳定性好、分辨率高和测量误差孝抗干扰能力强等特性(王广才，2003；车用太 ，2007)。

对于水位(液位)测量的方案有很多，针对各种方案也有相应的观测仪器，目前常见的水位仪可分为投入式水位仪、超声波、激光水位仪、机电(编码、伺服)水位仪等。当前地震前兆水位观测普遍采用投入式水位仪。其-般由压力传感器、变送器和数据采集器构成，代表有 LN-3水位仪和其网络化产品LN-3A水位仪。这类投入式水位仪传感器产用扩散硅工艺，具有灵敏度高、响应速度快、易于集成化等特点。但这种工艺也造成传感器内部各个扩散电阻阻值不能完全相等 ，且扩散电阻温度系数存在差异和非线性的温度变化 ，组成桥路时会产生零位电漂移和零位温度漂移(滕敏，2011)。观测结果主要表现为数据存在较为严重的零点漂移，通常采用补偿方式减少漂移 ，但不能完全消除。据三峡地下水动态观测井 网报告：井水位 的漂移量为7-22 cm/年 (谷元珠 ，2004)；据天津 报告 ：张道 口等井水位漂移量为 3-4 cm/年 (谷元珠 ，2004)，江苏省观测结果表明漂移量在 2-1O cm/年 ，河北省观测数据尧现投入式数字水位仪存在明显零漂(张子广，2003)。零漂是这类观测技术的固有问题，无法通过数据分析的方式去除，叠加在长趋势的水位变化中，对水位年变分析影响很大。

1 浮子式数字水位仪结构和测量原理1.1 仪器结构本设计中浮子式数字水位仪包括浮子系统、光电编码器和数据采集服务器 (图 1)。其中作者简介：居海华(1979-)，男，江苏南通人，工程师，中国科学技术大学在职硕士研究生，主要从事地震观测技术研究工作基金项目：2008年度中国地震局地震监测、预报、科研三结合”课题；江苏省地震局青年基金(200906)本文收到 日期 ：2012-12-18第 314期 居海华等：浮子式数字水位仪的设计与初步测试浮子系统由浮子、软钢丝悬索和测量轮组成，测量时以浮子感测水位变化。测量轮固定在光电编码器的轴上，浮子与水位同步变化，带动测量轮和光电编码器的轴同步转动，水位在不同位置时光电编码器输出对应的编码。数据采集服务器读取编码后转换成水位数据，并提供数据存储和网络服务等功能 。

1.2 浮子 系统测量原理浮子系统中浮子、平衡锤与悬索连接牢固，悬索悬挂在测量轮的V”形槽中(图 2)。平衡锤起拉紧悬索和平衡作用，调整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水线上。在水位不变的情况下，浮子与平衡锤两边的力是平衡的。当水位上升时，浮子产生向上浮力，使平衡锤拉动悬索带动测量轮作逆时针方向旋转；水位下降时，则相反 。

浮子 浮子系统 RS485转悬索 I测量轮 l平衡锤图 1 仪器构成Fig.1 Block diagram of instrumentl浮子；2.悬索；3.平衡锤；4.测量轮；5.编码器；6.485电缆；7.井口支架图 2 浮子系统结构示意Fig.2 Structural diagram of float system1.3 光电编码器 系统光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移与数字变换，通过光电转换，将轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量的传感器。光电编码器-般由光栅盘、发光元件和光敏元件组成。

光栅实际上是-个刻有规则透光和不透光线条的圆盘 ，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经整形后，变为脉冲信号，根据脉冲的变化，可以精确测量位移量(董莉莉 ，2000)。

光 电编码器可以分为增量式和绝对值编码器。后者可 以直接读 出角度坐标 的绝对值 ，没有累积误差，电源切除后位置信息不会丢失。本方案中采用 24位的智能型绝对值多圈光电编码器，提供标准工业 485接口，支持 Easypro自由协议，内部的 MCU可直接输出位置信息的ASC I码，支持通过串口指令设置测量模式、格值和量程。其主要技术参数见表 1。

