第四讲：运行中的监测仪器设备检验与性能评价—王玉洁[1]

1、.运行中的监测仪器设备检验与性能评价大坝安全监测仪器设备是监测大坝运行状况，及时发现工程隐患的重要设施，是大坝运行管理的耳目。监测系统运行是否正常、可靠、有效，是能否发挥其“耳目”作用的关键。各位都是水电运行管理人员，日常工作离不开水电站大坝安全监测资料，需要准确、可靠地获取测值，及时分析评判，以此了解大坝的工作状态。而监测数据都是通过仪器测得，因此仪器的工作状态直接关系到监测数据的准确性和可靠性。今天主要介绍常用的几种监测仪器设备的现场检验和性能评价（不包括大地几何测量方法及相关的仪器）。1、垂线系统垂线系统包括正垂线、倒垂线或正倒垂线组。 1.1 垂线装置垂线装置应满足DL/T5178-2

2、003规范中规定的有关要求：(1) 倒垂线实际浮子浮力P实应大于规范要求的计算浮力P计，即P实P计，两者单位为N。其中 P计250（1+0.01L）式中：L垂线长度，单位为m。(2) 正垂线实测正垂挂重重量G实应大于规范要求的计算重量，即G实G计，两者单位为kg。其中 G计20（1+0.02L）式中：L垂线长度，单位为m。(3) 垂线线体强度复核倒垂线线体安全系数应满足K3，正垂线线体安全系数应满足K2。钢丝抗拉安全系数：式中：钢钢丝极限抗拉强度应力，单位为kg/ cm2。实钢丝实际承受的应力，单位为kg/ cm2。钢丝实际承受的应力：式中：P实实测倒垂线浮力或正垂线挂重重量；W钢丝截面积。为

3、了保证倒垂浮力，运行状态下浮桶内浮体组内的浮子应没入浮筒内，浮子应保持水平、连接杆应垂直，浮子应位于浮桶中心，并处于自由状态。对正垂装置检查记录阻尼桶内径和高度，重锤直径、高度和重量；重锤是否设阻尼止动叶片；阻尼液体等。(4) 垂线复位差垂线线体复位差及稳定性测试目的主要是检验垂线的安装质量和抗干扰性能。测试位置（点）的选择：考虑有的垂线有多个测点，倒垂线选择在高程最低的测点处，正垂线选择在中间测点处（当只有1个或2个测点时，选高程最低的测点处）具体方法是：在垂线未扰动的情况下，分别测读垂线读数；再将垂线轻轻地向左右岸或上下游方向各推移20mm左右后松手（共测4次），等待垂线稳定，记录稳定后的

4、读数及稳定所需的时间。在垂线推移过程中遇到碰线、线体移动困难、不对称活动范围等现象，则表明护管内有异物，或浮子、挂重碰壁，需进一步查明原因，采取措施，使其恢复正常。垂线复位差应小于0.2mm。(5) 垂线护管有效孔径倒垂线护管有效孔径应大于监测对象的最大可能变形，倒垂线护管有效孔径至少应75mm；正垂线护管有效孔径至少应大于85mm。这里还需指出，即使护管有效孔径很大，但垂线最终锚固点或悬挂点位置偏离有效孔径太多，有时也不能满足要求。(6) 倒垂线锚固深度倒垂线钻孔深入基岩深度应参照坝工设计计算结果，达到变形可忽略不计处。缺少该项计算结果时，可取坝高的1/41/2，钻孔深度不宜小于10m。(7

5、) 倒垂线长度规范中还有一条“单段垂线的长度不宜大于50m”的规定，供参考。如果线体较长，但护管（或垂线井）防风效果较好（判断标准是垂线不抖动），拨动后复位较快，复位误差较小，单段垂线长稍大于50m影响也不大。1.2 光学垂线坐标仪准确性检验光学垂线坐标仪准确性检验分初始值检验和间隙差检验。 初始值检验CG-2A型便携式光学垂线坐标仪，初始值指垂线坐标仪第一次使用时，在该检验平台上所测的初始值，其初始值检验是利用室内建立的检验平台（有些电厂建有，有些电厂未建）平台上仪器底盘和垂线的相对位置是不变的。检查时，观测三测回，每测回均应将仪器重新整置调平。每测回照准垂线两次，并读数。两次读数差不得大于

6、0.2mm，三测回之互差不得大于0.2mm。取三测回平均值与首次检查初始值比较，若超过1mm，仪器不合格，须送厂家校正仪器零位。 间隙差检验由于仪器测读时螺杆前进与后退过程中，可能存在间隙误差。现场测试时，将光学垂线坐标仪置于检验平台上（未建检验平台的可在垂线观测平台上进行），整平垂线坐标仪，照准垂线，分别测读竖尺（X）、横尺（Y）向读数；然后分别将X、Y向的丝杆向前推进至量程边缘后，退回，重新照准垂线，分别测读X、Y向读数。检查时，观测三测回，每测回均应将仪器重新整置调平。每测回照准垂线两次，并读数。两次读数差不得大于0.2mm。1.3 遥测垂线坐标仪准确度检验检验用的数据测读仪器可以是小仪

