大量程水电监测传感器设计及应用

夏 明，李 杰，刘敏飞，郑水华

（南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211100）

大量程水电监测传感器设计及应用

夏 明，李 杰，刘敏飞，郑水华

（南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211100）

随着高坝大库电站及抽水蓄能电站的兴建，对安全监测所需传感器的量程提出了更高的要求。本文基于目前水电安全监测常用的差动电阻式、振弦式传感器，涵盖位移、应变、应力3种状态量监测的仪器，在分析其研究现状及测量工作原理的基础上，进一步探求拓展能够满足高坝大库安全监测需求的大量程传感器的设计，并成功地在多个水电工程项目上应用。

大量程传感器；差阻传感器；振弦式传感器；安全监测

0 引言

我国是一个水资源十分丰富的国家。随着国家经济的不断发展，能源需求会日益增长，而充分地利用水资源，将会带来可靠的能源保障。在水电技术不断成熟的今天，高坝大库型的水电站及抽水蓄能电站将会逐步增多[1][2]，对传感器的量程和精度提出了更高的要求。随着锦屏、三峡、小湾、仙居、溧阳等一批高坝大库水电站或高水头抽水蓄能电站的兴建，对大量程位移、应力及应变传感器需求快速增加，而国内外该类监测仍然停留在人工测量或基本没有，因此解决传感器大量程、高精度已成为必须研究的课题。

1 水电监测传感器现状

1.1 现有传感器研制概况

差动电阻式传感器是美国加州加利福尼亚大学的卡尔逊教授在1932年研制成功的，因此，又被称为卡尔逊式仪器[3]。差阻式传感器具有长期稳定性好、使用寿命长等特点，我国从20世纪50年代开始进行研制，到20世纪60年代后期，研制成功了第一批差阻式小应变计、位移计、钢筋应力计，并且使传感器性能和产品质量都达到了实用水平[4][5]。之后经过不断改进，传感器的生产工艺及工程应用都已经比较成熟，但此后在传感器量程提升、新产品研发及新技术应用方面一直进展不大，无法满足高坝大库对大量程差阻类传感器的需求。

振弦式传感器的关键部件为一张紧钢弦，其具有外形精致、灵敏度高、抗干扰能力强，以及对电缆要求低的特点[6][7]。国外水电监测传感器大都以振弦式为主。我国20世纪70年代开始研制，但大多数国内生产厂家在材料及制造方法和工艺方面都与国外厂家存在一定差距，在国内安全监测领域内未能得到广泛应用。由于欧美大坝已基本停建，进口传感器厂家在研发中投入很少，几乎没有新品推出，目前国内外振弦式位移传感器最大量程200mm，应变传感器最大量程3000με，无法满足国内高坝大库对大量程振弦式传感器的需求。

1.2 大量程位移、应力、应变监测概况

目前，在常规的水电监测方面均有相应量程的传感器并已实现了自动化，确保水电工程监测能实现全天候、实时性、不受人为和环境影响的高精度测量。但是对于大量程传感器的监测需求方面，因无相应量程的传感器，无法实现自动化监测，主要采用人工观测或通过监测其他参数进行换算的方法实现，如采用钢板尺或卡尺对需要位移监测的部位人工观测；采用应变片或应变计对钢筋应变进行监测从而推算出钢筋所受应力状态；采用小量程位移传感器监测钢索大量程应变所产生的位移量进而换算成钢索的应变等方式。但是上述方法因存在人为观测误差、间接测量引入中间误差、位移测量分辨率较低等问题，其安全监测存在较大局限性和较低的准确度，无法推广应用。

2 几种主要大量程传感器的设计

2.1 大量程差阻位移计

如图1所示，为传统差阻位移计敏感部件示意图，主要采用两根并排的拉杆做相对运动，同时在位移计中常采用力学拉簧与钢丝串联，以扩大拉杆相对移动的范围。这种结构的特点是加工制作方便，缺点是相对运动的一致性和平行度在满量程过程中很难保证，在应变范围及小量程的位移范围内，尚可调节，但是在大量程范围内，常出现拉杆相对运动严重偏离平行度或者卡死的现象，导致仪器性能指标不合格，目前，该种结构的位移计能做到的最大量程是40mm，做到量程大于100mm的差动电阻式位移计较为困难。