表 1 编码器技术参数Table 1 Technical Parameter of Encoder24位的编码器我们分配其测量圈数为 12位 ，每 圈分辨翠 为 12位 ，采用测量轮-刷为 320 mm，可以计算出其理论分辨翠为 ：，-320/2 ≈O.078 mm；理论 量程 为 ：-320×2 -1 310 720 mm≈ 1 310 m；理论 响应速度 为 ： -2 400×0.320/60-12.8 m/s1.4 数据采集服务器设计1.4.1 硬件 架构。数据采集 服务器采用华邦 公司 的 W90P950处理器，该处理 器以ARM926EJ-S为内核 ，主频能达到 200 M，功耗低 ，集成所有所需控制器 ，减少系统扩展，降低成本，提高可靠性。利用嵌入式操作系统可以很容易实现实时数据的存储和网络服务(居海华，2010)。图 3是 W90P50的主控制拈框图(Winbond Electronics Corp，2008)，该主控模13O 地 震 地 磁 观 测 与 研 究I M sDRAM 以太网 1。/10以太网EBI控控制器制器l 洲 asnl USB2.O usB电子硬盘 控制器I。 Nan asnFM T接口 鲁 串口。，系统控制台耋 UART /L 串口1，编码器MCURTC - GPIO 控制器 r1 (232转485)lJTAG ( IO H2，GPS(备用)图 3 主控拈Fig.3 Block diagram of main control module块具有功耗低、功能强、配置灵活等特点。

1.4.2 数据采集服务器与光 电编码器 的接口设计 。编码器采用 EasyPro自由通讯协议 ，当编码器设 为被动模 式，数据采集服务器的串口指令为#编号 ，接收的数据长度为 15位 16进制 ASCⅡ码 ，格式为 ：-±编号 DATA/(表 2)。

编码器采用 RS485接 口，具有通讯距离远、抗干扰性能强、传输速率高等优点，方便仪器的灵活布设。数据采集服务器只有RS232接 口，采 用 防 浪 涌带 隔 离 栅 的RS232/RS485转换接 口。

表 2 通讯协议Table 2 Communication Protocol1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15接收： - ± 编号 DATA /1.4.3 系统移植及应用程序编写。嵌入式 系统是以应用为中心 ，计算机技术为基础 ，软硬件可裁减，能够适应实际应用，对功能、可靠性、成本、体积和功耗等有严格要求的专用计算机系统。Linux内核以其稳定性、可移植性、设备独立性、源码开放等特性在嵌入式系统领域得到广泛应用。采用基于 Linux 2.6.30内核的嵌入式 Linux系统。

应用程序中主要涉及串口的读写、文件存储及网络服务等方面。在 Linux系统里，对用户程序而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供-致接口，-般把设备映射为-个特殊的设备文件，用户程序可以像对其他文件-样对其进行操作。此处给出部分串口读写代码。

unsigned char send-buff[4]- 0x23，0x30，0x31，0x0D； //发送缓冲区 初始化命令unsigned char recv- buff[17]； //接收缓冲区pthread-m utexlock(&gcomm- lock)； //线程互斥锁SEND：write(fd-ttys，send- buff，4)； //向串口写数据，即发送命令RECEIVE：ink-timer； //开启定时器for (；；) //读取应答数据 if(TIMER-INT-- 1) //定时时间到 break； read(fd-ttys，recv-buff，16)；if(((recv- buff[O]-- 0x3d)＆8L(recv-buff[1]-- 0x30)8L& (recv-buff[2]--0x31)&&(recv- buff[15]--0x0d))) memcpy(greal-data，recv-buff 3，12)；data-greal atof(greal- data)；mark1；)第 3/4期 居海华等：浮子式数字水位仪的设计与初步测试2 实验测试2.1 分辨率测试实验测试采用 LN-3A型数字水位仪作对比，首先校正两台仪器的零点。表 3中序号 1-14为人工提高 1 mm.水位，序号 15-28为人工减少 1 mm水位。

