MEMS固定式傾斜儀測值偏差原因分析

何領軍,張雪芳,崔玉璽

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設計院,成都 611730)

0 前 言

西藏多布水電站工程位于西藏自治區林芝市，主要任務為發電，裝機容量4×30 MW。工程樞紐由土工膜防滲砂礫石壩、左岸泄洪閘及生態放水孔、引水發電系統、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。 其防滲結構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極其重要。

MEMS固定式傾斜儀，是基于微機電系統(Microelectro Mechanical Systems)的一種傾角測量儀器，與傳統的傾角測量儀器(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，越來越多的應用在水工監測行業。多布水電站為監測混凝土防滲墻的變形，共設計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場安裝后，測值較為穩定，但分別在某一時間點后測值出現較大偏差，數據過程線出現明顯的突變，如圖1所示。

經現場查證，在排除防滲墻發生較大變形的可能和測量儀表自身的問題后，確認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行修正，修正值的數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微機電傳感器，當傳感器傾角發生變化，其相應輸出電壓信號發生變化。傳感器電纜中紅和紅黑電纜芯線負責給MEMS傳感器提供12VDC的電源，白和白黑芯線負責測量A軸輸出電壓信號、綠和綠黑芯線負責測量B軸輸出電壓信號、藍和藍黑芯線負責測量熱敏電阻值。其結構原理如圖2所示。

圖1 MEMS-6150固定式傾斜儀加長電纜數據突變圖

圖2 MEMS-6150固定式傾斜儀結構原理圖

從圖2可知，在傳感器電纜長度大幅改變后，經由電源電纜提供的12VDC激勵電壓在到達MEMS傳感器后，會產生一定的損耗，故經由信號電纜輸出的電壓信號在測量儀表量測時，會產生一定的偏差，具體表現為：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。

為對此種偏差進行量化，進行了現場試驗，具體的試驗方法：① 固定1支MEMS-6150傳感器，確保其穩定不動；② 對不同長度的原廠儀器電纜，進行實測芯線電阻。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。具體試驗數據如表1所示。

本次現場試驗，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系。

表1 MEMS-6150固定傾斜儀加長電纜數據偏差試驗數據表

注：① 環境溫度，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。

通過上述實驗數據分析電纜長度與實測電壓值的關系，可知：電纜長度和A軸電壓信號的實測關系公式為：

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；X為不同的電纜長度；C為常數；

由試驗原理來看，在保持傳感器穩定不動，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穩定不變，但實際測量其輸出電壓信號與電纜長度呈正比關系，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，且假設加長電纜對測值沒有影響，Y0=Y1成立。

故可推導

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；LC為當前電纜長度；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K=0.000 798，B軸修正系數K=0.000 796，用上述修正系數檢驗表1中的實驗數據，其結果如表2。

表2 MEMS-6150固定式傾斜儀加長電纜數據偏差試驗數據修正表

通過表2可以看出，經偏差修正后，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，其數據偏差在±0.003 V范圍內，通過計算可知，對MEMS-6150固定式傾斜儀計算結果的影響小于±1 mm。

3 結 語

綜上所述，基于MEMS微機電系統的傾角測量儀器，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，采取現場分析計算電纜長度(電纜電阻)對電壓測值的修正系數，修正測值，否則會造成監測數據的突變，引起對建筑物變形趨勢的誤判。

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

參考文獻:

[1] 朱長純,韓建強,劉君華.微機械傳感器的現狀與發展[J].電子元器件應用,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.