基于磁通測量的大壩水平位移監(jiān)測方法研究

摘要：

垂線測量技術簡單有效，因而在大壩水平位移監(jiān)測中得到了廣泛應用，然而面對大壩高濕、高粉塵的監(jiān)測環(huán)境，傳統(tǒng)監(jiān)測方法均有一定局限性。為此，提出了一種基于磁通測量的大壩水平位移監(jiān)測方法，從磁通量不受非鐵磁性介質(zhì)影響的原理出發(fā)，通過構(gòu)建合適的磁路，以磁通量作為媒介，將位移變化轉(zhuǎn)換為磁傳感器的電壓變化。根據(jù)實際需求設計了一種差分式磁通測量傳感器以減弱背景磁場的影響，采用迭代標定的數(shù)據(jù)擬合方法提高擬合精度。結(jié)合理論分析及室內(nèi)實驗，開發(fā)了適用于高濕度、高粉塵環(huán)境的磁通測量垂線坐標儀，實現(xiàn)了0.1 mm的精度，并在白鶴灘水電站開展應用測試。實驗及現(xiàn)場使用結(jié)果表明，基于磁通測量的大壩水平位移監(jiān)測方法可行，磁通測量垂線坐標儀在水電站現(xiàn)場運行狀況良好。

關" 鍵" 詞：

磁通測量； 水平位移； 安全監(jiān)測； 霍爾傳感器； 高濕度

中圖法分類號： TV698.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.032

收稿日期：

2024-01-04

；接受日期：

2024-03-02

基金項目：

國家自然科學基金青年基金項目（52209153）；中國長江三峽集團有限公司科研項目（202103471）；中國三峽建工（集團）有限公司科研項目（JGAJ0302222001）

作者簡介：

房寬達，男，工程師，博士，主要從事工程數(shù)字化方向研究。E-mail： fangkuanda@qq.com

通信作者：

張繼楷，男，高級工程師，博士，主要從事大壩安全監(jiān)測自動化研究。E-mail： zhangjk@mail.crsri.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0247-07

引用本文：

房寬達，張繼楷，姚孟迪，等.基于磁通測量的大壩水平位移監(jiān)測方法研究

［J］.人民長江，2024，55（7）：247-253.

0" 引 言

水平位移作為大壩在內(nèi)、外荷載和地基變形等因素作用下最直觀、有效的狀態(tài)反映，是大壩安全監(jiān)測中不可或缺的一部分［1-2］。對大壩水平位移展開監(jiān)測多采用如圖1所示的垂線法，常用的監(jiān)測儀器——垂線坐標儀，根據(jù)測量原理區(qū)分有CCD式［3］、電容式［4］、步進式［5］等，其原理及環(huán)境適應局限如表1所列?？梢钥闯?，目前常用的垂線坐標儀對環(huán)境都有一定要求，而大壩廊道通常是高濕度、高粉塵的環(huán)境（圖2），長期在此類環(huán)境下工作會造成測量不準確甚至儀器失效，產(chǎn)生險情誤報或漏報［6］。因此，研究適用于高濕度、高粉塵環(huán)境的大壩水平位移監(jiān)測方法對大壩長效可靠監(jiān)測具有重要意義。

目前關于傳統(tǒng)垂線坐標儀的研究主要集中于通信方式優(yōu)化［7］、功能全面化［8-9］以及智能化［10］等方面，而關于惡劣監(jiān)測環(huán)境對垂線坐標儀測量影響的研究較少。通過改進封裝，提高密封性等辦法，雖能在一定程度上緩解儀器部件腐蝕問題［11-12］，但受技術原理的限制，無法從根本上解決粉塵、水汽等對介質(zhì)介電常數(shù)及投影位置的影響，以致造成數(shù)據(jù)異常跳變的問題［13］，影響了大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性［14］。

