譚愷炎，胡迪忠

（葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北宜昌，443002）

0 前言

水庫水電站大壩這些利國利民的基礎設施都是“百年大計”、“千年大計”工程，作為大壩安全運行“耳目”的大壩安全監(jiān)測尤其重要。大壩安全監(jiān)測工程中，“設計是龍頭、施工是保證、儀器是關(guān)鍵”、“設計應優(yōu)化、施工保質(zhì)量、儀器要可靠”[1]已成共識，由此可見，監(jiān)測儀器質(zhì)量好壞關(guān)乎大壩安全監(jiān)測的成敗。我國水利水電行業(yè)要求監(jiān)測儀器安裝埋設前應進行檢驗，最早的行業(yè)標準SDJ 336《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了差動電阻式儀器的檢驗要求，修訂的DL/T 5178《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》增補了振弦式儀器的檢驗要求，SL 530《大壩安全監(jiān)測儀器檢驗測試規(guī)程》更加詳細地規(guī)定了各類監(jiān)測儀器的檢驗項目、檢驗方法和技術(shù)指標，還有GB/T 21029-2007《巖土工程儀器系列型譜》、GB/T 15406-2007《巖土工程儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》以及相應的儀器產(chǎn)品標準也規(guī)定了主要的型號規(guī)格、性能指標與檢驗方法。整體上來講，檢驗項目、技術(shù)指標與檢驗方法具有一定的繼承性，但也存在一些不同和不妥的地方。如：GB/T3413-2008《銅電阻溫度計》中規(guī)定溫度計的溫度檢驗允許偏差為：±（0.5+0.3×10-2t）℃，而DL/T 5178《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定溫度計的溫度檢驗允許偏差為：±0.3℃，兩者存在較大差異；又如文獻[1]指出：現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定對儀器設備長期穩(wěn)定性和可靠性方面的要求偏弱甚至缺失，有待加強研究與應用；文獻[2]、文獻[3]指出了差動電阻式儀器的溫度計算與限差標準問題；文獻[4]提出采用最小二乘法檢驗監(jiān)測儀器。故此，2016年在編寫工程建設國家標準《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》時，對監(jiān)測儀器與設備檢驗現(xiàn)狀進行了調(diào)研，調(diào)研發(fā)現(xiàn)在實際工程中還存在：以出廠檢驗代替工地檢驗，或者檢驗后經(jīng)長途運輸至工地再安裝埋設；一次檢驗后經(jīng)歷數(shù)年才安裝埋設；受進度要求趕工生產(chǎn)儀器，未充分消除殘余加工應力就出廠；出廠檢驗與工地檢驗方法不同，導致儀器質(zhì)量判定爭議問題；鋼弦式儀器工地檢驗不做絕緣性和溫度檢驗等問題。這些問題直接影響監(jiān)測儀器的檢驗質(zhì)量，降低了監(jiān)測成果的準確性和可靠性，有必要對監(jiān)測儀器的檢驗項目和檢驗方法等進行研究和規(guī)范。

1 檢驗項目

大壩安全監(jiān)測儀器是用來監(jiān)測壩體結(jié)構(gòu)性態(tài)各種物理參數(shù)的，如變形、應力、應變、溫度等，具有計量特征。許多儀器（傳感器）長期埋設在建筑物地基或結(jié)構(gòu)實體中，通過電纜將信號引出，無法檢修和更換，具有隱蔽工程的特征，其監(jiān)測數(shù)據(jù)用于工程安全評價，數(shù)據(jù)準確性關(guān)乎工程安全評價的準確性。所以，大壩安全監(jiān)測儀器在安裝埋設前應逐一進行檢驗，對于信號電纜，其質(zhì)量取決于原材料質(zhì)量、制造工藝、制造環(huán)境等，同批次的原材料、制造工藝、制造環(huán)境基本不變，可按批次進行抽樣檢驗。

監(jiān)測儀器檢驗的目的就是要獲得長期準確可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，所以首先要考慮的檢驗項目就是可靠性檢驗，主要包括準確性和長期穩(wěn)定性，其次要考慮的是影響長期可靠性的其他可能因素，如絕緣性能、機械性能、外觀等。

