磁致伸缩传感器在大坝监测领域的应用
作者：梁栋汉；张华享



    大坝是一种特殊建筑物，它投入巨大，但同样产生的效益也是巨大的；它整体设计结构复杂，所处的运行环境更加复杂；它的损伤可能会造成一个地区的严重破坏，甚至人命的伤亡。因此大坝的安全更加值得重视，要准确了解大坝的工作性态，只能通过大坝安全检测来实现。   国际大坝会议 1950 年至 1975 年对大坝失事的概率和成因进行分析， 其中20% 是由于地下渗漏引起压力过高、渗流量增大、渗透坡降过大引起，11% 是因为大坝老化、材料开裂以及施工质量引起。近些年，一些水利单位较多采用了位移传感器产品去实现自动测量、提供数据给上层系统进行分析，更加及时了解大坝的情况。由于磁致伸缩位移传感器产品与其他位移产品有着明显精度上、稳定性上、可靠性上的优越，已经逐渐在位移、液位监控方面显露它的威力。

1磁致伸缩位移传感器工作原理

     磁致伸缩传感器的核心材料是以铁镍合金为基础的铁磁材料，一 般称为波导丝。1858 年威德曼观察到浸没在纵向磁场中的铁磁棒当携带电流时将产生扭转，该扭转来源于组合的纵向磁场与电流传输时产生  的圆形磁场，这种现象称为磁致伸缩现象，也称为威德曼效应，其逆效  应为维拉里效应。

     如图1 所示就是基本的磁致伸缩传感器原理图，当传感器工作时，电路产生一个电流脉冲（起始脉冲） 输入到波导丝中，此脉冲建立的圆形磁场沿波导丝传播，当遇到非接触式磁环中的纵向磁场时，由于磁致  伸缩现象，波导丝在相交点产生一个机械应变脉冲，并以声速向两个方  向传输。往波导丝末端传输的应变脉冲被末端的吸能材料吸收，而往电  路方向的应变脉冲则经过转换器的线圈转换出感应电动势，即维拉里效  应，该电动势被电路检测并放大。通过测量起始脉冲与感应电动势之间  的时间，再乘以脉冲传播的固定声速，即能计算出非接触磁环的实际距  离。由于这个过程是连续不断的，只要磁环被带动，新位置能够立刻被  感知。磁致伸缩位移传感器输出的信号是一个绝对值，具有高精度、高  响应、低迟滞、非接触、寿命长、稳定性高、安装方便等优点，无需定  期标定和维护，因而被精确测量领域广泛应用。

     正因为磁致伸缩原理的优势，磁致伸缩位移传感器在大坝监测领域慢慢得到了广泛的应用，包括整体位移监测、大坝裂缝监测以及大坝  渗流检测，下面将详细介绍这三方面的具体应用。

2大坝整体位移的监测

     在大坝的两端各取一个相对大地静止的参考点，将两点用一根参 考线连接起来并与大坝基本保持平行状态，这就构成整个大坝整体位移的参照物。然后通过安装在大坝的位移传感器检测两者之间的相对位  移。现场具体的实施办法如图2 所示：.

      磁致伸缩位移传感器固定在箱子内一起嵌在大坝上，连接大坝两端的参考线通过一个管子保护，保证参考线不易受其他的干扰。参考线上安装了特制的磁环，磁环套在传感器的测杆上但与测杆互不接触。参考线再通过惰性水等其它措施保持在稳定的状态。当大坝发生移动时，  磁环相对测杆发生移动，传感器能立刻将测得的信号送到控制室，检测人员就能立刻知道大坝的移位状况。

3大坝裂缝（结合缝） 的监测

      根据建筑学的相关原理，大坝的结构主要由坝柱结合水泥墙的方 式构成，其中坝柱的桩打得很深，水泥墙相对很浅。随着时间的推移在  坝柱与水泥墙之间会有裂缝产生，这就需要进行监测。在裂缝监测的应  用中，磁致伸缩位移传感器被安装在大坝内的通道里面（随着大坝的高  度不同，通道层数也不同）。一个通道可以根据内部实际情况考虑，需  在多个点安装并监测。实际现场安装时磁环固定在水泥墙上，传感器则  固定在坝柱上，当裂缝变化时，磁环跟随水泥墙发生位置变化，传感器  将磁环移动产生的新位置信号传送到控制室。

     由于在大坝监测上的位移量都是很小，而且这种变化是一个长期的  缓慢的变化过程，磁致伸缩位移传感器由于其特有的原理在精确度和稳  定性方面都能很好的满足了这种测量的要求，因此得到了广泛的应用。

4大坝渗流的监测

     在大坝工程中，因为渗流所产生的工程事故高达20%~ 30%，为了保障大坝的运行安全和安全管理的需要，对已经建成的大坝进行渗流检测以及安全评价非常重要。当水库建成后，会对坝体、坝肩、基岩等周边的地基产生很大影响，特别是大坝蓄水后，产生了水压荷载，并在上下游水位差的作用下，对坝体、坝基和绕坝产生渗流。而渗流量是反映渗流状态的基本要素，是反映渗流安全问题最直观、灵敏和综合的因素，  对防渗体工作状态反映最全面及时，很多工程变化在渗流压力观测判断还不够明确时，渗流量反映已经相当明显。因此，按照有关规范的要求，  需对通过坝体、坝基和两岸绕坝渗流的渗漏水流量进行观测计量。

绕坝渗流一般通过布置在绕流线或沿着渗流较集中的透水层中的测压孔来观测其水位变化。渗流量的观测方法有以下三种：

1）当流量小于 1L/s 时，宜采用容积法；

2）当流量在1～300L/s 时，宜采用量水堰法；

3）当流量大于300L/s 或者无法设置量水堰时，可以采用流速仪法或断面水位法；

其中量水堰法应用较为广泛，一般由集水沟、量水堰计、堰板等 组成整个量水堰系统。

      在量水堰计中使用的传感器中，有多种工作原理的，如电容式、  电感式、光电式等，但都存在共同的弱点，就是需要定期重新标定，长期稳定性差，容易损坏，安装后期的维护费较高。而采用磁致伸缩液位传感器的量水堰计却能克服以上液位传感器的共同弱点，它特有的工作原理决定了它的高精度、长期可靠性、稳定性和安装便利等优点。量水堰计一般由传感器、防污管、安装法兰、水平泡等组成。图3 是量水堰计在实际安装使用的模拟图，在实际现场安装中，需要采用防污管对传感器进行保护，一是防止污泥进入，以免对浮球的上下浮动造成影响，  二是防止水位的大幅度波动对浮球造成晃动而引起输出信号的波动。量水堰计一般安装在堰板上游1 米左右的堰槽侧壁，而防污管与集水沟是连通器原理，因此两者的水位高低保持一致。当浮球跟随防污管内的水位变化而大阳城娱乐变化时，传感器输出信号给控制室或者二次仪表，就可以直接显示水位的变化量。

5 结 语

      在大坝的安全监测领域中，高精度、高稳定、高可靠的磁致伸缩 位移/   液位传感器以其特有的工作原理得到了多方面的应用。通过传感器的测量对大坝的移位、裂缝、渗流进行精确的监控，更好地对大坝的  安全状况进行准确的评估，避免重大事故的发生。






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