何領(lǐng)軍,張雪芳,崔玉璽

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計院,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)、左副壩及魚道等建筑物組成。該電站為目前中國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)的一種傾角測量儀器，與傳統(tǒng)的傾角測量儀器(伺服加速度計式、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，越來越多的應(yīng)用在水工監(jiān)測行業(yè)。多布水電站為監(jiān)測混凝土防滲墻的變形，共設(shè)計4個測斜斷面，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。采用美國基康生產(chǎn)的MEMS-6150型雙軸固定式傾斜儀，儀器共計42支。

MEMS傳感器式固定式傾斜儀現(xiàn)場安裝后，測值較為穩(wěn)定，但分別在某一時間點后測值出現(xiàn)較大偏差，數(shù)據(jù)過程線出現(xiàn)明顯的突變，如圖1所示。

經(jīng)現(xiàn)場查證，在排除防滲墻發(fā)生較大變形的可能和測量儀表自身的問題后，確認(rèn)測值的偏差主要是由加長電纜引起，而廠家儀器安裝說明書關(guān)于電纜加長對測值偏差的影響未作出任何說明，也未給出修正方法，因此，如何對已安裝的固定式傾斜儀測值進(jìn)行修正，修正值的數(shù)值如何確定成為一個難題。

2 MEMS固定式傾斜儀測值偏差分析

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)輸出電壓信號發(fā)生變化。傳感器電纜中紅和紅黑電纜芯線負(fù)責(zé)給MEMS傳感器提供12VDC的電源，白和白黑芯線負(fù)責(zé)測量A軸輸出電壓信號、綠和綠黑芯線負(fù)責(zé)測量B軸輸出電壓信號、藍(lán)和藍(lán)黑芯線負(fù)責(zé)測量熱敏電阻值。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，在傳感器電纜長度大幅改變后，經(jīng)由電源電纜提供的12VDC激勵電壓在到達(dá)MEMS傳感器后，會產(chǎn)生一定的損耗，故經(jīng)由信號電纜輸出的電壓信號在測量儀表量測時，會產(chǎn)生一定的偏差，具體表現(xiàn)為：通信距離增加，輸出電壓信號增大；通信距離減小，輸出電壓減小。

為對此種偏差進(jìn)行量化，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，具體的試驗方法：① 固定1支MEMS-6150傳感器，確保其穩(wěn)定不動；② 對不同長度的原廠儀器電纜，進(jìn)行實測芯線電阻。采用同一個儀表，測量其測值；③ 分析電纜長度對測值偏差的影響。具體試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

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

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

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

通過上述實驗數(shù)據(jù)分析電纜長度與實測電壓值的關(guān)系，可知：電纜長度和A軸電壓信號的實測關(guān)系公式為：

Y=KX+C

(1)

式中：Y為不同電纜長度下實測A軸電壓信號值；K為線性系數(shù)；X為不同的電纜長度；C為常數(shù)；

由試驗原理來看，在保持傳感器穩(wěn)定不動，即傳感器傾角不變的情況下，其電壓信號測值在理想狀況下也應(yīng)穩(wěn)定不變，但實際測量其輸出電壓信號與電纜長度呈正比關(guān)系，且電壓信號隨著電纜長度的增長而增大。

故式(1)中，在電纜長度為X0(未加長電纜)情況下Y0=KX0+C，在電纜長度為X1(加長電纜后) 情況下Y1=KX1+C，且假設(shè)加長電纜對測值沒有影響，Y0=Y1成立。

故可推導(dǎo)

Y0-Y1=K×(X0-X1)

(2)

由式(2)可知，為修正加長電纜對其電壓測值的影響，實際測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為修正后測值真實測值；VC為加長電纜后實際測值；K為修正系數(shù)；LC為當(dāng)前電纜長度；LO為原始電纜長度。

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)檢驗表1中的實驗數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表2。

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

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

3 結(jié) 語

綜上所述，基于MEMS微機(jī)電系統(tǒng)的傾角測量儀器，在其安裝過程中，需計算電纜長度對傾斜測值的影響，但其根本原因，是電纜加長后電纜芯線電阻值的變化對電壓測值的影響。

因此，MEMS固定式傾斜儀，需在進(jìn)行儀器首次安裝時，將儀器電纜一次加長至連接到終端所需長度，避免二次加長對相對傾斜計算結(jié)果的影響；如后期二次加長電纜，需采用同一型號的電纜，采取現(xiàn)場分析計算電纜長度(電纜電阻)對電壓測值的修正系數(shù)，修正測值，否則會造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的突變，引起對建筑物變形趨勢的誤判。

本次試驗，彌補(bǔ)了傳感器廠家對MEMS固定式傾斜儀電纜加長對測值偏差修正的漏洞，為此類傳感器現(xiàn)場安裝和資料分析提供了經(jīng)驗借鑒和方法指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn):

[1] 朱長純,韓建強(qiáng),劉君華.微機(jī)械傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電子元器件應(yīng)用,2003,(04):8-11.

[2] 李桂平,羅孝兵,曹翊軍,孫俊,安寶慶.基于高精度雙軸敏感元件研制的二維固定式測斜儀[J].西北水電,2011,(S1): 136-138.