7、表，自带显示器或自动化采集系统，尽量采用自带显示器或小仪表，以便与自动化系统采集模块的性能分开。检验工具：5mm标准块1个，10mm标准块1个（或专用标定架一个，50mm或100mm量程的百分表一只，磁性表座一套）。目的是认为将垂线移动一个标准距离（位移）用读数仪器读得位移值（初始读数移动后读数），给定的标准位移与测得位移之差应小于限值（0.5mm）。2、引张线2.1 引张线装置引张线装置应满足DL/T5178-2003规范中规定的有关要求：(1) 引张线端点装置应采用一端固定一端加力的办法，或采用两端加力的办法。(2) 重锤重量应满足下面计算公式，同时还应满足线体强度安全系数K2。H式中：

8、H 水平拉力（近似于重锤重量），单位为kg；S 引张线长度，单位为m；对于有浮托的引张线，即为两浮托之间的间距，可取各相邻测点之间间距的最大值进行计算；对于无浮托引张线，即为引张线两端点间的距离。 W 引张线钢丝单位重，单位为kg/m； Y 引张线悬链线垂径，单位为mm，取值应小于护管半径。测线越长，其所需的拉力越大，长度200m600m的引张线，一般采用40kg80kg的重锤张拉，线体直径一般采用0.8mm1.2mm，并满足钢丝抗拉安全系数K2。当已知重锤重量时，也可计算悬链线垂径大小，再根据线体在护管中的位置，来评价护管的直径能否满足要求（评价标准是线体下垂后不能碰到管壁）。各测点保护以及

9、防风、防小动物效果；液体箱中的浮船情况；线体是否高于不锈钢标尺0.3mm3mm；记录线体的材料和直径。线体强度安全系数计算同垂线。2.2 三角形试验三角形试验也称引张线线体试验，其目的主要是检验引张线的安装质量及抗干扰性能以及遥测引张线仪的读数准确性。具体方法：把引张线处于未挠动的自由状态视为初始状态，对各测点逐点进行人工测读（记为A0）和自动化测读（记为M0，有自动化系统时测），然后在引张线中间部位的测点处用标准块和磁性标座将线体往上游或下游推动10mm20mm后并固定（视为中间状态），待线体稳定后，对各测点进行人工测读（记为A1）和自动化测读（记为M1）。取出标准块，记录引张线的稳定复位时

10、间，并再次逐点进行人工测读（记为A2）和自动化测读（记为M2）。按相似三角形原理，计算各测点的理论位移值（记为B0），并将实测位移值与理论位移值进行比较，此为线体试验。取出标准块待线体稳定后的测值与初始状态测值相比（各测点理论位移值应为零），计算复位差，此为复位测试。若实测值和复位差在0.5mm内的，表明引张线工作状态好，测值与理论值越接近，仪器的准确性也越好。为直观起见绘制出实测位移值与理论值之间的对比图。图2.2-1 张线线体试验测值对比图若实测值和复位差超过0.5mm，但人工和自动实测值之差小于0.5mm，则可能是该部位浮船搁浅，线体受阻等原因，需要进一步检查，并采取措施，使其恢复正常。

11、若人工和自动的测值其中之一与理论值相差超过限差，另一个在限差范围内，则相差大的那个仪器测值准确性不好。3、静力水准3.1 系统工况静力水准系统主要由钵体（含浮子、传感器）、连通管线等组成。静力水准法是利用连通管内液面保持自然水平的原理，测量各测点液面高度变化，测出二点或多点之间的高差。为了同时观测多点之间的垂直位移，可将一系列的水管串连起来，组成静力水准系统，如图3.1-1，设1号点为相对基准点，设置在稳定的基岩上，或采用钻孔设双金属标对基点的位移进行校测，即可求出各测点的绝对位移。图3.1-1 多点静力水准系统示意图直观检查钵体与建筑物结合是否紧密，能否有效反映大坝变形。要求：钵体中所装的“

12、SG”溶液无漏液现象；钵体外设置保护箱，外观正常，内部浮子自由，无搁浅现象；水管管内液体无气泡，无漏液现象；管路及信号线、电源线保护得当；经校核基点（或双金属标）修正后的绝对位移值计算公式正确。3.2 连通性及传感器准确性测试静力水准系统依据连通管原理，量测每个测点容器内容器底面安装高程与液面相对变化，再通过计算求得各测点相对于基点的绝对位移。理论上，若水准管路连通较好，基点垫高并稳定足够时间后，同一管路上的各测点液面均应上升一定高度，使液面保持在同一水平线，若液面上升高度差别较大，则说明某一处的管路存在堵塞不畅通现象或测点故障。静力水准连通性测试目的主要是检验连通管的连通性及自动化数据采集系

