基于磁通测量的大坝水平位移监测方法研究

摘要：

垂线测量技术简单有效，因而在大坝水平位移监测中得到了广泛应用，然而面对大坝高湿、高粉尘的监测环境，传统监测方法均有一定局限性。为此，提出了一种基于磁通测量的大坝水平位移监测方法，从磁通量不受非铁磁性介质影响的原理出发，通过构建合适的磁路，以磁通量作为媒介，将位移变化转换为磁传感器的电压变化。根据实际需求设计了一种差分式磁通测量传感器以减弱背景磁场的影响，采用迭代标定的数据拟合方法提高拟合精度。结合理论分析及室内实验，开发了适用于高湿度、高粉尘环境的磁通测量垂线坐标仪，实现了0.1 mm的精度，并在白鹤滩水电站开展应用测试。实验及现场使用结果表明，基于磁通测量的大坝水平位移监测方法可行，磁通测量垂线坐标仪在水电站现场运行状况良好。

关" 键" 词：

磁通测量； 水平位移； 安全监测； 霍尔传感器； 高湿度

中图法分类号： TV698.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.032

收稿日期：

2024-01-04

；接受日期：

2024-03-02

基金项目：

国家自然科学基金青年基金项目（52209153）；中国长江三峡集团有限公司科研项目（202103471）；中国三峡建工（集团）有限公司科研项目（JGAJ0302222001）

作者简介：

房宽达，男，工程师，博士，主要从事工程数字化方向研究。E-mail： fangkuanda@qq.com

通信作者：

张继楷，男，高级工程师，博士，主要从事大坝安全监测自动化研究。E-mail： zhangjk@mail.crsri.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 07-0247-07

引用本文：

房宽达，张继楷，姚孟迪，等.基于磁通测量的大坝水平位移监测方法研究

［J］.人民长江，2024，55（7）：247-253.

0" 引 言

水平位移作为大坝在内、外荷载和地基变形等因素作用下最直观、有效的状态反映，是大坝安全监测中不可或缺的一部分［1-2］。对大坝水平位移展开监测多采用如图1所示的垂线法，常用的监测仪器——垂线坐标仪，根据测量原理区分有CCD式［3］、电容式［4］、步进式［5］等，其原理及环境适应局限如表1所列。可以看出，目前常用的垂线坐标仪对环境都有一定要求，而大坝廊道通常是高湿度、高粉尘的环境（图2），长期在此类环境下工作会造成测量不准确甚至仪器失效，产生险情误报或漏报［6］。因此，研究适用于高湿度、高粉尘环境的大坝水平位移监测方法对大坝长效可靠监测具有重要意义。

目前关于传统垂线坐标仪的研究主要集中于通信方式优化［7］、功能全面化［8-9］以及智能化［10］等方面，而关于恶劣监测环境对垂线坐标仪测量影响的研究较少。通过改进封装，提高密封性等办法，虽能在一定程度上缓解仪器部件腐蚀问题［11-12］，但受技术原理的限制，无法从根本上解决粉尘、水汽等对介质介电常数及投影位置的影响，以致造成数据异常跳变的问题［13］，影响了大坝安全监测数据的可靠性［14］。

基于上述背景，本文提出一种以磁通量作为传感媒介的位移传感方法：通过构建合适的磁路，使得与位移正相关的空气磁阻直接影响磁路磁通量，再通过磁传感器测量磁通量进而可计算出位移值。由于磁通量的大小仅与磁路磁芯与被测物之间的距离和介质的磁导率有关，而非铁磁性介质的磁导率均与空气相同［15-16］。因此，将磁通测量位移传感方法应用于大坝位移监测中，可以从原理上消除大坝高湿度、高粉尘环境对位移测量的影响，为大坝水平位移监测提供一种新的技术框架，解决水平位移监测无法长效可靠运行的问题。

1" 磁通测量位移的传感原理

磁通测量位移的传感方法根据励磁方式可分为交流法［17］和永磁法［18］两种类型，其基本模型如图3所示，基本传感单元由励磁组件（激励线圈或永磁体）、传感器（检测线圈或霍尔传感器）以及铁芯构成。其中，励磁组件作为磁激励源，磁感线由励磁组件经过磁芯、空气或被测物回到励磁组件，形成完整磁路。励磁组件为磁路提供磁动势，传感器测量铁芯处的磁通量或磁感应强度。当传感器与被测物之间的位移变化时，传感器与被测物之间的空气磁阻随之发生变化，使得主磁通改变，通过测量铁芯的磁通量或磁感应强度变化，即可获取位移的相关信息［19］。

在交流法中，是由交流电激励产生交变电磁场的励磁方式，这种方式会产生涡流效应，在铁芯及被测物中产生抵抗原磁场的涡电流，影响测量精度、线性度等［17］。因此本文采用了永磁法。

