大量程水電監測傳感器設計及應用

夏 明，李 杰，劉敏飛，鄭水華

（南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211100）

大量程水電監測傳感器設計及應用

夏 明，李 杰，劉敏飛，鄭水華

（南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211100）

隨著高壩大庫電站及抽水蓄能電站的興建，對安全監測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測常用的差動電阻式、振弦式傳感器，涵蓋位移、應變、應力3種狀態量監測的儀器，在分析其研究現狀及測量工作原理的基礎上，進一步探求拓展能夠滿足高壩大庫安全監測需求的大量程傳感器的設計，并成功地在多個水電工程項目上應用。

大量程傳感器；差阻傳感器；振弦式傳感器；安全監測

0 引言

我國是一個水資源十分豐富的國家。隨著國家經濟的不斷發展，能源需求會日益增長，而充分地利用水資源，將會帶來可靠的能源保障。在水電技術不斷成熟的今天，高壩大庫型的水電站及抽水蓄能電站將會逐步增多[1][2]，對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、溧陽等一批高壩大庫水電站或高水頭抽水蓄能電站的興建，對大量程位移、應力及應變傳感器需求快速增加，而國內外該類監測仍然停留在人工測量或基本沒有，因此解決傳感器大量程、高精度已成為必須研究的課題。

1 水電監測傳感器現狀

1.1 現有傳感器研制概況

差動電阻式傳感器是美國加州加利福尼亞大學的卡爾遜教授在1932年研制成功的，因此，又被稱為卡爾遜式儀器[3]。差阻式傳感器具有長期穩定性好、使用壽命長等特點，我國從20世紀50年代開始進行研制，到20世紀60年代后期，研制成功了第一批差阻式小應變計、位移計、鋼筋應力計，并且使傳感器性能和產品質量都達到了實用水平[4][5]。之后經過不斷改進，傳感器的生產工藝及工程應用都已經比較成熟，但此后在傳感器量程提升、新產品研發及新技術應用方面一直進展不大，無法滿足高壩大庫對大量程差阻類傳感器的需求。

振弦式傳感器的關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，以及對電纜要求低的特點[6][7]。國外水電監測傳感器大都以振弦式為主。我國20世紀70年代開始研制，但大多數國內生產廠家在材料及制造方法和工藝方面都與國外廠家存在一定差距，在國內安全監測領域內未能得到廣泛應用。由于歐美大壩已基本停建，進口傳感器廠家在研發中投入很少，幾乎沒有新品推出，目前國內外振弦式位移傳感器最大量程200mm，應變傳感器最大量程3000με，無法滿足國內高壩大庫對大量程振弦式傳感器的需求。

1.2 大量程位移、應力、應變監測概況

目前，在常規的水電監測方面均有相應量程的傳感器并已實現了自動化，確保水電工程監測能實現全天候、實時性、不受人為和環境影響的高精度測量。但是對于大量程傳感器的監測需求方面，因無相應量程的傳感器，無法實現自動化監測，主要采用人工觀測或通過監測其他參數進行換算的方法實現，如采用鋼板尺或卡尺對需要位移監測的部位人工觀測；采用應變片或應變計對鋼筋應變進行監測從而推算出鋼筋所受應力狀態；采用小量程位移傳感器監測鋼索大量程應變所產生的位移量進而換算成鋼索的應變等方式。但是上述方法因存在人為觀測誤差、間接測量引入中間誤差、位移測量分辨率較低等問題，其安全監測存在較大局限性和較低的準確度，無法推廣應用。

2 幾種主要大量程傳感器的設計

2.1 大量程差阻位移計

如圖1所示，為傳統差阻位移計敏感部件示意圖，主要采用兩根并排的拉桿做相對運動，同時在位移計中常采用力學拉簧與鋼絲串聯，以擴大拉桿相對移動的范圍。這種結構的特點是加工制作方便，缺點是相對運動的一致性和平行度在滿量程過程中很難保證，在應變范圍及小量程的位移范圍內，尚可調節，但是在大量程范圍內，常出現拉桿相對運動嚴重偏離平行度或者卡死的現象，導致儀器性能指標不合格，目前，該種結構的位移計能做到的最大量程是40mm，做到量程大于100mm的差動電阻式位移計較為困難。