13、统的准确性。静力水准仪连通性测试采用基点（可任意点或中间测点）垫高的方法，其过程为：(1) 垫高前进行逐点读取数据，记录读数A0；(2) 然后将基点（可任意点或中间测点）垫高，并准确记录垫高值H，一般为20mm；在垫高后一般需要稳定2小时左右，逐点读取数据，记录读数；（人工测读和自动化测读相同）。(3) 计算最后一次读数A1与初始读数A0之差A= A1- A0，一般各钵体的尺寸相同，因此A在理论上等于h。对于基点（或垫高点）：h=（基点液面下降）对于其他测点：h=- （测点液面上升） ，n线路测点数（包括基点）。采用方差分析的评价方法。设为实测差值，为测试精度，则：式中：A为自动化系统实测液面

14、变化量；h为垫高后液面高度理论变化量。为自动化系统测量误差；为垫高测试误差。考虑静力水准仪的精度0.05mm，由于液面变化量为两次读数差，则0.050.07；考虑现场标定时综合误差，标定精度取0.1mm，则：一般要求的可认为测值准确性能满足要求。实际判断时，若实测值和和理论值之差超过0.12mm，但人工和自动实测值之差小于0.12mm，则传感器读数准确，可能是管路堵塞等原因造成，是需要进一步检查，并采取措施，使其恢复正常。若人工和自动的测值其中之一与理论值之差超过限差，另一个在限差范围内，则相差大的那个仪器测值准确性不好。若人工和自动测值实测值和理论值之差均超过限差，人工和自动化测值差也超过限

15、差，侧需要通过系统检查，和历史数据考核，逐一查明是系统还是传感器的问题。4、真空激光准直激光准直系统是在80年代初，在光学视准线基础上开发研制的监测重力坝水平位移的准值线法。它采用波带板激光准直原理。如上图所示，点光源A发射一束光，通过波带板即测点B衍射，并在AB延长线上即接收端C点形成圆形光斑，当测点位移至B点，产生位移量a时，接收端的光斑移至AB延长线上的C点。测定CC位移量，通过计算，可得出测点位移量。图4.1-1 真空激光原理示意图1激光探测器；2波带板；3激光点光源4十字亮线；5测点1；6测点4.1 系统工况真空激光准直系统分为激光准直系统和真空管道系统两部分，见图4.1-2。图4.

16、1-2 真空激光准值系统示意图4.1.1 激光准直系统激光准直系统（波带板激光准直）由激光点光源（发射点）、波带板及其支架（测点）和激光探测仪（接收端点）组成；激光点光源包括定位扩束小孔光栏、激光器和激光电源。小孔孔光栏的直径应使激光束在第一块波带板处的光斑直径大于波带板有效直径的1.52倍。激光器应采用发散角小（1毫弧度3毫弧度）、功率适宜（一般用1 MW 3MW）的激光器。激光电源应和激光器相匹配。外接电源应尽量通过自动稳压器。测点一般设观测墩，将波带板支架固定在观测墩上。宜采用微电机带动波带板起落，由接收端操作控制。波带板宜采用圆形。当采用目测激光探测仪时，也可采用方形或条形波带板。激光

17、探测仪有手动（目测）和自动探测两种，有条件时，应尽量采用自动探测，激光探测仪的量程和精度必须满足位移观测的要求。4.1.2 真空管道系统真空管道系统由真空管道、测点箱、软连接段、两端平晶密封段、真空泵及其配件组成。真空管道宜选用无缝钢管，其内径应大于波带板最大通光孔径的1.5倍，或大于测点最大位移量引起象点位移量的1.5倍，但不宜小于150mm。管道内的气压应控制在20000Pa以下。并应按此要求确定允许漏气速率，漏气速率不宜大于120Pa/h。测点箱必须和坝体牢固结合，使之代表坝体位移。测点箱两侧应开孔，以便通过激光。同时应焊接带法兰的短管，与两侧的软连接段连接。测点箱顶部应有能开启的活门，

18、以便安装或维护波带板及其配件。每一测点箱和两侧管道间必须设软连接段。软连接段一般采用金属波纹管，其内径应和管道内径一致，波数依据每个波的允许位移量和每段管道的长度、气温变化幅度等因素确定。两端平晶密封段必须具有足够的刚度，其长度应略大于高度，并应和端点观测墩牢固结合，保证在长期受力的情况下，其变形对测值的影响可忽略不计。真空泵应配有电磁阀门和真空仪表等附件。测点箱与支墩、管道与支墩的连接，应有可调装置，以便安装时将各部件调整到设计位置。管道系统所有的接头部位，均应设计密封法兰。法兰上应有橡胶密封槽，用真空橡胶密封。在有负温的地区，宜选用中硬度真空橡胶并略加大橡胶圈的断面直径。4.2 准确性测试