準確性指標主要用誤差來表示，除溫度直接采用絕對誤差（℃）表示，其余多用引用誤差。引用誤差一般采用絕對誤差除以量程（滿量程）的百分數(shù)表示，單位為“%F.S”，比較常用的有綜合誤差指標；考慮到儀器輸入量與輸出量的關(guān)系模型和實際工作狀態(tài)，又派生出非線性度（不符合度）、不重復度、滯后（回差），許多監(jiān)測量需要較高的靈敏度，所以還要檢驗儀器的分辨力（%F.S）。準確性檢驗可以得出一條儀器工作直線（曲線），這條工作線就是今后監(jiān)測量計算的依據(jù)。問題是采用直線還是二次甚至多次曲線（多項式）？文獻[4]提出采用最小二乘法檢驗監(jiān)測儀器，建議使用線性回歸直線，對于線性度較差的儀器采用多項式回歸曲線?，F(xiàn)行規(guī)范傳承過去傳統(tǒng)的直線，且采用線性回歸直線代替端基直線，其中，端基直線是采用實測上下限值所代表的兩點連線作為工作直線，優(yōu)點是計算直觀簡單，這在以前計算工具落后的年代具有很大的應用優(yōu)勢，其缺點也顯而易見[4]。當前，計算條件大為改善，采用線性回歸直線既實用也科學。然而，不論是差動電阻式儀器，還是鋼弦式儀器，抑或電阻溫度計，其輸入量與輸出量（輸出量模數(shù)）之間都不是嚴格的直線關(guān)系，采用二次擬合或者多項式擬合可以提高計算精度。但是作為檢驗衡量儀器是否合格的限值指標來源于實踐，也就是說現(xiàn)行的指標對應于現(xiàn)行的計算方法，如果指標不變而改變計算方法，顯然是降低了儀器質(zhì)量標準。對此，筆者提出以下兩種解決方案，一是使用原指標，采用原計算方法進行儀器檢驗并評判儀器是否合格，然后進行多項式回歸計算，以回歸曲線作為工作曲線計算監(jiān)測量，這樣既保證了儀器質(zhì)量不降低，也提高了監(jiān)測量計算精度；二是對以往的檢驗數(shù)據(jù)按照多項式回歸計算進行分析總結(jié)，重新擬定對應于多項式回歸的指標參數(shù)，以不降低儀器質(zhì)量為前提，直接采用多項式回歸曲線作為工作曲線進行檢驗判定和監(jiān)測量計算。不重復度、滯后（回差）屬于機械制造誤差引起，隨著制造技術(shù)的進步，這方面的誤差較小，非線性度（不符合度）是計算模型誤差，從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看，這方面的誤差較大，綜合誤差基本由它決定，所以優(yōu)化計算模型對于提高監(jiān)測量精度具有重要意義。

差動電阻式儀器以前用直線作為工作線，儀器系數(shù)就是直線的斜率，儀器出廠檢驗得出一個儀器系數(shù)，現(xiàn)場檢驗又有一個儀器系數(shù)，這兩個系數(shù)差的絕對值除以出廠儀器系數(shù)的百分數(shù)即為儀器系數(shù)相對誤差（%），也簡稱相對誤差（%），文獻[5]指出“儀器生產(chǎn)廠家的檢驗設備和檢驗環(huán)境要好于現(xiàn)場，當相對誤差大于3%時采用出廠率定（檢驗）的儀器系數(shù)”。也有工程單位認為儀器經(jīng)過廠家到工地的長途運輸，儀器系數(shù)會發(fā)生改變，在確認檢驗條件滿足規(guī)范要求的前提下規(guī)定“當相對誤差大于3%時采用現(xiàn)場率定（檢驗）的儀器系數(shù)”。后來的規(guī)范更是規(guī)定這個相對誤差不應大于3%（鋼弦式儀器為1%），否則為不合格?，F(xiàn)在的規(guī)范統(tǒng)一了檢驗設備與檢驗條件，這個指標不應再作為參數(shù)選用的標準，但可以作為穩(wěn)定性檢驗的參考指標。這是因為儀器系數(shù)的變化意味著儀器結(jié)構(gòu)和電氣性能的改變，如果不是因為運輸過程外力引起，則可能是儀器制造過程材料或工藝不過關(guān)引起的質(zhì)量問題，應加以甄別。