基于上述背景，本文提出一種以磁通量作為傳感媒介的位移傳感方法：通過構(gòu)建合適的磁路，使得與位移正相關的空氣磁阻直接影響磁路磁通量，再通過磁傳感器測量磁通量進而可計算出位移值。由于磁通量的大小僅與磁路磁芯與被測物之間的距離和介質(zhì)的磁導率有關，而非鐵磁性介質(zhì)的磁導率均與空氣相同［15-16］。因此，將磁通測量位移傳感方法應用于大壩位移監(jiān)測中，可以從原理上消除大壩高濕度、高粉塵環(huán)境對位移測量的影響，為大壩水平位移監(jiān)測提供一種新的技術框架，解決水平位移監(jiān)測無法長效可靠運行的問題。

1" 磁通測量位移的傳感原理

磁通測量位移的傳感方法根據(jù)勵磁方式可分為交流法［17］和永磁法［18］兩種類型，其基本模型如圖3所示，基本傳感單元由勵磁組件（激勵線圈或永磁體）、傳感器（檢測線圈或霍爾傳感器）以及鐵芯構(gòu)成。其中，勵磁組件作為磁激勵源，磁感線由勵磁組件經(jīng)過磁芯、空氣或被測物回到勵磁組件，形成完整磁路。勵磁組件為磁路提供磁動勢，傳感器測量鐵芯處的磁通量或磁感應強度。當傳感器與被測物之間的位移變化時，傳感器與被測物之間的空氣磁阻隨之發(fā)生變化，使得主磁通改變，通過測量鐵芯的磁通量或磁感應強度變化，即可獲取位移的相關信息［19］。

在交流法中，是由交流電激勵產(chǎn)生交變電磁場的勵磁方式，這種方式會產(chǎn)生渦流效應，在鐵芯及被測物中產(chǎn)生抵抗原磁場的渦電流，影響測量精度、線性度等［17］。因此本文采用了永磁法。

以圖3（b）所示的永磁磁通測量位移傳感基本模型為例，在理想情況下分析霍爾傳感器測量的磁感應強度與位移之間的定性關系。根據(jù)磁路歐姆定律和等效磁路模型［20］列出方程組：

φ（Rc+2Ra+2RPM）=2A

Ra=lμS

φ=BSa

（1）

式中：φ為磁通量，Rc為鐵芯磁阻，Ra為傳感器與被測物之間的空氣磁阻，RPM為永磁體磁阻，A為永磁體磁動勢，l為位移值，S為空氣隙截面積，B為磁感應強度，Sa為鐵芯截面積。

根據(jù)式（1）可得：

B=2μSASa（μSRc+2μSRPM+2l）

（2）

因此，可得出霍爾傳感器測點的磁感應強度與位移之間的定性關系?？梢钥闯觯魻杺鞲衅鞯妮敵雠c位移呈負相關關系，即位移越大，其輸出越小。

2" 磁通測量垂線坐標儀設計

2.1" 傳感器設計

為簡化后續(xù)電路設計，增加霍爾傳感器工作范圍，設計了一種橋式永磁磁通測量位移傳感器，即在圖3（b）的基礎結(jié)構(gòu)上，增加了一組永磁體，形成推挽結(jié)構(gòu)。傳感器中永磁體A、C與永磁體B、D在鐵芯中形成反向磁場，當不存在被測物時，理想情況下霍爾傳感器處磁場強度為0，通過在非測量面增加合適的鐵芯增強反向磁場，使得霍爾傳感器工作在最大測量區(qū)間，獲取更大的磁感應強度測量范圍。同時，從制造工藝的角度看，橋式結(jié)構(gòu)便于檢測傳感器的一致性。

根據(jù)前述討論，對于磁通測量位移，霍爾傳感器的輸出電壓與被測物位移呈負相關關系，則靈敏度在位移最大處較小，對位移測量的精度影響較大。為此，針對水平面上兩個相互正交的測量方向（記為X方向及Y方向），在測量區(qū)間兩側(cè)分別布置了一組磁通測量傳感器，各傳感器測量面的永磁體均以相同的磁極相對，相對的兩組傳感器分別以差分的形式輸出，設計示意圖如圖5所示。這樣設計的優(yōu)勢在于可以盡量使得輸出與位移的關系接近線性；另一方面，差分結(jié)構(gòu)可以有效減弱背景磁場對測量帶來的影響。