19、考虑到真空激光准直系统的特殊性，一般只进行短期稳定性测试及校核基点(一般两端都布设垂线、双金属标进行校核）绝对位移值计算公式校测。5、测压管、地下水位监测孔5.1 测压管和地下水位孔工况5.1.1 外观检查孔口装置是否合适（土石坝测压管孔口装置应防止雨水流入和人畜破坏）；有压孔孔口等有无渗漏现象，压力表的精度等级。孔内畅通情况结合现场测试时检查，电测水位计放入孔中时，有无放不下、受阻等现象。现场人员应熟识孔口高程、基岩面高程（指扬压力监测孔）、孔底高程、测管直径等有关基本资料。扬压力监测孔是否与排水孔共用。若共用，则要查明情况及原因。扬压力孔的深度一般在大坝计算滑动面下0.51m范围内，目的是

20、监测计算滑动面的扬压力；而排水孔的目的是排除可能从防渗帷幕渗漏出来的渗水，减少坝基的渗透压力，一般情况下排水孔的深度比扬压孔要深，不要共用。但若有些大坝已有监测坝基面（深度坝基面以下0.51m）的扬压力孔，另在选几个排水孔监测坝基渗透压力，也是允许的，有些大坝基础有构造带，存在深层滑动的问题，则需要在坝基面设扬压力观测孔外，还需要要设深层滑动面渗透压力观测孔。排水孔不能全部加压力表监测渗透压力，这会影响坝基渗透压力的排出，增大渗透压力。5.1.2 灵敏度测试测压管及地下水位监测孔的灵敏度检验采用注水或抽水试验。测压管灵敏度是检验测压管工作状态的重要依据。测试前，先测定管中的水位，然后向管内注入

21、清水或抽水，注水量在2m5m。如抽水，则抽水量在0.5m2m左右。记录注水或抽水后的水位。第1次读数在注水后2小时左右，第2次读数在注水后24小时左右，第3次读数在注水后48小时，第4次读数在注水后5天。若5天后水位未恢复或未接近原注水前水位，应在7天左右再测一次，结束本次灵敏度测试工作。如测压管压力表有压，则打开水龙头放水，记录时间同注水或抽水试验，读数为压力表读数。帷幕前的测压管不得任意排水，以防发生管涌。若在5天前水位已恢复或接近原注水前水位（差值不大于20mm），即可结束测试；测压管水位人工采用电测水位计或压力表观测，自动的采集的一般都采用渗压计。对已接入监测自动化系统的，注水试验测读

22、管内水位时，应同时进行人工和自动比测。（为了便于人工比测，渗压计的电缆不要固定在测压管闷头上）。若发现孔内电测水位计放不下、受阻、干孔、孔口渗水不密封等现象，应查明原因，及时采取措施。5.2 水位读数仪的精确度压力表、电测水位计和渗压计测值的准确性可根据比测结果进行分析，其中电测水位计的测值最为直观。若在“灵敏度”测试过程中，人工与自动化同时测读，则可直接利用“灵敏度”测试成果，分析自动化系统的测值准确性。5.2.1 压力表规范要求“采用压力表量测测压管的水头时，应根据管口可能产生的最大压力值，选用量程合适的精密压力表，使读数在1/3-2/3量程范围内，精度不得低于0.4级（满量程的0.4%）

23、”。但目前一些电厂的压力表还是沿用老规范采用精度为1级的压力表，在工程实际中10压力水头，10cm的误差尚可接受，若原有的压力表工作正常，还可继续采用，但若已损坏，则更改时应按新规范执行。当采用压力表测量测压管内水压时，压力值应读到最小估读单位；测压管放水后，压力表应归零；对于拆卸后重新安装的压力表应待压力稳定后才能读数；每年应对压力表进行校验。5.2.2 电测水位计应采用正规厂家生产的电测水位计，带尺材料要求线胀系数小，拉伸变形小。量测测压管内水位时，应将测头缓慢放入管内，在指示器开始反应时，测量出管口至孔内水面的距离，两次读数之差不应大于1cm。5.2.3 渗压计用渗压计量测监测孔的水位时

24、需根据不同量程的渗压计，采用相应的读数仪进行测读，渗压计精度不得低于满量程的4/1000。6、量水堰6.1 量水堰工况规范要求“河床和两岸的渗漏水宜分段量测，必要时可对每个排水孔单独量测。坝体渗漏水和坝基渗漏水宜分别量测”堰型可以是三角形量水堰、矩形量水堰或梯形量水堰，堰板一般采用不锈钢板，堰型一般选用三角堰，三角堰缺口为等腰三角形，底角为直角，堰口下游边缘呈45。矩形堰堰板应严格保持堰口水平，水舌两侧的堰墙上应留通气孔。堰槽段应采用矩形断面，其长度应大于堰上最大水头7倍，且总长不得小于2m（堰板上、下游的堰槽长度不得小于1.5m和0.5m）。堰槽两侧应平行和铅直。堰板应与水流方向垂直，并需直

