MEMS固定式傾斜儀測(cè)值偏差原因分析

何領(lǐng)軍,張雪芳,崔玉璽

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計(jì)院,成都 611730)

0 前 言

西藏多布水電站工程位于西藏自治區(qū)林芝市，主要任務(wù)為發(fā)電，裝機(jī)容量4×30 MW。工程樞紐由土工膜防滲砂礫石壩、左岸泄洪閘及生態(tài)放水孔、引水發(fā)電系統(tǒng)、左副壩及魚(yú)道等建筑物組成。該電站為目前中國(guó)深厚覆蓋層上最高的重力式閘壩，最大壩高47.3 m。 其防滲結(jié)構(gòu)主要為懸掛式混凝土防滲墻，混凝土防滲墻體變形對(duì)壩體防滲系統(tǒng)極其重要。

MEMS固定式傾斜儀，是基于微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems)的一種傾角測(cè)量?jī)x器，與傳統(tǒng)的傾角測(cè)量?jī)x器(伺服加速度計(jì)式、電解液式傾角傳感器)相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、集成度高和智能化的特點(diǎn)，越來(lái)越多的應(yīng)用在水工監(jiān)測(cè)行業(yè)。多布水電站為監(jiān)測(cè)混凝土防滲墻的變形，共設(shè)計(jì)4個(gè)測(cè)斜斷面，分別布置在泄洪閘壩段防滲墻、左副壩壩段防滲墻和砂礫石壩段防滲墻。采用美國(guó)基康生產(chǎn)的MEMS-6150型雙軸固定式傾斜儀，儀器共計(jì)42支。

MEMS傳感器式固定式傾斜儀現(xiàn)場(chǎng)安裝后，測(cè)值較為穩(wěn)定，但分別在某一時(shí)間點(diǎn)后測(cè)值出現(xiàn)較大偏差，數(shù)據(jù)過(guò)程線(xiàn)出現(xiàn)明顯的突變，如圖1所示。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查證，在排除防滲墻發(fā)生較大變形的可能和測(cè)量?jī)x表自身的問(wèn)題后，確認(rèn)測(cè)值的偏差主要是由加長(zhǎng)電纜引起，而廠(chǎng)家儀器安裝說(shuō)明書(shū)關(guān)于電纜加長(zhǎng)對(duì)測(cè)值偏差的影響未作出任何說(shuō)明，也未給出修正方法，因此，如何對(duì)已安裝的固定式傾斜儀測(cè)值進(jìn)行修正，修正值的數(shù)值如何確定成為一個(gè)難題。

2 MEMS固定式傾斜儀測(cè)值偏差分析

MEMS固定式傾斜儀的工作原理：傳感器中密封了MEMS微機(jī)電傳感器，當(dāng)傳感器傾角發(fā)生變化，其相應(yīng)輸出電壓信號(hào)發(fā)生變化。傳感器電纜中紅和紅黑電纜芯線(xiàn)負(fù)責(zé)給MEMS傳感器提供12VDC的電源，白和白黑芯線(xiàn)負(fù)責(zé)測(cè)量A軸輸出電壓信號(hào)、綠和綠黑芯線(xiàn)負(fù)責(zé)測(cè)量B軸輸出電壓信號(hào)、藍(lán)和藍(lán)黑芯線(xiàn)負(fù)責(zé)測(cè)量熱敏電阻值。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖1 MEMS-6150固定式傾斜儀加長(zhǎng)電纜數(shù)據(jù)突變圖

圖2 MEMS-6150固定式傾斜儀結(jié)構(gòu)原理圖

從圖2可知，在傳感器電纜長(zhǎng)度大幅改變后，經(jīng)由電源電纜提供的12VDC激勵(lì)電壓在到達(dá)MEMS傳感器后，會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，故經(jīng)由信號(hào)電纜輸出的電壓信號(hào)在測(cè)量?jī)x表量測(cè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，具體表現(xiàn)為：通信距離增加，輸出電壓信號(hào)增大；通信距離減小，輸出電壓減小。

為對(duì)此種偏差進(jìn)行量化，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)方法：① 固定1支MEMS-6150傳感器，確保其穩(wěn)定不動(dòng)；② 對(duì)不同長(zhǎng)度的原廠(chǎng)儀器電纜，進(jìn)行實(shí)測(cè)芯線(xiàn)電阻。采用同一個(gè)儀表，測(cè)量其測(cè)值；③ 分析電纜長(zhǎng)度對(duì)測(cè)值偏差的影響。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用同一型號(hào)的電纜，因MEMS固定式傾斜儀的電纜供電芯線(xiàn)和信號(hào)芯線(xiàn)截面積不同，電阻值不同，為便于分析，采用了分析電纜長(zhǎng)度與輸出電壓信號(hào)的關(guān)系。

