大量程水電監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

夏 明，李 杰，劉敏飛，鄭水華

（南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211100）

大量程水電監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

夏 明，李 杰，劉敏飛，鄭水華

（南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211100）

隨著高壩大庫(kù)電站及抽水蓄能電站的興建，對(duì)安全監(jiān)測(cè)所需傳感器的量程提出了更高的要求。本文基于目前水電安全監(jiān)測(cè)常用的差動(dòng)電阻式、振弦式傳感器，涵蓋位移、應(yīng)變、應(yīng)力3種狀態(tài)量監(jiān)測(cè)的儀器，在分析其研究現(xiàn)狀及測(cè)量工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探求拓展能夠滿足高壩大庫(kù)安全監(jiān)測(cè)需求的大量程傳感器的設(shè)計(jì)，并成功地在多個(gè)水電工程項(xiàng)目上應(yīng)用。

大量程傳感器；差阻傳感器；振弦式傳感器；安全監(jiān)測(cè)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)水資源十分豐富的國(guó)家。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源需求會(huì)日益增長(zhǎng)，而充分地利用水資源，將會(huì)帶來(lái)可靠的能源保障。在水電技術(shù)不斷成熟的今天，高壩大庫(kù)型的水電站及抽水蓄能電站將會(huì)逐步增多[1][2]，對(duì)傳感器的量程和精度提出了更高的要求。隨著錦屏、三峽、小灣、仙居、溧陽(yáng)等一批高壩大庫(kù)水電站或高水頭抽水蓄能電站的興建，對(duì)大量程位移、應(yīng)力及應(yīng)變傳感器需求快速增加，而國(guó)內(nèi)外該類(lèi)監(jiān)測(cè)仍然停留在人工測(cè)量或基本沒(méi)有，因此解決傳感器大量程、高精度已成為必須研究的課題。

1 水電監(jiān)測(cè)傳感器現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有傳感器研制概況

差動(dòng)電阻式傳感器是美國(guó)加州加利福尼亞大學(xué)的卡爾遜教授在1932年研制成功的，因此，又被稱(chēng)為卡爾遜式儀器[3]。差阻式傳感器具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始進(jìn)行研制，到20世紀(jì)60年代后期，研制成功了第一批差阻式小應(yīng)變計(jì)、位移計(jì)、鋼筋應(yīng)力計(jì)，并且使傳感器性能和產(chǎn)品質(zhì)量都達(dá)到了實(shí)用水平[4][5]。之后經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，傳感器的生產(chǎn)工藝及工程應(yīng)用都已經(jīng)比較成熟，但此后在傳感器量程提升、新產(chǎn)品研發(fā)及新技術(shù)應(yīng)用方面一直進(jìn)展不大，無(wú)法滿足高壩大庫(kù)對(duì)大量程差阻類(lèi)傳感器的需求。

振弦式傳感器的關(guān)鍵部件為一張緊鋼弦，其具有外形精致、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，以及對(duì)電纜要求低的特點(diǎn)[6][7]。國(guó)外水電監(jiān)測(cè)傳感器大都以振弦式為主。我國(guó)20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，但大多數(shù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家在材料及制造方法和工藝方面都與國(guó)外廠家存在一定差距，在國(guó)內(nèi)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)未能得到廣泛應(yīng)用。由于歐美大壩已基本停建，進(jìn)口傳感器廠家在研發(fā)中投入很少，幾乎沒(méi)有新品推出，目前國(guó)內(nèi)外振弦式位移傳感器最大量程200mm，應(yīng)變傳感器最大量程3000με，無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)高壩大庫(kù)對(duì)大量程振弦式傳感器的需求。

1.2 大量程位移、應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)概況

目前，在常規(guī)的水電監(jiān)測(cè)方面均有相應(yīng)量程的傳感器并已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，確保水電工程監(jiān)測(cè)能實(shí)現(xiàn)全天候、實(shí)時(shí)性、不受人為和環(huán)境影響的高精度測(cè)量。但是對(duì)于大量程傳感器的監(jiān)測(cè)需求方面，因無(wú)相應(yīng)量程的傳感器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，主要采用人工觀測(cè)或通過(guò)監(jiān)測(cè)其他參數(shù)進(jìn)行換算的方法實(shí)現(xiàn)，如采用鋼板尺或卡尺對(duì)需要位移監(jiān)測(cè)的部位人工觀測(cè)；采用應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)對(duì)鋼筋應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)從而推算出鋼筋所受應(yīng)力狀態(tài)；采用小量程位移傳感器監(jiān)測(cè)鋼索大量程應(yīng)變所產(chǎn)生的位移量進(jìn)而換算成鋼索的應(yīng)變等方式。但是上述方法因存在人為觀測(cè)誤差、間接測(cè)量引入中間誤差、位移測(cè)量分辨率較低等問(wèn)題，其安全監(jiān)測(cè)存在較大局限性和較低的準(zhǔn)確度，無(wú)法推廣應(yīng)用。