25、立，水尺或水位计装置应该在堰板上游35倍堰上水头处，详见图6.1-1，图6.1-2。1水尺； 2堰板 图6.1-1 量水堰结构示意图 图6.1-2 直角三角形量水堰板示意图6.2 准确性满足量水堰布置条件的直角三角形薄壁量水堰（自由出流情况下）流量计算公式Q=1.4H5/2 ，式中流量Q的单位为m3/s，堰上水头H的单位为m。当采用其他底角的三角形量水堰时，如30、45、60等，流量系数应重新标定。量水堰的准确性与计算公式有关，对流量较小的量水堰现场可以采用容积法与公式计算流量进行对比，率定流量系数。堰上水头用水尺或水位测计装置进行观测， 规范要求“当采用水尺法测量量水堰堰顶水头时，水尺精度不

26、低于1mm；采用水位测针或量水堰水位计量测堰顶水头时，精度不低于0.1mm”7、水管式沉降仪7.1 系统工况7.1.1 外 观水管式沉降仪用于监测土石坝坝体内部沉降量，是利用液体在连通管内保持同一水平面的原理，在下游坡观测房内测得连通管一端的液面高程，便可知另一端（测点）的液面高程，前后两次液面高程之差即为该测点相对观测房的沉降量，加上观测房自身的沉降值，即为测点的绝对沉降量，详见图7.1-1。主要检查观测房内的测量板基座应与观测房底板连接牢固，读数尺刻度清晰，垂直地面，压力水室、阀门等的布置是否合理，检查水箱、管路（进水管、排水管、通气管）进出口以及测量板上带刻度的玻璃管畅通，无异物。图7.

27、1-1 水管式沉降仪示意图7.1.2 测 试现场测试方法如下： (1) 打开脱气水箱的供水开关向压力水室供水，水满后关紧水阀；(2) 向压力水罐施加15m的水头压力；(3) 关闭测量管与连通管的连通开关，打开压力水罐与进水管的开关，连续不间断的进水，使溢流出的水从排水管排出，排净进水管内可能存在的空气；(4) 再三通压力室、进水管、量测管，使量测管水位升到管口附近，即关压力室管，待量测管液面稳定（指间隔1020 min读一次数，两次读数不变），测读一次，并记录稳定时间。(5) 同前述的步骤，循环进行三次测读。排水管不出水，测值产生突变，可能是排气管或排水管，连通管受堵或破裂所致，应联合生产厂家

28、和安装单位采用压力通气泵进行通气检查和维修。7.2 精度控制水管式沉降仪的测量精度，取决于测头内水杯与测量读数管中的气体是否排尽，排气的方法是：在观测房给进水管充压力水（0.5MPa）,需要经过4-6倍管路的充水。反复充水不仅可以排出气泡，而且可以消除充入水与管路内原有的温差造成的测量误差。管式沉降仪观测时，应先排尽测量管路内水中气泡。安装埋设完成后，从观测房端由测量管路（进水管）向测头注入蒸馏水直到完全充满管路，并在观测房内有回水后停止充水，等回水停止，管路水位稳定才能取读数。（当回水远远小于进水速度时，水位在测头腔内上升，水就会进入通气管中，这样就造成通气管堵塞、整个测量系统失灵。）由于水

29、管式沉降仪的各测点位移是相对观测房的位移，因此在取得沉降仪起始值的同时应测量观测房地面（或观测房变形标点）高程，作为观测房高程的起始值。以后每次观测时也应同时观测观测房的沉降。8、引张线式水平位移计8.1 系统工况8.1.1 外观检查引张线式水平位移计用于监测土石坝坝体内部水平位移，其工作原理是在测点高程水平铺设能自由伸缩的管路，从各测点引出铟瓦钢丝，通过导向滑轮，在其终端（位于下游坡观测房内）加若干张拉平衡砝码，测点位移时，砝码带动钢丝移动，在固定标点处用游标卡尺测出钢丝的行程，算出测点的相对水平位移。若同时测量出观测房自身位移，即可算出测点的绝对位移。系统示意见图8.1-1。现场检查时，主

30、要检查引张线式水平位移计的线体、法码重量、读数尺（游标卡尺）设置是否完好、合理。固定砝码和测量加重砝码比例是否合理。据有关单位的观测试验认为，当测线长度达1000m时，测线承受拉应力不宜小于500Nmm2。一般可考虑拉应力达到钢丝强度的1/31/2，据以计算重锤重量。举例：每根测线待测时，在观测房内的测线末端加挂砝码重量25kg。每次观测时给每根测线末端加重到测读重量50kg。通过两个大小滑轮（直径比3：1）的传力，相应测线钢丝上承受150kg拉力。加重后稳定开始读数，此读数即为测读数，读数精确到0.1mm。读数结束，将砝码重量减到待测重量25kg。平行进行两次测读，其读数差不得大于2mm。该