表 3 水 位测试记 录Table 3 Tables of water level test序号 序号1 o.558 o.55789 15 o.557 0.556882 O.558 o.55781 16 0.557 o.556953 0.558 0.55773 17 o.557 0.557034 o.558 O.55766 18 o.557 0.557115 O.558 o.55758 19 0.557 o.557196 o.557 0.55750 20 0.557 o.557277 O.557 O.55742 21 0.557 o.557348 O.557 O.55734 22 0.557 o.557429 O.557 o.55727 23 o.558 0.557501O O.557 O.55719 24 o.558 0.5575811 O.557 O.55711 25 0.558 o.5576612 0.557 o.55703 26 0.558 o.5577313 o.557 o.55695 27 o.558 o.5578114 O.557 o.55688 28 0.558 o.55789从表 3直观可见，分辨率可达 0.08 mm，优于当前投入式水位仪 1 mm的分辨率。当然，分辨率不仅撒于编码器的分辨率，也与浮子的直径相关，当浮子直径过小时，微小的水位变化产生的浮力不足以推动测量轮转动，产生启动误差(国家地震局科技监测司 ，1995)，而安装和调试要求也相对较高。目前采用的浮子直径为 10o mm，实测时未发现明显启动滞后的现象。

2.2 其他技术指示测试测试技术要求参照水位仪器 的技术 规范 (中国地震局 ，2001)和行业规范 (中国地震局 ，2OO6)。实验测试表明，其相对观测精度小于 0.2 9/6 Fs；动态响应速度大于 l m/s；采样率大于1 s；量程大于 10 m①。

本设计采用传统浮子测水位的方法，该方案具有零漂小的特点，根据多年的模拟水位观测结果认为其年漂(-年的零点漂移)能控制在 2 mm以内。当然，对于浮子数字水位仪零点漂移 的测试还需要长期 的台站观测资料来验证。

实验测试时进行两台仪器对比的连续观测实验，图4为 2011年 7月 14日和 15日连续观测试验的记录曲线，其中LN-3A水位仪记录曲线采用分钟值记录，浮子式数字水位仪记录曲线采用秒值记录。数据对比分析前 已进行零点和时间校正。

由图4(b)2011年 7月 15 Et测试曲线可见，水位仪在记录分钟值水位数据的同时记录 1Hz或更高采样速度的水震波数据。

当前水震波的数据应用得到较快发展，而取得高采样率的水震波数据是其分析研究的基础(任佳，2OO9)。目前地震前兆水位仪记录水震波数据普遍存在采样率低、记录的数据丢头现①居海华，等.浮子式数字水位仪研制与测试.江苏省地震局青年基金结题报告.2011132 地 震 地 磁 观 测 与 研 究 34卷象和仪器时间误差大等问题(顾申宜，2010)。设计的数据采集器采用 ARM嵌入式 Linux架构，可以实现高速度的数据采集和大容量数据的存储；智能型编码器输出刷新频率小于1 ms(表 1)，可以方便实现秒值的水位数据文件存储，甚至可以得到 100 Hz或更高采样率的水震波的事件数据。实验测试时采用 1 Hz的采样速度，数据曲线见图4。同时针对水震波分析应用对时间服务要求高的特点，预留 GPS拈接口(图 3)，可以实现高精度的时间服务(王翠芳 ，2010)。

乓g 3 结束语图4 水位测试曲线(a)2011年 7月 14日测试曲线；(b)2011年 7月 15日测试曲线Fig.4 Test curve of water level采用智能型绝对值多圈光电编码器的浮子式数字水位仪，能够满足地震前兆地下流体水位观测的要求。仪器应根据井口选用浮子，以减小因起动力矩不够或井壁粘滞产生的启动误差，大量程测量时应避免软钢丝互相缠绕，在多手段同井观测时还应考虑其他传感器电缆对浮子的影响，必要时可在浮子与 电缆之间增加辅助测量管 。