2 幾種主要大量程傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 大量程差阻位移計(jì)

如圖1所示，為傳統(tǒng)差阻位移計(jì)敏感部件示意圖，主要采用兩根并排的拉桿做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在位移計(jì)中常采用力學(xué)拉簧與鋼絲串聯(lián)，以擴(kuò)大拉桿相對(duì)移動(dòng)的范圍。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是加工制作方便，缺點(diǎn)是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一致性和平行度在滿量程過(guò)程中很難保證，在應(yīng)變范圍及小量程的位移范圍內(nèi)，尚可調(diào)節(jié)，但是在大量程范圍內(nèi)，常出現(xiàn)拉桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重偏離平行度或者卡死的現(xiàn)象，導(dǎo)致儀器性能指標(biāo)不合格，目前，該種結(jié)構(gòu)的位移計(jì)能做到的最大量程是40mm，做到量程大于100mm的差動(dòng)電阻式位移計(jì)較為困難。

圖1 傳統(tǒng)差阻位移計(jì)敏感部件示意圖

圖2 大量程差動(dòng)電阻式位移計(jì)敏感部件結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 大量程差阻式位移計(jì)樣機(jī)

為突破差動(dòng)電阻式位移計(jì)量程范圍，必須改變現(xiàn)有敏感部件結(jié)構(gòu)，如圖2所示，為設(shè)計(jì)的大量程差動(dòng)電阻式位移計(jì)敏感部件結(jié)構(gòu)示意圖，該敏感部件突破了傳統(tǒng)差阻敏感部件的結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)外嵌套拉桿的方式，該方式要求兩根拉桿具有較高的同心度，同時(shí)有較高的間隙配合精度。該種結(jié)構(gòu)能確保在大量程移動(dòng)范圍內(nèi)，差阻位移計(jì)測(cè)量的一致性及得到較高的性能指標(biāo)，目前南瑞集團(tuán)公司已經(jīng)可以生產(chǎn)量程在400mm以上的超大量程差阻位移計(jì)。如圖3所示，為實(shí)際研制的大量程差阻式位移計(jì)，測(cè)量范圍為0～400mm。

以量程為400mm的大量程差阻位移計(jì)為例，從型式試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看具有較高的性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 大量程差阻位移計(jì)（量程為400mm）性能測(cè)試結(jié)果

2.2 大量程振弦式位移計(jì)

如圖4所示，為振弦式位移計(jì)敏感部件示意圖，其主要結(jié)構(gòu)為滑桿在護(hù)管內(nèi)的相對(duì)移動(dòng)來(lái)改變鋼弦所受到的拉力，并通過(guò)高精度力學(xué)拉簧擴(kuò)大滑桿移動(dòng)范圍，達(dá)到所需的位移量程。因此，護(hù)管與滑桿的配合精度決定了儀器本身性能的優(yōu)劣。本次設(shè)計(jì)的大量程振弦式位移計(jì)設(shè)計(jì)量程在500mm以上，護(hù)管與滑桿的配合長(zhǎng)度均超過(guò)800mm，在如此大長(zhǎng)度范圍內(nèi)始終保持護(hù)管與滑桿的高精度配合，具有較大難度，傳統(tǒng)加工工藝已無(wú)法實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)敏感部件的主要配合部件均采用特殊工藝加工，并對(duì)尺寸、形位精度（防止間隙過(guò)大）及表面粗糙度（要求在0.1以下）提出了較高的要求，最終反復(fù)測(cè)試，滿足了設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求。如圖5所示，為實(shí)際研制的大量程振弦式位移計(jì)樣機(jī)，測(cè)量范圍為0～500mm。

以量程為500mm的大量程振弦式位移計(jì)為例，從型式試驗(yàn)結(jié)果分析具有較高的性能指標(biāo)，如表2所示。

2.3 大量程振弦式應(yīng)變計(jì)