2.2" 電路設計

磁通測量垂線坐標儀電路由主控板和霍爾傳感器電路板組成，電路結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。主控板包括微處理器、FLASH芯片、RTC實時時鐘芯片、溫濕度傳感器、通信模塊、電源管理模塊、AD采集模塊、信號放大及濾波電路。其中霍爾傳感器采用國產(chǎn)華芯HX6639D型號，靈敏度13 mV/Gs，電路放大倍數(shù)2.5倍。

2.3" 被測物設計

由于在大壩水平位移監(jiān)測中布設的鋼垂線較細，直徑通常僅1.5 mm左右，其所帶來的磁通變化較小，且垂線并非全部為鐵磁性材料，故在垂線上設置導磁鋼管以增強信號變化幅值。沿鋼管軸線方向開一細槽以便穿過垂線，鋼管兩端通過尼龍卡箍及分離固定環(huán)夾緊于垂線上，作為磁通測量垂線坐標儀的被測部件，其實物如圖7所示。

3" 驗證實驗

為了進一步驗證永磁磁通測量位移傳感方法的可行性，設計了驗證性實驗。以高導磁鋼管作為被測物，傳感器鐵芯材料選用硅鋼片，永磁體選用釹鐵硼磁鐵，相應尺寸參數(shù)如表2所列。傳感器外殼采用光敏樹脂3D打印的形式制作，鋁合金材料作為儀器底板，304不銹鋼作為儀器外殼，儀器內(nèi)部見圖8。

3.1" 實驗平臺

設計的磁感應垂線坐標儀測量范圍為60 mm×60 mm，為便于采集測量范圍內(nèi)磁感應位移傳感器的輸出電壓，開發(fā)了一套自動化校準裝置（圖9）。以前述鋼管為被測物，磁感應垂線坐標儀放置于自動化校準裝置，即實驗平臺上，通過軟件平臺發(fā)送控制指令控制步進電機，實現(xiàn)在水平面相互正交的X/Y兩個軸移動。安裝于X/Y軸的高精度光柵尺將實驗平臺的位移值反饋到軟件平臺，軟件平臺根據(jù)光柵尺讀數(shù)再次控制電機移動到更準確的設定位置，同時讀取磁感應位移傳感器的實時位移值。最后軟件平臺按照設置的采集間隔即可控制磁感應位移傳感器自動讀取測量區(qū)域內(nèi)的所有測值。其中，實驗平臺單軸行程300 mm，光柵尺精度5 μm。

3.2" 數(shù)據(jù)擬合

在自動化校準平臺分別設置兩個方向60 mm測量范圍，每間隔5 mm設置一個測點，實驗測量并記錄了169個測點的傳感器輸出電壓值，電壓-位移曲線如圖10所示。

由圖10可以看出：兩個方向傳感器不同路徑的輸出電壓-位移曲線趨勢一致，測值接近，且曲線較為平滑，采用多項式擬合可得到較小的誤差。針對圖10中的測量數(shù)據(jù)，如采用曲面擬合的方式，難以保證每個測點的擬合精度，因此提出一種迭代擬合的方式（圖11），將二維擬合問題降維，以保證擬合精度。其主要步驟為：

（1） 首先將測量區(qū)間沿X、Y方向等間距劃分為若干條網(wǎng)格線，獲取每個網(wǎng)格線上傳感器輸出電壓值，分別基于X方向傳感器的輸出電壓值與Y方向傳感器的輸出電壓值，進行多項式擬合，得到所有網(wǎng)格線的方向位移量與方向傳感器輸出的電壓值之間的標定方程。

（2） 垂線坐標儀執(zhí)行測量時，將傳感器電壓值分別代入兩個方向中心網(wǎng)格線對應的標定方程，計算得到位移值。

（3） 依據(jù)Y方向位移值選擇最近網(wǎng)格線的X方向標定方程，將X方向傳感器電壓值代入計算得到X方向位移迭代值；依據(jù)X方向位移值選擇最近網(wǎng)格線的Y方向標定方程，將Y方向傳感器電壓值代入計算得到Y(jié)方向位移迭代值。