以图3（b）所示的永磁磁通测量位移传感基本模型为例，在理想情况下分析霍尔传感器测量的磁感应强度与位移之间的定性关系。根据磁路欧姆定律和等效磁路模型［20］列出方程组：

φ（Rc+2Ra+2RPM）=2A

Ra=lμS

φ=BSa

（1）

式中：φ为磁通量，Rc为铁芯磁阻，Ra为传感器与被测物之间的空气磁阻，RPM为永磁体磁阻，A为永磁体磁动势，l为位移值，S为空气隙截面积，B为磁感应强度，Sa为铁芯截面积。

根据式（1）可得：

B=2μSASa（μSRc+2μSRPM+2l）

（2）

因此，可得出霍尔传感器测点的磁感应强度与位移之间的定性关系。可以看出，霍尔传感器的输出与位移呈负相关关系，即位移越大，其输出越小。

2" 磁通测量垂线坐标仪设计

2.1" 传感器设计

为简化后续电路设计，增加霍尔传感器工作范围，设计了一种桥式永磁磁通测量位移传感器，即在图3（b）的基础结构上，增加了一组永磁体，形成推挽结构。传感器中永磁体A、C与永磁体B、D在铁芯中形成反向磁场，当不存在被测物时，理想情况下霍尔传感器处磁场强度为0，通过在非测量面增加合适的铁芯增强反向磁场，使得霍尔传感器工作在最大测量区间，获取更大的磁感应强度测量范围。同时，从制造工艺的角度看，桥式结构便于检测传感器的一致性。

根据前述讨论，对于磁通测量位移，霍尔传感器的输出电压与被测物位移呈负相关关系，则灵敏度在位移最大处较小，对位移测量的精度影响较大。为此，针对水平面上两个相互正交的测量方向（记为X方向及Y方向），在测量区间两侧分别布置了一组磁通测量传感器，各传感器测量面的永磁体均以相同的磁极相对，相对的两组传感器分别以差分的形式输出，设计示意图如图5所示。这样设计的优势在于可以尽量使得输出与位移的关系接近线性；另一方面，差分结构可以有效减弱背景磁场对测量带来的影响。

2.2" 电路设计

磁通测量垂线坐标仪电路由主控板和霍尔传感器电路板组成，电路结构示意如图6所示。主控板包括微处理器、FLASH芯片、RTC实时时钟芯片、温湿度传感器、通信模块、电源管理模块、AD采集模块、信号放大及滤波电路。其中霍尔传感器采用国产华芯HX6639D型号，灵敏度13 mV/Gs，电路放大倍数2.5倍。

2.3" 被测物设计

由于在大坝水平位移监测中布设的钢垂线较细，直径通常仅1.5 mm左右，其所带来的磁通变化较小，且垂线并非全部为铁磁性材料，故在垂线上设置导磁钢管以增强信号变化幅值。沿钢管轴线方向开一细槽以便穿过垂线，钢管两端通过尼龙卡箍及分离固定环夹紧于垂线上，作为磁通测量垂线坐标仪的被测部件，其实物如图7所示。

3" 验证实验

为了进一步验证永磁磁通测量位移传感方法的可行性，设计了验证性实验。以高导磁钢管作为被测物，传感器铁芯材料选用硅钢片，永磁体选用钕铁硼磁铁，相应尺寸参数如表2所列。传感器外壳采用光敏树脂3D打印的形式制作，铝合金材料作为仪器底板，304不锈钢作为仪器外壳，仪器内部见图8。

3.1" 实验平台

设计的磁感应垂线坐标仪测量范围为60 mm×60 mm，为便于采集测量范围内磁感应位移传感器的输出电压，开发了一套自动化校准装置（图9）。以前述钢管为被测物，磁感应垂线坐标仪放置于自动化校准装置，即实验平台上，通过软件平台发送控制指令控制步进电机，实现在水平面相互正交的X/Y两个轴移动。安装于X/Y轴的高精度光栅尺将实验平台的位移值反馈到软件平台，软件平台根据光栅尺读数再次控制电机移动到更准确的设定位置，同时读取磁感应位移传感器的实时位移值。最后软件平台按照设置的采集间隔即可控制磁感应位移传感器自动读取测量区域内的所有测值。其中，实验平台单轴行程300 mm，光栅尺精度5 μm。

3.2" 数据拟合

在自动化校准平台分别设置两个方向60 mm测量范围，每间隔5 mm设置一个测点，实验测量并记录了169个测点的传感器输出电压值，电压-位移曲线如图10所示。

由图10可以看出：两个方向传感器不同路径的输出电压-位移曲线趋势一致，测值接近，且曲线较为平滑，采用多项式拟合可得到较小的误差。针对图10中的测量数据，如采用曲面拟合的方式，难以保证每个测点的拟合精度，因此提出一种迭代拟合的方式（图11），将二维拟合问题降维，以保证拟合精度。其主要步骤为：