現(xiàn)有振弦式應(yīng)變計(jì)的敏感部件如圖6所示，在兩個(gè)固定端頭之間張緊一根鋼弦，兩個(gè)固定端頭的應(yīng)變直接作用在鋼弦上，帶動(dòng)鋼弦發(fā)生微小的位移從而改變鋼弦所承受的拉力和固有頻率。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是鋼弦直接反應(yīng)初始應(yīng)變，測(cè)值準(zhǔn)確度較高，儀器性能指標(biāo)較好，但是由于鋼弦直接承受儀器所產(chǎn)生的位移，因此無(wú)法制作大量程的應(yīng)變計(jì)?，F(xiàn)有振弦式應(yīng)變計(jì)的滿量程輸出都在4000με以內(nèi)（以標(biāo)距150mm計(jì)算，鋼弦實(shí)際形變量為0.6mm），已基本達(dá)到鋼弦的形變極限，無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)展量程，制作20000με（以標(biāo)距150mm計(jì)算，鋼弦實(shí)際形變量為3mm）以上的振弦式應(yīng)變計(jì)。

圖4 振弦式位移計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 大量程弦式位移計(jì)樣機(jī)

圖6 現(xiàn)有振弦式應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 大量程振弦式應(yīng)變計(jì)敏感部件示意圖

為進(jìn)一步擴(kuò)展振弦式應(yīng)變計(jì)的量程，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了大量程振弦式應(yīng)變計(jì)的敏感部件，如圖7所示，為大量程振弦式應(yīng)變計(jì)敏感部件示意圖，該敏感部件在鋼弦張拉在兩個(gè)固定端頭之間增加了一個(gè)高強(qiáng)度、高精度的力學(xué)拉簧，一方面擴(kuò)展了振弦式應(yīng)變計(jì)的形變量（形變量可以達(dá)到2mm），以擴(kuò)展應(yīng)變計(jì)量程；另一方面確保儀器具有較高的靈敏度。如圖8所示，為實(shí)際研制的大量程振弦式應(yīng)變計(jì)，測(cè)量范圍為0～20000με。

表2 大量程振弦式位移計(jì)（量程為500mm）性能測(cè)試結(jié)果

以量程為20000με（標(biāo)距為150mm）的大量程振弦式應(yīng)變計(jì)為例，從型式試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看具有較高的性能指標(biāo)，如表3所示。

2.4 大量程振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)

所設(shè)計(jì)的大量程鋼筋應(yīng)力計(jì)要求滿量程輸出為400MPa。傳統(tǒng)鋼筋應(yīng)力計(jì)的輸出在200MPa、300MPa或350MPa。采用不同等級(jí)的螺紋鋼或者45號(hào)鋼等即可滿足要求。但是大量程鋼筋應(yīng)力計(jì)的滿量程輸出已經(jīng)超出普通材料的抗拉強(qiáng)度極限或線性變化范圍，需要選擇合適的材料滿足鋼筋應(yīng)力計(jì)大量程的需求，同時(shí)又具有較高的線性、重復(fù)性，較低的滯后性和較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)各種材料的試驗(yàn)包括熱處理試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)、加工測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試及儀器的性能測(cè)試等，最終確定了合適的材料。如圖9所示，為實(shí)際研制的大量程振弦式鋼筋計(jì)（鋼筋規(guī)格為φ25），量程為0～400MPa。

圖8 大量程振弦式應(yīng)變計(jì)樣機(jī)

圖9 大量程振弦式鋼筋計(jì)樣機(jī)

以量程為400MPa（鋼筋外徑為φ25）的大量程振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)為例，從型式試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看具有較高的性能指標(biāo)，如表4所示。

表3 大量程振弦式應(yīng)變計(jì)（量程為20000με）性能測(cè)試結(jié)果

表4 大量程振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)（量程為400MPa）性能測(cè)試結(jié)果

3 大量程傳感器的工程應(yīng)用

南京南瑞集團(tuán)公司大量程水電監(jiān)測(cè)傳感器自2012年開(kāi)始研制生產(chǎn)，已經(jīng)陸續(xù)在諸如新疆大西溝水庫(kù)、柳樹(shù)溝水庫(kù)、錦屏水電站、溧陽(yáng)抽蓄電站、仙居抽蓄電站、梨園水庫(kù)等多個(gè)工程項(xiàng)目中投入使用，近兩年左右的應(yīng)用實(shí)踐表明，大量程水電監(jiān)測(cè)傳感器具有較高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，完全能夠適用于大量程狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。如圖10～圖13所示，為部分大量程傳感器在溧陽(yáng)抽水蓄能電站、錦屏水電站、大西溝水庫(kù)等工程現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期測(cè)值過(guò)程曲線。

