MEMS固定式倾斜仪测值偏差原因分析

何领军,张雪芳,崔玉玺

(中国水利水电第七工程局有限公司科研设计院,成都 611730)

0 前 言

西藏多布水电站工程位于西藏自治区林芝市，主要任务为发电，装机容量4×30 MW。工程枢纽由土工膜防渗砂砾石坝、左岸泄洪闸及生态放水孔、引水发电系统、左副坝及鱼道等建筑物组成。该电站为目前中国深厚覆盖层上最高的重力式闸坝，最大坝高47.3 m。 其防渗结构主要为悬挂式混凝土防渗墙，混凝土防渗墙体变形对坝体防渗系统极其重要。

MEMS固定式倾斜仪，是基于微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)的一种倾角测量仪器，与传统的倾角测量仪器(伺服加速度计式、电解液式倾角传感器)相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、集成度高和智能化的特点，越来越多的应用在水工监测行业。多布水电站为监测混凝土防渗墙的变形，共设计4个测斜断面，分别布置在泄洪闸坝段防渗墙、左副坝坝段防渗墙和砂砾石坝段防渗墙。采用美国基康生产的MEMS-6150型双轴固定式倾斜仪，仪器共计42支。

MEMS传感器式固定式倾斜仪现场安装后，测值较为稳定，但分别在某一时间点后测值出现较大偏差，数据过程线出现明显的突变，如图1所示。

经现场查证，在排除防渗墙发生较大变形的可能和测量仪表自身的问题后，确认测值的偏差主要是由加长电缆引起，而厂家仪器安装说明书关于电缆加长对测值偏差的影响未作出任何说明，也未给出修正方法，因此，如何对已安装的固定式倾斜仪测值进行修正，修正值的数值如何确定成为一个难题。

2 MEMS固定式倾斜仪测值偏差分析

MEMS固定式倾斜仪的工作原理：传感器中密封了MEMS微机电传感器，当传感器倾角发生变化，其相应输出电压信号发生变化。传感器电缆中红和红黑电缆芯线负责给MEMS传感器提供12VDC的电源，白和白黑芯线负责测量A轴输出电压信号、绿和绿黑芯线负责测量B轴输出电压信号、蓝和蓝黑芯线负责测量热敏电阻值。其结构原理如图2所示。

图1 MEMS-6150固定式倾斜仪加长电缆数据突变图

图2 MEMS-6150固定式倾斜仪结构原理图

从图2可知，在传感器电缆长度大幅改变后，经由电源电缆提供的12VDC激励电压在到达MEMS传感器后，会产生一定的损耗，故经由信号电缆输出的电压信号在测量仪表量测时，会产生一定的偏差，具体表现为：通信距离增加，输出电压信号增大；通信距离减小，输出电压减小。

为对此种偏差进行量化，进行了现场试验，具体的试验方法：① 固定1支MEMS-6150传感器，确保其稳定不动；② 对不同长度的原厂仪器电缆，进行实测芯线电阻。采用同一个仪表，测量其测值；③ 分析电缆长度对测值偏差的影响。具体试验数据如表1所示。

本次现场试验，采用同一型号的电缆，因MEMS固定式倾斜仪的电缆供电芯线和信号芯线截面积不同，电阻值不同，为便于分析，采用了分析电缆长度与输出电压信号的关系。

表1 MEMS-6150固定倾斜仪加长电缆数据偏差试验数据表

注：① 环境温度，20.2 ℃,传感器型号：美国基康MEMS-6150；② 传感器序列号：SN 1233925；③ 测量仪表型号：美国基康RB-500；④ 测量仪表序列号：122748；⑤ 电缆采用：基康 BGK04-375V9 (6×0.4+2×0.6) mm2型号屏蔽控制电缆。

通过上述实验数据分析电缆长度与实测电压值的关系，可知：电缆长度和A轴电压信号的实测关系公式为：

Y=KX+C

(1)

式中：Y为不同电缆长度下实测A轴电压信号值；K为线性系数；X为不同的电缆长度；C为常数；

由试验原理来看，在保持传感器稳定不动，即传感器倾角不变的情况下，其电压信号测值在理想状况下也应稳定不变，但实际测量其输出电压信号与电缆长度呈正比关系，且电压信号随着电缆长度的增长而增大。

故式(1)中，在电缆长度为X0(未加长电缆)情况下Y0=KX0+C，在电缆长度为X1(加长电缆后) 情况下Y1=KX1+C，且假设加长电缆对测值没有影响，Y0=Y1成立。

故可推导

Y0-Y1=K×(X0-X1)

(2)

由式(2)可知，为修正加长电缆对其电压测值的影响，实际测值中必须扣除其偏差值，为方便理解，式(2)推导公式可改为：

VT=VC-K×(LC-LO)

(3)

式中：VT为修正后测值真实测值；VC为加长电缆后实际测值；K为修正系数；LC为当前电缆长度；LO为原始电缆长度。

利用公式(3),确定本工程MEMS固定式倾斜仪A轴修正系数K=0.000 798，B轴修正系数K=0.000 796，用上述修正系数检验表1中的实验数据，其结果如表2。

表2 MEMS-6150固定式倾斜仪加长电缆数据偏差试验数据修正表

通过表2可以看出，经偏差修正后，电缆加长后的测值与未加长电缆时仪器测值比较吻合，基本消除了加长电缆对固定式测斜仪测值的影响，其数据偏差在±0.003 V范围内，通过计算可知，对MEMS-6150固定式倾斜仪计算结果的影响小于±1 mm。

3 结 语

综上所述，基于MEMS微机电系统的倾角测量仪器，在其安装过程中，需计算电缆长度对倾斜测值的影响，但其根本原因，是电缆加长后电缆芯线电阻值的变化对电压测值的影响。

因此，MEMS固定式倾斜仪，需在进行仪器首次安装时，将仪器电缆一次加长至连接到终端所需长度，避免二次加长对相对倾斜计算结果的影响；如后期二次加长电缆，需采用同一型号的电缆，采取现场分析计算电缆长度(电缆电阻)对电压测值的修正系数，修正测值，否则会造成监测数据的突变，引起对建筑物变形趋势的误判。

本次试验，弥补了传感器厂家对MEMS固定式倾斜仪电缆加长对测值偏差修正的漏洞，为此类传感器现场安装和资料分析提供了经验借鉴和方法指导。

参考文献:

[1] 朱长纯,韩建强,刘君华.微机械传感器的现状与发展[J].电子元器件应用,2003,(04):8-11.

[2] 李桂平,罗孝兵,曹翊军,孙俊,安宝庆.基于高精度双轴敏感元件研制的二维固定式测斜仪[J].西北水电,2011,(S1): 136-138.