31、观测方法正确，满足设计要求。图8.1-1 引张线式水平位移计示意图8.1.2 测 试现场测试方法如下：(1) 加重测试前，对各测点测读一次，记为读数B0；(2) 加重稳定（指间隔1020min读一次数，两次读数不变）后，对各测点测读一次，记为读数A1； (3) 再卸重加重测读，循环两次，并测读，记为读数A2、A3；(4) 最后卸重到待测挂重，稳定后测读复位读数，记为读数B。其中B-B0为复位差，A2A1，A3A1为读数差，复位差和读数差均应小于2mm。8.2 精度控制目前引张线式位移计大多采用人工观测，读数精度与系统工况、观测方法和游标卡尺的工作状态有关，因此测读时要保证按规范要求操作，保证两

32、次读数差小于2mm。9、差动电阻式仪器9.1 仪器特性差动电阻式仪器是利用张紧在仪器内部的两根弹性钢丝作为感应元件，将仪器感受到的物理量转换为模拟量。当仪器受到外界的拉压而变形时，一根钢丝受拉，电阻增加，另一根受压，电阻减小，用水工比例电桥测量两根钢丝电阻的比值，就可求出仪器的变形。另外，通过测量两根钢丝串联电阻，还可以算出仪器感受到的外界温度。差阻式仪器由美国加利福尼亚大学卡尔逊教授（R.W.Carlson）于1930年发明（故又称卡尔逊式仪器），20世纪50年代末我国开始研制和应用差阻式仪器，南京电力自动化设备厂为定点研发和生产厂。早期的差阻式仪器接长电缆均为4芯，测值精度受电缆芯线电阻影

33、响较大，为克服差阻式仪器因低阻值易受信号电缆电阻影响的缺点，20世纪70年代末由南京电力自动化设备厂研发了五芯测法技术，并基于五芯测法研制了相应的测量仪表和自动化系统。5芯测量技术采用恒流源测量原理。克服了电缆芯线电阻变差对测值的影响，我国80年代后期埋设的差阻式仪器多为5芯。接长电缆为五芯的差动电阻式仪器内部接线示意图见图9.2-1。9.2 现场测试差阻式仪器一般采用水工比例电桥进行测试，水工比例电桥准确性应通过电桥率定器（标准试件）进行测试。9.2.1 五芯电缆仪器五芯电缆仪器（包括测缝计、钢筋计、渗压计、应变计、无应力计等）。五芯测量系统采用输入阻抗高，采用恒流源方式进行测量，其假定是测

34、量放大器的开环放大倍数为无穷大，输出电阻也为无穷大，在输入端上没有电流，这样在测量电阻值和电阻比时电缆芯线电阻的变差不对测值产生影响，测量结果为：电阻比：Z=R1/R2反测电阻比：Z=1/Z =R2/R1电阻值：R=R1+R2 对五芯差阻式仪器进行检验时一般可先按五芯测法测定电阻比、反测电阻比、电阻值和仪器绝缘电阻4个数据，控制标准： 电阻比误差Z=1- Z正Z反|Z|3510-4 合格|Z|3510-4 不合格 绝缘度，根据已有工程经验，提出以下评价标准：R绝0.5 M 合格R绝0.5M 不合格要电桥按五芯测法测，电阻比评价不合格的仪器，可再按四芯测法测定仪器的各分线电阻值R蓝黑、R蓝红、R

35、黑红、R红白、R红绿、R白绿。图9.2-1 差动电阻式仪器（五芯电缆）内部接线图各测值之间的关系如下：电阻比：Z=R1/R2反测电阻比：Z=1/Z =R2/R1电阻值：R=R1+R2 【注：有的仪器只能测出总电阻RS= R1+R2+ R白+ R黑，则芯线电阻的推导公式要改】分线电阻：R黑蓝=r黑+r蓝 R蓝红=R2 +r蓝+r红 R黑红=R2+r黑+r红 R红绿=R1+r红+r绿 R红白=R1+r红+r白 R白绿=r白+r绿由以上各测值可进一步计算出正、反测电阻比之积（1ZZ）以及电缆芯线电阻r白、r绿、r黑、r蓝等值，其中：r白=( R白绿+R红白-R红绿)/2 r绿=( R白绿+R红绿-R