（1） 首先将测量区间沿X、Y方向等间距划分为若干条网格线，获取每个网格线上传感器输出电压值，分别基于X方向传感器的输出电压值与Y方向传感器的输出电压值，进行多项式拟合，得到所有网格线的方向位移量与方向传感器输出的电压值之间的标定方程。

（2） 垂线坐标仪执行测量时，将传感器电压值分别代入两个方向中心网格线对应的标定方程，计算得到位移值。

（3） 依据Y方向位移值选择最近网格线的X方向标定方程，将X方向传感器电压值代入计算得到X方向位移迭代值；依据X方向位移值选择最近网格线的Y方向标定方程，将Y方向传感器电压值代入计算得到Y方向位移迭代值。

（4） 以新的位移迭代值代入重复上一步骤，直至当前输出位移迭代值与上一次迭代位移值相同，即得到测点位移值。

将图10中的测量数据采用迭代拟合方法进行计算，得知X方向最大拟合误差为0.031 7 mm，Y方向最大拟合误差为0.037 9 mm。

3.3" 实验测试

对样机按上述方式进行标定拟合后，在实验平台上设定分别沿X、Y方向，间隔30 mm测量采集，得到磁通测量垂线坐标仪位移值与平台位移读数如表3所列。可以看出，基于磁通测量位移传感方法及设计的磁通测量垂线坐标仪进行测量，结果最大绝对误差为0.051 mm，精度较高。

将被测钢管置于测量范围中心，即设定平台X方向位移为30 mm，Y方向位移为30 mm时，通过将垂线坐标仪置于30%～80%相对湿度下测试其示值，记录如表4所列。

由表4看出，磁通测量位移传感方法不受外界湿度变化影响，其示值的微小变化主要是受霍尔传感器精度、电路噪声及背景磁场噪声的影响。磁通测量垂线坐标仪从原理上消除了非铁磁性介质对大坝水平位移测量的影响，适用于大坝高湿度高粉尘的监测环境。

4" 现场应用

为观察磁通测量垂线坐标仪在大坝廊道的实际监测效果，在白鹤滩水电站18号坝段选择一个正垂测点进行测试。同时安装一台CCD垂线坐标仪和一台磁通测量垂线坐标仪（图12），每隔1 h自动采集一次位移值，其中仪器X轴正方向对应右岸方向，Y轴正方向对应顺水流方向。为便于数据比对，将位移过程线进行了平移，结果如图13所示，两种仪器测量的位移相对值在X方向最大误差为0.09 mm，在Y方向最大误差为0.07 mm。

5" 结 语

本文提出了一种适用于大坝水平位移监测的磁通测量位移传感方法，通过实验室测试及现场应用，验证了此方法的可行性，并有效消除了非铁磁性介质对测量结果的影响。同时，提出了一种迭代标定拟合的方法，提高了磁通测量传感器电压与位移的拟合精度。目前现场应用效果较好，但监测时间较短，其长期稳定性问题仍需密切关注。

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（编辑：胡旭东）

Research on horizontal displacement monitoring method for dams based on magnetic flux measurement

FANG Kuanda1，ZHANG Jikai2，YAO Mengdi3，YU Qi1，GAO Chao1

（1.China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China；" 2.Institute of Engineering Safety and Disaster Prevention，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；" 3.Three Gorges Construction Engineering Corporation，Beijing 101100，China）

Abstract：

Vertical line measurement technology has been widely used in dam horizontal displacement monitoring because of its simplicity and effectiveness.However，facing the high humidity and high dust monitoring environment，traditional monitoring methods have certain limitations.Therefore，a method of dam horizontal displacement monitoring based on magnetic flux measurement was proposed.In this method，based on the principle that magnetic flux is not affected by non-ferromagnetic medium，taking magnetic flux as medium，the displacement change was converted into the voltage change of magnetic sensor by constructing appropriate magnetic circuit.According to the actual demand，a differential flux measurement sensor was designed to weaken the influence of background magnetic field，and the data fitting method of iterative calibration was used to improve the fitting accuracy.Combined with theoretical analysis and laboratory test，a magnetic flux measurement vertical coordinate instrument suitable for high humidity and high dust environment，with an accuracy of 0.1 mm，was developed，and then was used in Baihetan Hydropower Station.The experimental and field application results showed that the method of dam horizontal displacement monitoring based on magnetic flux measurement was feasible，and the magnetic flux measurement vertical coordinate instrument is in good operation at the site of hydropower stations.

Key words：

magnetic flux measurement； horizontal displacement； safety monitoring； Hall sensor； high humidity