除了這些指標直接反映了儀器的準確性，還有一類指標可以反映儀器的長期工作性能，如：絕緣性能、外觀等。根據(jù)儀器的結(jié)構(gòu)與測試原理不同，有些儀器如差動電阻式儀器對絕緣度很敏感，絕緣度的高低直接影響監(jiān)測數(shù)據(jù)，而有些儀器如鋼弦式儀器的讀數(shù)與絕緣度高低關(guān)系不大，但文獻[1]與文獻[2]均指出絕緣度不僅影響監(jiān)測數(shù)據(jù)，更重要的是會影響儀器的長期穩(wěn)定性，故應予以重視。外觀檢查出現(xiàn)嚴重銹蝕、嚴重變形以及破損等都可能影響其長期工作性能，所以也應加以重視。值得指出的是，現(xiàn)行儀器標準對長期穩(wěn)定性的檢驗通常采取“加速老化”試驗方法進行，如長時間在高低溫環(huán)境和量程極限狀態(tài)下考核儀器系數(shù)相對誤差和其他電氣性能指標變化，但由于試驗的時間有限，遠不足以反映監(jiān)測儀器今后數(shù)十年的工作狀態(tài)，需要研究新的方法來檢驗儀器的長期穩(wěn)定性。筆者研究認為：監(jiān)測儀器的長期穩(wěn)定性主要與制造材料與制造工藝有關(guān)，需要在儀器標準中增加對原材料與工藝的控制、測試項目，比如差動電阻式儀器的0℃電阻差這個指標就直接反映了儀器鋼絲材質(zhì)的好壞，是長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵衡量指標，而且經(jīng)歷的時間越長越能說明問題。

還有一些參數(shù)如溫度修正系數(shù)主要受材料與制造工藝影響，一般定型后不會有多少變化，可以采用廠家型式檢驗的結(jié)果，特大型工程也可以適當開展一些試驗進行驗證。

綜上所述，監(jiān)測儀器現(xiàn)場檢驗項目應包括絕緣性、溫度測量誤差、分辨力、非線性度（不符合度）、不重復度、滯后（回差）、綜合誤差、相對誤差，對于差動電阻式儀器還應檢驗0℃電阻差，電阻溫度計僅檢驗絕緣性、溫度測量誤差和0℃電阻差。監(jiān)測信號電纜檢驗項目包括防水密封性、導體電阻、漏氣檢查。其中絕緣性包括在高溫、低溫環(huán)境和壓力水中的絕緣性。

2 檢驗方法

2.1 檢驗設備、環(huán)境條件與操作

首先，監(jiān)測儀器具有計量特征，儀器檢驗也是一個量值傳遞的過程，檢驗所用的計量儀器設備與器具首先應是準確的，應經(jīng)檢定或校準合格并在有效期內(nèi)。除了計量儀器設備與器具，還需要一些裝置，如恒溫水?。ê銣叵洌?、校正架等，這些裝置的精度和穩(wěn)固也直接關(guān)系到檢驗結(jié)果，應盡量采用標準裝置。從量值傳遞的角度考慮，標準器具的精度等級應比儀器的高一個等級，部分儀器的精度較高，標準器具的精度至少不應低于儀器的精度。

其次是檢驗的環(huán)境條件，一般根據(jù)監(jiān)測儀器標準可分為正常試驗條件、正常工作條件和參比試驗條件三種。工地檢驗可在正常試驗條件下進行，需要在現(xiàn)場檢驗的可在正常工作條件下進行，遇到爭議或有特別要求的應在參比試驗條件下進行，但無論是在什么試驗條件下檢驗，都應保持環(huán)境穩(wěn)定，這是因為監(jiān)測儀器輸出量大多隨溫度變化而變化，所以儀器檢驗應特別關(guān)注環(huán)境的變化，一般而言環(huán)境溫度變化的幅度不應超過2℃，基于這個原因，檢驗前應將儀器放入檢驗環(huán)境條件下靜置24 h以上，以使儀器與環(huán)境保持相同的溫度。