36、红白)/2 r黑=(R黑蓝+R黑红-R蓝红)/2 r蓝=(R黑蓝+R蓝红-R黑红)/2可以进一步查明仪器产生不正常变化的部位。如果是篮、黑、绿、白中有一芯断，该仪器还可按4芯接法使用。9.2.2 四芯电缆仪器四芯电缆仪器（包括测缝计、钢筋计、渗压计、应变计、无应力计等）接长电缆为四芯的差动电阻式仪器内部接线示意图见图9.2-2，由于少了施加恒流源的通路，采用4芯测法测得的电阻比和电阻值测量结果为：图9.2-2 差动电阻式仪器（四芯电缆）内部接线图电阻比：Z=(R1+r白)/(R2+r黑)反测电阻比：Z=1/Z=(R2+r黑)/(R1+r白)总电阻：Rs=R1+R2+r黑+r白温度电阻：Rt=R

37、1+R2+r黑r白或测2rr白绿用于扣除总电阻中的r黑+r白可见，无论是电阻比还是电阻值测值都与r黑和r白有关，四芯测法中假定各芯线电阻相同，芯线电阻变差相同，若r黑和r白每相差0.01，要引起（34）104电阻比的变化，因此需用检验合格的电桥按四芯测法测定仪器的正测电阻比Z 、反测电阻比Z 、总电阻RS 和分线电阻R黑红、R黑绿、R红绿、R红白、R白绿。各测值之间的关系如下： 电阻比：Z=(R1+r白)/(R2+r黑) 反测电阻比：Z=1/Z=(R2+r黑)/(R1+r白)总电阻：Rs=R1+R2+r黑+r白 分线电阻：R黑绿=R1 +R2 +r黑+r绿 R黑红=R2+r黑+r红 R红白=R

38、1+r红+r白 R红绿=R1+r红+r绿 R白绿=r白+r绿由以上各测值可进一步算得正、反测电阻比之积（1-ZZ）、仪器的电缆芯线电阻r白、r绿、r红等。其中：r白=(R红白+R白绿-R红绿)/2 r绿=(R红绿+R白绿-R红白)/2 r红=(R黑红+R红白-RS)/2电阻比和绝缘电阻的评定标准同五芯接法，电阻值变差主要检验r白绿 = r白 - r绿，r白黑 = r白 r黑，r黑蓝 = r黑 - r蓝的变差。|0.05合格|0.05 不合格9.2.3 温度计仪器接长电缆为三芯电缆的电阻式温度计，其内部接线示意图见图9.2-3。图9.2-3 电阻式温度计（三芯电缆）内部接线图用检验合格的电桥测定

39、仪器的Rs（R黑白）、R黑红与R红白，各测值之间的关系如下：总电阻： Rs= R黑白=R + r黑+r白 分线电阻：R黑红= R+r黑+r红 R红白= r红+r白由此还可算得红、白两芯线的电阻r红、r白，然后作进一步的分析。其中：r白=( R黑白-R黑红+R红白)/2 r绿=( R红白+R黑红绿-R黑白)/2接长电缆为四芯电缆的电阻式温度计，其内部接线示意图见图9.2-4。图9.2-4 电阻式温度计（四芯电缆）内部接线图用检验合格的电桥测定仪器的Rs（R黑白）、R黑红、R黑蓝、R蓝白、R红白，各测值之间的关系如下：总电阻： Rs= R黑白=R + r黑+r白 分线电阻：R黑红= R+ r黑+r

40、红R黑蓝= r黑+r蓝R蓝白= R+ r蓝+r白R红白= r红+r白由此还可算得各芯线的电阻r白、r红、r黑、r蓝，然后作进一步的分析。其中：r白=(R黑白-R黑红+ R红白)/2 r红=(R红白+R黑红-R黑白)/2 r黑=(R黑蓝+R黑白-R蓝白)/2 r蓝=(R蓝白+R黑蓝-R黑白)/2温度计的电阻与芯线电阻有关，用绝缘电阻和芯线变差来控制，标准同四芯电缆仪器，电阻值变差可适当放宽。10、钢弦式仪器10.1 仪器特性 振弦式仪器通常包括固定端块和被固定并被张拉的钢弦，通过测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦的张力/应变等物理量，钢弦的振弦频率与弦的张力之间的关系为： F=(1/2L)(T/M

41、)1/2式中：F钢弦的自振频率；L钢弦的长度； M单位长度钢弦的质量； T钢弦的张力。从激振和读数技术来区分，振弦式仪器主要有“拔振”（单线圈）和“自动谐振”（双线圈）两种方法。天荒坪工程采用的进口弦式仪器包括Gekon和Sinco公司生产的弦式仪器均采用“拔振”技术；而国产的弦式仪器（十四局）则采用“自动谐振”技术。弦式仪器的读数误差主要由下列几个原因产生：(1) 机壳与电缆引入处的密封失效由于大部分仪器工作在恶劣环境中，密封的失效将导致传感器不能正常工作。尤其是渗压计，机壳密封失效，将导致频率输出为零的结果。(2) 电缆进水当电缆进水严重时，芯线间存在水的旁路支路时，多出一个谐振频率，与钢