图1 传统差阻位移计敏感部件示意图

图2 大量程差动电阻式位移计敏感部件结构示意图

图3 大量程差阻式位移计样机

为突破差动电阻式位移计量程范围，必须改变现有敏感部件结构，如图2所示，为设计的大量程差动电阻式位移计敏感部件结构示意图，该敏感部件突破了传统差阻敏感部件的结构，采用内外嵌套拉杆的方式，该方式要求两根拉杆具有较高的同心度，同时有较高的间隙配合精度。该种结构能确保在大量程移动范围内，差阻位移计测量的一致性及得到较高的性能指标，目前南瑞集团公司已经可以生产量程在400mm以上的超大量程差阻位移计。如图3所示，为实际研制的大量程差阻式位移计，测量范围为0～400mm。

以量程为400mm的大量程差阻位移计为例，从型式试验结果来看具有较高的性能指标，如表1所示。

表1 大量程差阻位移计（量程为400mm）性能测试结果

2.2 大量程振弦式位移计

如图4所示，为振弦式位移计敏感部件示意图，其主要结构为滑杆在护管内的相对移动来改变钢弦所受到的拉力，并通过高精度力学拉簧扩大滑杆移动范围，达到所需的位移量程。因此，护管与滑杆的配合精度决定了仪器本身性能的优劣。本次设计的大量程振弦式位移计设计量程在500mm以上，护管与滑杆的配合长度均超过800mm，在如此大长度范围内始终保持护管与滑杆的高精度配合，具有较大难度，传统加工工艺已无法实现。本次设计敏感部件的主要配合部件均采用特殊工艺加工，并对尺寸、形位精度（防止间隙过大）及表面粗糙度（要求在0.1以下）提出了较高的要求，最终反复测试，满足了设计性能指标要求。如图5所示，为实际研制的大量程振弦式位移计样机，测量范围为0～500mm。

以量程为500mm的大量程振弦式位移计为例，从型式试验结果分析具有较高的性能指标，如表2所示。

2.3 大量程振弦式应变计

现有振弦式应变计的敏感部件如图6所示，在两个固定端头之间张紧一根钢弦，两个固定端头的应变直接作用在钢弦上，带动钢弦发生微小的位移从而改变钢弦所承受的拉力和固有频率。这种结构的特点是钢弦直接反应初始应变，测值准确度较高，仪器性能指标较好，但是由于钢弦直接承受仪器所产生的位移，因此无法制作大量程的应变计。现有振弦式应变计的满量程输出都在4000με以内（以标距150mm计算，钢弦实际形变量为0.6mm），已基本达到钢弦的形变极限，无法进一步扩展量程，制作20000με（以标距150mm计算，钢弦实际形变量为3mm）以上的振弦式应变计。

图4 振弦式位移计结构示意图

图5 大量程弦式位移计样机

图6 现有振弦式应变计结构示意图

图7 大量程振弦式应变计敏感部件示意图

为进一步扩展振弦式应变计的量程，专门设计了大量程振弦式应变计的敏感部件，如图7所示，为大量程振弦式应变计敏感部件示意图，该敏感部件在钢弦张拉在两个固定端头之间增加了一个高强度、高精度的力学拉簧，一方面扩展了振弦式应变计的形变量（形变量可以达到2mm），以扩展应变计量程；另一方面确保仪器具有较高的灵敏度。如图8所示，为实际研制的大量程振弦式应变计，测量范围为0～20000με。

表2 大量程振弦式位移计（量程为500mm）性能测试结果

以量程为20000με（标距为150mm）的大量程振弦式应变计为例，从型式试验结果来看具有较高的性能指标，如表3所示。

2.4 大量程振弦式钢筋应力计

所设计的大量程钢筋应力计要求满量程输出为400MPa。传统钢筋应力计的输出在200MPa、300MPa或350MPa。采用不同等级的螺纹钢或者45号钢等即可满足要求。但是大量程钢筋应力计的满量程输出已经超出普通材料的抗拉强度极限或线性变化范围，需要选择合适的材料满足钢筋应力计大量程的需求，同时又具有较高的线性、重复性，较低的滞后性和较好的长期稳定性。通过对各种材料的试验包括热处理试验、力学性能试验、加工测试、稳定性测试及仪器的性能测试等，最终确定了合适的材料。如图9所示，为实际研制的大量程振弦式钢筋计（钢筋规格为φ25），量程为0～400MPa。