（1）正常工作條件如下：

①水壓力傳感器應符合下列規(guī)定：溫度：0～40℃。在滿量程水壓力下。

②非水壓力傳感器應符合下列規(guī)定：溫度：-20～+60℃。非水下工作的傳感器相對濕度不大于95%，野外工作或水下工作的傳感器在0.5 MPa或規(guī)定的水壓力下。

③有特定要求的傳感器應符合規(guī)定的條件。

（2）正常試驗條件如下：

①溫度：10～30℃（在每項試驗期間，溫度變幅不大于1℃/h）。

②相對濕度：≤85%。

③大氣壓力：86～106 kPa。

④有特定要求的傳感器應符合規(guī)定的條件。

（3）參比試驗條件如下：

①環(huán)境溫度：20±2℃。

②相對濕度：≤80%。

③大氣壓力：86～106 kPa。

第三，檢驗時需要將儀器先安裝到檢驗裝置上，連接讀數(shù)儀和標準計量器具，此時應關(guān)注安裝操作過程，使儀器在安裝過程以及檢驗前后保持較小的變化，一般對于應力應變類儀器，應控制其讀數(shù)的變化最大不超過20個示值。儀器安裝后應分級加載，考慮到回歸計算的需要，加載級數(shù)宜大于5，并包含量程上下限，溫度試驗費時較多，級數(shù)可適當減少，但不宜小于4級。

2.2 計算方法

儀器的絕緣性直接評判無需計算，溫度測量誤差按線性回歸計算并進行評判，分辨力、非線性度（不符合度）、不重復度、滯后（回差）、綜合誤差、相對誤差統(tǒng)稱靜態(tài)特性參數(shù)，按線性回歸計算并進行評判。具體計算方法如下。

（1）儀器的溫度測量誤差按線性回歸方法計算獲得，計算公式如下。

①溫度計算回歸方程按式（1）計算：

式中：Ti——第i檔計算溫度，℃；

α——溫度系數(shù)（回歸直線的斜率）；

Di——儀器檢驗時第i檔溫度讀數(shù)。當直接從測量儀表讀取溫度時，默認α=1，C=0，不需要計算回歸方程，直接計算標準溫度與直讀溫度之差作為溫度測量誤差；

C——計算常數(shù)（回歸直線截距）。

②溫度測量誤差ΔT按式（2）計算：

式中：Ti?——第i檔標準溫度，℃。

③0℃電阻差ΔR按式（2）計算：

式中：R0——0℃時實測電阻值；

R0廠——出廠檢驗實測0℃電阻值。

（2）儀器的靜態(tài)特性指標按線性回歸方法計算獲得，以檢驗時輸入的一組標準物理量為因變量，以進、回程線性輸出量的平均值為自變量進行一元線性回歸，計算方法如下。

①工作直線回歸方程按式（4）計算：

式中：Yi——第i檔計算物理量；

K——儀器系數(shù)（回歸直線的斜率）；

Xˉi——儀器檢驗時第i檔6個線性輸出量的平均值。當儀器的直接輸出量與輸入量不是線性關(guān)系時，應將輸出量轉(zhuǎn)換成線性輸出量，如鋼弦式儀器的輸出為頻率時應先轉(zhuǎn)換成頻率模數(shù)；

C——計算常數(shù)（回歸直線截距）。

②分辨力r按式（5）計算：

式中：r——分辨力；

Xfs——滿量程輸出值；

Xˉn——量程上限6個線性輸出量的平均值；

③非線性度L按式（7）計算：

式中：ΔXL——平均校準曲線與回歸直線偏差的最大值，即各檔位6個線性輸出量平均值與回歸直線相應檔位的輸出量值的最大偏差。

④不重復度R按式（8）計算：

式中：ΔXR——進程校準曲線與進程平均校準曲線各檔位輸出量值偏差以及回程校準曲線與回程平均校準曲線各檔位輸出量值偏差的最大值，即各檔位進程3個線性輸出量與其平均值以及各檔位回程3個線性輸出量與其平均值偏差的最大值。