上述大量程傳感器長(zhǎng)期測(cè)值曲線無(wú)明顯突變，測(cè)值穩(wěn)定，測(cè)值趨勢(shì)平穩(wěn)，此外，大量程位移類(lèi)傳感器與項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)定期的人工測(cè)值相對(duì)比，其變化趨勢(shì)及準(zhǔn)確度具有較高的一致性。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）所設(shè)計(jì)的大量程傳感器涉及差阻位移計(jì)、振弦式位移計(jì)、振弦式應(yīng)變計(jì)、振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)4種常用傳感器，基本能夠滿足高壩大庫(kù)在大量程位移、應(yīng)變、應(yīng)力的監(jiān)測(cè)需求。

圖10 NZJ-400大量程差阻位移計(jì)測(cè)量絕對(duì)位移量（單位：mm）

圖11 NVJ-500弦式位移計(jì)長(zhǎng)期測(cè)量絕對(duì)位移量（單位：mm）

圖12 NVS-20000大量程弦式應(yīng)變計(jì)長(zhǎng)期應(yīng)變量測(cè)值（單位：με）

圖13 NVR-25大量程振弦式鋼筋計(jì)（400MPa）長(zhǎng)期應(yīng)力測(cè)值（單位：MPa）

（2）改變了大量程位移、應(yīng)變及應(yīng)力等測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的被動(dòng)局面，填補(bǔ)了該項(xiàng)傳感器在國(guó)內(nèi)的空白。

（3）多個(gè)水電監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果表明大量程水電監(jiān)測(cè)傳感器性能穩(wěn)定，測(cè)值正常，后續(xù)將繼續(xù)跟蹤觀測(cè)，考察該類(lèi)傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

[1]龐瓊，王士軍，等.世界已建高壩大庫(kù)統(tǒng)計(jì)分析.水利水電科技發(fā)展，2012（6）：34-37.

[2]鈕新強(qiáng).復(fù)雜自然條件下高壩安全及其對(duì)策.高壩大庫(kù)安全建設(shè)與風(fēng)險(xiǎn)管理高端論壇，2011：106-113.

[3]儲(chǔ)海寧，張德康.差阻式儀器的發(fā)展和應(yīng)用.大壩與安全，2005（5）：44-48.

[4]趙斌，呂剛.差動(dòng)電阻式儀器的發(fā)展與改進(jìn).工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，2006：39-45.

[5]張進(jìn)平，黎利兵，盧正超.大壩安全監(jiān)測(cè)研究的回顧與展望.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008（4）：317-322.

[6]潘妍，王茜.基于振弦式傳感器的測(cè)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2008（11）：99-103.

[7]賀虎，王萬(wàn)順，等.振弦式傳感器激振策略優(yōu)化.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010（11）：74-77.

夏 明（1984—），男，工程師，主要研究方向：儀器儀表及傳感器技術(shù)。E-mail：xiaming@sgepri.sgcc.com.cn

李 杰（1981—），男，工程師，主要研究方向：大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)、水文巖土工程儀器及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。E-mail：li-jie@sgepri.sgcc.com.cn

劉敏飛（1955—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：差阻式傳感器的研制和檢測(cè)技術(shù)。E-mail：liuminfei@sgepri.sgcc.com.cn

鄭水華（1978—），男，工程師，主要研究方向：大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)、水文巖土工程儀器及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。E-mail：zhengshuihua@sgepri.sgcc.com.cn

Several Large Scale Sensors Design for the Demand of High Dam Safety Monitoring and Application

XIA Ming，LI Jie，LIU Minfei，ZHENG Shuihua
（NARI Group Corporation，Nanjing 211000，China）

With the construction of high dam power station and pumped storage power station，the sensors of larger scale are used for high dam safety monitoring.Based on the current dam safety monitoring used for common differential resistance，vibrating wire sensors，and involving the three states of the instrument of displacement，strain gages，strain gauges to monitor，the page further seeks to expand to meet the large scale of high dam safety monitoring needs，based on the analysis the sensors’ measurement principle and research on the status of work and Successfully applied to many hydropower projects.

large scale sensors；differential resistance sensor；vibrating wire sensor；monitoring for dam safety