图8 大量程振弦式应变计样机

图9 大量程振弦式钢筋计样机

以量程为400MPa（钢筋外径为φ25）的大量程振弦式钢筋应力计为例，从型式试验结果来看具有较高的性能指标，如表4所示。

表3 大量程振弦式应变计（量程为20000με）性能测试结果

表4 大量程振弦式钢筋应力计（量程为400MPa）性能测试结果

3 大量程传感器的工程应用

南京南瑞集团公司大量程水电监测传感器自2012年开始研制生产，已经陆续在诸如新疆大西沟水库、柳树沟水库、锦屏水电站、溧阳抽蓄电站、仙居抽蓄电站、梨园水库等多个工程项目中投入使用，近两年左右的应用实践表明，大量程水电监测传感器具有较高的长期稳定性，完全能够适用于大量程状态下的监测需求，实现自动化测量。如图10～图13所示，为部分大量程传感器在溧阳抽水蓄能电站、锦屏水电站、大西沟水库等工程现场的长期测值过程曲线。

上述大量程传感器长期测值曲线无明显突变，测值稳定，测值趋势平稳，此外，大量程位移类传感器与项目现场通过定期的人工测值相对比，其变化趋势及准确度具有较高的一致性。

4 结束语

（1）所设计的大量程传感器涉及差阻位移计、振弦式位移计、振弦式应变计、振弦式钢筋应力计4种常用传感器，基本能够满足高坝大库在大量程位移、应变、应力的监测需求。

图10 NZJ-400大量程差阻位移计测量绝对位移量（单位：mm）

图11 NVJ-500弦式位移计长期测量绝对位移量（单位：mm）

图12 NVS-20000大量程弦式应变计长期应变量测值（单位：με）

图13 NVR-25大量程振弦式钢筋计（400MPa）长期应力测值（单位：MPa）

（2）改变了大量程位移、应变及应力等测量无法实现自动化监测的被动局面，填补了该项传感器在国内的空白。

（3）多个水电监测工程项目长期观测结果表明大量程水电监测传感器性能稳定，测值正常，后续将继续跟踪观测，考察该类传感器的长期稳定性。

[1]庞琼，王士军，等.世界已建高坝大库统计分析.水利水电科技发展，2012（6）：34-37.

[2]钮新强.复杂自然条件下高坝安全及其对策.高坝大库安全建设与风险管理高端论坛，2011：106-113.

[3]储海宁，张德康.差阻式仪器的发展和应用.大坝与安全，2005（5）：44-48.

[4]赵斌，吕刚.差动电阻式仪器的发展与改进.工程安全监测技术，2006：39-45.

[5]张进平，黎利兵，卢正超.大坝安全监测研究的回顾与展望.中国水利水电科学研究院学报，2008（4）：317-322.

[6]潘妍，王茜.基于振弦式传感器的测频系统设计.仪表技术与传感器，2008（11）：99-103.

[7]贺虎，王万顺，等.振弦式传感器激振策略优化.传感技术学报，2010（11）：74-77.

夏 明（1984—），男，工程师，主要研究方向：仪器仪表及传感器技术。E-mail：xiaming@sgepri.sgcc.com.cn

李 杰（1981—），男，工程师，主要研究方向：大坝安全监测技术、水文岩土工程仪器及监测技术研究。E-mail：li-jie@sgepri.sgcc.com.cn

刘敏飞（1955—），男，高级工程师，主要研究方向：差阻式传感器的研制和检测技术。E-mail：liuminfei@sgepri.sgcc.com.cn

郑水华（1978—），男，工程师，主要研究方向：大坝安全监测技术、水文岩土工程仪器及监测技术研究。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