表1 MEMS-6150固定傾斜儀加長(zhǎng)電纜數(shù)據(jù)偏差試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

注：① 環(huán)境溫度，20.2 ℃,傳感器型號(hào)：美國(guó)基康MEMS-6150；② 傳感器序列號(hào)：SN 1233925；③ 測(cè)量?jī)x表型號(hào)：美國(guó)基康RB-500；④ 測(cè)量?jī)x表序列號(hào)：122748；⑤ 電纜采用：基康 BGK04-375V9 (6×0.4+2×0.6) mm2型號(hào)屏蔽控制電纜。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析電纜長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)電壓值的關(guān)系，可知：電纜長(zhǎng)度和A軸電壓信號(hào)的實(shí)測(cè)關(guān)系公式為：

Y=KX+C

(1)

式中：Y為不同電纜長(zhǎng)度下實(shí)測(cè)A軸電壓信號(hào)值；K為線(xiàn)性系數(shù)；X為不同的電纜長(zhǎng)度；C為常數(shù)；

由試驗(yàn)原理來(lái)看，在保持傳感器穩(wěn)定不動(dòng)，即傳感器傾角不變的情況下，其電壓信號(hào)測(cè)值在理想狀況下也應(yīng)穩(wěn)定不變，但實(shí)際測(cè)量其輸出電壓信號(hào)與電纜長(zhǎng)度呈正比關(guān)系，且電壓信號(hào)隨著電纜長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增大。

故式(1)中，在電纜長(zhǎng)度為X0(未加長(zhǎng)電纜)情況下Y0=KX0+C，在電纜長(zhǎng)度為X1(加長(zhǎng)電纜后) 情況下Y1=KX1+C，且假設(shè)加長(zhǎng)電纜對(duì)測(cè)值沒(méi)有影響，Y0=Y1成立。

故可推導(dǎo)

Y0-Y1=K×(X0-X1)

(2)

由式(2)可知，為修正加長(zhǎng)電纜對(duì)其電壓測(cè)值的影響，實(shí)際測(cè)值中必須扣除其偏差值，為方便理解，式(2)推導(dǎo)公式可改為：

VT=VC-K×(LC-LO)

(3)

式中：VT為修正后測(cè)值真實(shí)測(cè)值；VC為加長(zhǎng)電纜后實(shí)際測(cè)值；K為修正系數(shù)；LC為當(dāng)前電纜長(zhǎng)度；LO為原始電纜長(zhǎng)度。

利用公式(3),確定本工程MEMS固定式傾斜儀A軸修正系數(shù)K=0.000 798，B軸修正系數(shù)K=0.000 796，用上述修正系數(shù)檢驗(yàn)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表2。

表2 MEMS-6150固定式傾斜儀加長(zhǎng)電纜數(shù)據(jù)偏差試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正表

通過(guò)表2可以看出，經(jīng)偏差修正后，電纜加長(zhǎng)后的測(cè)值與未加長(zhǎng)電纜時(shí)儀器測(cè)值比較吻合，基本消除了加長(zhǎng)電纜對(duì)固定式測(cè)斜儀測(cè)值的影響，其數(shù)據(jù)偏差在±0.003 V范圍內(nèi)，通過(guò)計(jì)算可知，對(duì)MEMS-6150固定式傾斜儀計(jì)算結(jié)果的影響小于±1 mm。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，基于MEMS微機(jī)電系統(tǒng)的傾角測(cè)量?jī)x器，在其安裝過(guò)程中，需計(jì)算電纜長(zhǎng)度對(duì)傾斜測(cè)值的影響，但其根本原因，是電纜加長(zhǎng)后電纜芯線(xiàn)電阻值的變化對(duì)電壓測(cè)值的影響。

因此，MEMS固定式傾斜儀，需在進(jìn)行儀器首次安裝時(shí)，將儀器電纜一次加長(zhǎng)至連接到終端所需長(zhǎng)度，避免二次加長(zhǎng)對(duì)相對(duì)傾斜計(jì)算結(jié)果的影響；如后期二次加長(zhǎng)電纜，需采用同一型號(hào)的電纜，采取現(xiàn)場(chǎng)分析計(jì)算電纜長(zhǎng)度(電纜電阻)對(duì)電壓測(cè)值的修正系數(shù)，修正測(cè)值，否則會(huì)造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的突變，引起對(duì)建筑物變形趨勢(shì)的誤判。

本次試驗(yàn)，彌補(bǔ)了傳感器廠(chǎng)家對(duì)MEMS固定式傾斜儀電纜加長(zhǎng)對(duì)測(cè)值偏差修正的漏洞，為此類(lèi)傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝和資料分析提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒和方法指導(dǎo)。

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