圖1 傳統差阻位移計敏感部件示意圖

圖2 大量程差動電阻式位移計敏感部件結構示意圖

圖3 大量程差阻式位移計樣機

為突破差動電阻式位移計量程范圍，必須改變現有敏感部件結構，如圖2所示，為設計的大量程差動電阻式位移計敏感部件結構示意圖，該敏感部件突破了傳統差阻敏感部件的結構，采用內外嵌套拉桿的方式，該方式要求兩根拉桿具有較高的同心度，同時有較高的間隙配合精度。該種結構能確保在大量程移動范圍內，差阻位移計測量的一致性及得到較高的性能指標，目前南瑞集團公司已經可以生產量程在400mm以上的超大量程差阻位移計。如圖3所示，為實際研制的大量程差阻式位移計，測量范圍為0～400mm。

以量程為400mm的大量程差阻位移計為例，從型式試驗結果來看具有較高的性能指標，如表1所示。

表1 大量程差阻位移計（量程為400mm）性能測試結果

2.2 大量程振弦式位移計

如圖4所示，為振弦式位移計敏感部件示意圖，其主要結構為滑桿在護管內的相對移動來改變鋼弦所受到的拉力，并通過高精度力學拉簧擴大滑桿移動范圍，達到所需的位移量程。因此，護管與滑桿的配合精度決定了儀器本身性能的優劣。本次設計的大量程振弦式位移計設計量程在500mm以上，護管與滑桿的配合長度均超過800mm，在如此大長度范圍內始終保持護管與滑桿的高精度配合，具有較大難度，傳統加工工藝已無法實現。本次設計敏感部件的主要配合部件均采用特殊工藝加工，并對尺寸、形位精度（防止間隙過大）及表面粗糙度（要求在0.1以下）提出了較高的要求，最終反復測試，滿足了設計性能指標要求。如圖5所示，為實際研制的大量程振弦式位移計樣機，測量范圍為0～500mm。

以量程為500mm的大量程振弦式位移計為例，從型式試驗結果分析具有較高的性能指標，如表2所示。

2.3 大量程振弦式應變計

現有振弦式應變計的敏感部件如圖6所示，在兩個固定端頭之間張緊一根鋼弦，兩個固定端頭的應變直接作用在鋼弦上，帶動鋼弦發生微小的位移從而改變鋼弦所承受的拉力和固有頻率。這種結構的特點是鋼弦直接反應初始應變，測值準確度較高，儀器性能指標較好，但是由于鋼弦直接承受儀器所產生的位移，因此無法制作大量程的應變計。現有振弦式應變計的滿量程輸出都在4000με以內（以標距150mm計算，鋼弦實際形變量為0.6mm），已基本達到鋼弦的形變極限，無法進一步擴展量程，制作20000με（以標距150mm計算，鋼弦實際形變量為3mm）以上的振弦式應變計。

圖4 振弦式位移計結構示意圖

圖5 大量程弦式位移計樣機

圖6 現有振弦式應變計結構示意圖

圖7 大量程振弦式應變計敏感部件示意圖

為進一步擴展振弦式應變計的量程，專門設計了大量程振弦式應變計的敏感部件，如圖7所示，為大量程振弦式應變計敏感部件示意圖，該敏感部件在鋼弦張拉在兩個固定端頭之間增加了一個高強度、高精度的力學拉簧，一方面擴展了振弦式應變計的形變量（形變量可以達到2mm），以擴展應變計量程；另一方面確保儀器具有較高的靈敏度。如圖8所示，為實際研制的大量程振弦式應變計，測量范圍為0～20000με。