（4） 以新的位移迭代值代入重復上一步驟，直至當前輸出位移迭代值與上一次迭代位移值相同，即得到測點位移值。

將圖10中的測量數(shù)據(jù)采用迭代擬合方法進行計算，得知X方向最大擬合誤差為0.031 7 mm，Y方向最大擬合誤差為0.037 9 mm。

3.3" 實驗測試

對樣機按上述方式進行標定擬合后，在實驗平臺上設定分別沿X、Y方向，間隔30 mm測量采集，得到磁通測量垂線坐標儀位移值與平臺位移讀數(shù)如表3所列。可以看出，基于磁通測量位移傳感方法及設計的磁通測量垂線坐標儀進行測量，結(jié)果最大絕對誤差為0.051 mm，精度較高。

將被測鋼管置于測量范圍中心，即設定平臺X方向位移為30 mm，Y方向位移為30 mm時，通過將垂線坐標儀置于30%～80%相對濕度下測試其示值，記錄如表4所列。

由表4看出，磁通測量位移傳感方法不受外界濕度變化影響，其示值的微小變化主要是受霍爾傳感器精度、電路噪聲及背景磁場噪聲的影響。磁通測量垂線坐標儀從原理上消除了非鐵磁性介質(zhì)對大壩水平位移測量的影響，適用于大壩高濕度高粉塵的監(jiān)測環(huán)境。

4" 現(xiàn)場應用

為觀察磁通測量垂線坐標儀在大壩廊道的實際監(jiān)測效果，在白鶴灘水電站18號壩段選擇一個正垂測點進行測試。同時安裝一臺CCD垂線坐標儀和一臺磁通測量垂線坐標儀（圖12），每隔1 h自動采集一次位移值，其中儀器X軸正方向?qū)野斗较?，Y軸正方向?qū)標鞣较?。為便于?shù)據(jù)比對，將位移過程線進行了平移，結(jié)果如圖13所示，兩種儀器測量的位移相對值在X方向最大誤差為0.09 mm，在Y方向最大誤差為0.07 mm。

5" 結(jié) 語

本文提出了一種適用于大壩水平位移監(jiān)測的磁通測量位移傳感方法，通過實驗室測試及現(xiàn)場應用，驗證了此方法的可行性，并有效消除了非鐵磁性介質(zhì)對測量結(jié)果的影響。同時，提出了一種迭代標定擬合的方法，提高了磁通測量傳感器電壓與位移的擬合精度。目前現(xiàn)場應用效果較好，但監(jiān)測時間較短，其長期穩(wěn)定性問題仍需密切關注。

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（編輯：胡旭東）

Research on horizontal displacement monitoring method for dams based on magnetic flux measurement

FANG Kuanda1，ZHANG Jikai2，YAO Mengdi3，YU Qi1，GAO Chao1

（1.China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China；" 2.Institute of Engineering Safety and Disaster Prevention，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；" 3.Three Gorges Construction Engineering Corporation，Beijing 101100，China）

Abstract：

Vertical line measurement technology has been widely used in dam horizontal displacement monitoring because of its simplicity and effectiveness.However，facing the high humidity and high dust monitoring environment，traditional monitoring methods have certain limitations.Therefore，a method of dam horizontal displacement monitoring based on magnetic flux measurement was proposed.In this method，based on the principle that magnetic flux is not affected by non-ferromagnetic medium，taking magnetic flux as medium，the displacement change was converted into the voltage change of magnetic sensor by constructing appropriate magnetic circuit.According to the actual demand，a differential flux measurement sensor was designed to weaken the influence of background magnetic field，and the data fitting method of iterative calibration was used to improve the fitting accuracy.Combined with theoretical analysis and laboratory test，a magnetic flux measurement vertical coordinate instrument suitable for high humidity and high dust environment，with an accuracy of 0.1 mm，was developed，and then was used in Baihetan Hydropower Station.The experimental and field application results showed that the method of dam horizontal displacement monitoring based on magnetic flux measurement was feasible，and the magnetic flux measurement vertical coordinate instrument is in good operation at the site of hydropower stations.

Key words：

magnetic flux measurement； horizontal displacement； safety monitoring； Hall sensor； high humidity