⑤滯后H按式（9）計算：

式中：ΔXH——進程平均校準曲線和回程平均校準曲線在同一測試點線性輸出量偏差的最大值，即各檔位進程3個線性輸出量的平均值與回程3個線性輸出量平均值偏差的最大值。

⑥綜合誤差EC按式（10）計算：

式中：ΔXC——進程平均校準曲線與回歸直線偏差以及回程平均校準曲線與回歸直線偏差的最大值，即進程各檔位3個線性輸出量的平均值以及回程各檔位3個線性輸出量的平均值與回歸直線相應檔位的輸出量值的最大偏差。

⑦儀器系數(shù)誤差Ef按式（11）計算：

式中：KT——出廠檢驗的儀器系數(shù)。

2.3 檢驗場所與檢驗時機

監(jiān)測儀器屬于精密電子儀器，長途運輸可能影響其性能，應在工地進行檢驗，如交通條件較好、運輸保護措施得當，也可在距離工地不遠的地方進行檢驗。

監(jiān)測儀器制造時，許多鋼材經(jīng)過加工，尤其是進行焊接后，需要經(jīng)過一段時間消除加工應力。由于生產(chǎn)廠家的“零庫存”或“少庫存”的管理要求，抑或是生產(chǎn)能力不夠，都可能導致儀器靜置消應時間不夠，此時出廠檢驗的計算參數(shù)就會發(fā)生變化。所以，在工程中應選擇生產(chǎn)能力匹配和生產(chǎn)質(zhì)量有保證的廠家，不宜使用新加工的、沒有經(jīng)過充分消應的傳感器。對于存放時間較長的傳感器，可重新檢驗，只要檢驗合格，應優(yōu)先使用。

最后還要強調(diào)的是，儀器檢驗是一項非常細致而又專業(yè)的工作，應對從業(yè)人員提出要求，加強上崗培訓與考核，至少應了解計量檢驗測試的基本知識、了解監(jiān)測儀器、熟悉常規(guī)計量器具的使用并能熟練操作。

3 結(jié)語

（1）監(jiān)測儀器檢驗方法應與時俱進，隨著計算工具的進步，宜采用線性回歸進行檢驗數(shù)據(jù)的計算分析與評判，為提高監(jiān)測精度，也可采用多項式回歸工作曲線參數(shù)計算監(jiān)測量。

（2）監(jiān)測儀器檢驗既要考慮現(xiàn)時的準確性，還應重視長期準確性，有必要研究不同儀器長期穩(wěn)定性影響因素并納入質(zhì)量檢驗內(nèi)容。

（3）儀器的絕緣性關(guān)系到長期穩(wěn)定性，應加以重視。

（4）監(jiān)測儀器不同于普通商品，不是越新越好，應有足夠的時間靜置消應，確保儀器長期穩(wěn)定工作。

（5）監(jiān)測儀器具有計量特征，不僅要重視檢驗標準器具和環(huán)境的重要性，還應加強檢驗人員的培訓與考核。 ■

[1]譚愷炎.大壩安全監(jiān)測設計、施工的現(xiàn)狀與展望[J].大壩安全,2015(5)：26-31,42.

[2]譚愷炎,楊懷祖.《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》修訂意見的討論[J].大壩觀測與土工測試,2000,24(6)：10-13.

[3]邵乃辰.關(guān)于《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中儀器檢驗的討論[J].四川水力發(fā)電,2006,25(2)：57-58,65.

[4]邵乃辰.用最小二乘法檢驗監(jiān)測儀器的方法[J].水電站設計,2005,21(3)：85-86,102.

[5]中國科學院水利電力部水利水電科學研究院.混凝土壩的內(nèi)部觀測[M].北京：水利電力出版社,1960：73-74.