表2 大量程振弦式位移計（量程為500mm）性能測試結果

以量程為20000με（標距為150mm）的大量程振弦式應變計為例，從型式試驗結果來看具有較高的性能指標，如表3所示。

2.4 大量程振弦式鋼筋應力計

所設計的大量程鋼筋應力計要求滿量程輸出為400MPa。傳統鋼筋應力計的輸出在200MPa、300MPa或350MPa。采用不同等級的螺紋鋼或者45號鋼等即可滿足要求。但是大量程鋼筋應力計的滿量程輸出已經超出普通材料的抗拉強度極限或線性變化范圍，需要選擇合適的材料滿足鋼筋應力計大量程的需求，同時又具有較高的線性、重復性，較低的滯后性和較好的長期穩定性。通過對各種材料的試驗包括熱處理試驗、力學性能試驗、加工測試、穩定性測試及儀器的性能測試等，最終確定了合適的材料。如圖9所示，為實際研制的大量程振弦式鋼筋計（鋼筋規格為φ25），量程為0～400MPa。

圖8 大量程振弦式應變計樣機

圖9 大量程振弦式鋼筋計樣機

以量程為400MPa（鋼筋外徑為φ25）的大量程振弦式鋼筋應力計為例，從型式試驗結果來看具有較高的性能指標，如表4所示。

表3 大量程振弦式應變計（量程為20000με）性能測試結果

表4 大量程振弦式鋼筋應力計（量程為400MPa）性能測試結果

3 大量程傳感器的工程應用

南京南瑞集團公司大量程水電監測傳感器自2012年開始研制生產，已經陸續在諸如新疆大西溝水庫、柳樹溝水庫、錦屏水電站、溧陽抽蓄電站、仙居抽蓄電站、梨園水庫等多個工程項目中投入使用，近兩年左右的應用實踐表明，大量程水電監測傳感器具有較高的長期穩定性，完全能夠適用于大量程狀態下的監測需求，實現自動化測量。如圖10～圖13所示，為部分大量程傳感器在溧陽抽水蓄能電站、錦屏水電站、大西溝水庫等工程現場的長期測值過程曲線。

上述大量程傳感器長期測值曲線無明顯突變，測值穩定，測值趨勢平穩，此外，大量程位移類傳感器與項目現場通過定期的人工測值相對比，其變化趨勢及準確度具有較高的一致性。

4 結束語

（1）所設計的大量程傳感器涉及差阻位移計、振弦式位移計、振弦式應變計、振弦式鋼筋應力計4種常用傳感器，基本能夠滿足高壩大庫在大量程位移、應變、應力的監測需求。

圖10 NZJ-400大量程差阻位移計測量絕對位移量（單位：mm）

圖11 NVJ-500弦式位移計長期測量絕對位移量（單位：mm）

圖12 NVS-20000大量程弦式應變計長期應變量測值（單位：με）

圖13 NVR-25大量程振弦式鋼筋計（400MPa）長期應力測值（單位：MPa）

（2）改變了大量程位移、應變及應力等測量無法實現自動化監測的被動局面，填補了該項傳感器在國內的空白。

（3）多個水電監測工程項目長期觀測結果表明大量程水電監測傳感器性能穩定，測值正常，后續將繼續跟蹤觀測，考察該類傳感器的長期穩定性。

[1]龐瓊，王士軍，等.世界已建高壩大庫統計分析.水利水電科技發展，2012（6）：34-37.

[2]鈕新強.復雜自然條件下高壩安全及其對策.高壩大庫安全建設與風險管理高端論壇，2011：106-113.

[3]儲海寧，張德康.差阻式儀器的發展和應用.大壩與安全，2005（5）：44-48.

[4]趙斌，呂剛.差動電阻式儀器的發展與改進.工程安全監測技術，2006：39-45.

[5]張進平，黎利兵，盧正超.大壩安全監測研究的回顧與展望.中國水利水電科學研究院學報，2008（4）：317-322.

[6]潘妍，王茜.基于振弦式傳感器的測頻系統設計.儀表技術與傳感器，2008（11）：99-103.

[7]賀虎，王萬順，等.振弦式傳感器激振策略優化.傳感技術學報，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。E-mail：xiaming@sgepri.sgcc.com.cn

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

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

鄭水華（1978—），男，工程師，主要研究方向：大壩安全監測技術、水文巖土工程儀器及監測技術研究。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