42、弦的自振频率混频后引起错误读数，当浸水严重时，频率将大幅度发生突变，直至信号完全消失。(3) 钢弦脱焊及氧化由于自振频率跟钢弦张力、钢弦长度、钢弦质量有关，钢丝氧化将引起自振频率增大。脱焊是突变的，且频率输出突然变零。(4) 钢弦松弛查看历史资料可发现，钢弦松弛的表现是：外力没有变化的情况下，频率值逐渐减小，直至逸出频率范围。10.2 温度影响 长期以来，大坝中使用的差动电阻式应变计必须进行温度修正方，对此现场技术人员及施工人员已经十分熟悉。近年来，国外引进的振弦式应变计也在大坝上得到应用。在使用过程中，普遍认为温度对钢弦式仪器的影响较小，一些现场施工观测人员在弦式仪器的应用中不进行温度测量。

43、对于观测资料也不进行温度修正的计算。实际上原装进口振弦式的说明书中，都明确要求进行温度补偿，特别是应变计，温度修正系数为12.210-6C。国内也有人做过专门的试验，得出的结论是差组式和振弦式应变计的每度热应变量（即温度修正系数）。几乎都在121310-6C的数量级。这个量值是一个不能认为影响较小的温度附加应变值。所以，必须在资料计算时加以修正。混凝土总应变修正值用下面公式可计算出。式中： 被测混凝土的总应变量，单位为10-6； 应变转换系数 ，单位为10-6/ kHz2；F1 实时测量的应变计频率模数，F=f2/1000, f为应变计钢丝的自振频率；F0 应变计的基准频率模数； 应变计的温度

44、修正系数，单位为10-6/ C；厂家给出的为12.210-6/ CT1 温度的实时测量值，单位为C；T0 温度的基准值。按上述公式算得的总应变量才能与差组式仪器计算得的总应变量一致，同样混凝土的线涨系数需要通过无应变计监测成果拟合求得。厂家的仪器使用说明书上的假定额定值为10.410-6/ C（仅供参考）。若弦式仪器不做温度修正，测得的总应变与差组式仪器的测值相差很大（甚至完全相反），在与假定线涨系数为10.410-6/ C条件下的应力应变相差相对较小，但也有约20%。可见弦式应变计温度测读及修正必不可少。举例如下：如（kF0）0 3000微应变，020（kF1）1 2900微应变，1301.

45、 现场常见的不测温度所得的应变（不记温度） = k（F1 F0 ）（1 0 ）= (29003000) = 100(压缩)2. 混凝土总应变，此值与差阻式仪器测得的总应变相当。总应变 = k（F1 F0 ）b（T1T0）= (29003000)(3020)12.2 = +22(与不计温度的结果相差很大)3. 仪器厂家提供的假定混凝土的线涨系数为10.410-6/ C，则应力应变为：（应力应变）= (29003000)+(30-20)(12.210.4) = -82(压缩)与不计温度测值相差约20%。实际上混凝土存在徐变，混凝土自身应变也有一个变化过程，国内都用无应力计进行监测。应力应变为总应变

46、减去无应力应变。同理其他振弦式仪器也要进行温度监测和修正，但根据仪器厂家提供的参数和实际计算成果，大量程的测缝计和位移计受温度影响的量较应变计小，一般在1mm左右。在实际应用中常不作温度修正，也没引起大家的重视。10.3 现场测试 钢弦式仪器一般采用频率计进行测试，频率计的准确性应通过信号发生器（标准试件）进行测试。每档每次测值，与相应的标准值之差不得大于0.2频率模数（f2/1000）。否则读数仪不合格，不得用于现场测试，应送生产厂家检修。钢弦式等仪器的现场测试主要采用简易的测试方法，即采用标定合格的读数仪进行测试，在短时间内（5min以内）对每支仪器重复测读3次，计算其相互之间的较差，根据

47、测值的一致性和评价标准来判断传感器的工作状态。查看厂家提供的率定参数表和计算公式和仪器及读数仪表的使用说明书，复合运行单位采用的计算采用的参数和公式，是否理真正解说明书的含义，采用的公式和参数是否正确。11、历史数据考核测值过程线能反映出仪器工作的全过程，是评价仪器和数据采集系统工作状态的重要参考资料。但测值过程线中所反映的问题并不都是由仪器本身或系统造成，需要结合大坝结构特性、环境量等进行综合分析。测值过程线平顺且变化合理，说明仪器和采集系统工作均正常，如测值跳动或有突变，则需要进一步分析查明是仪器还是采集系统的问题（具体方法在自动化系统一节中详述）。 实例1：垂线实测过程线见图11-1（图

48、中“B”表示人工测值）。从图可知：(1) 垂线人工测值规律性较好，呈现较明显的年周期性变化，符合混凝土大坝的一般变形规律。(2) 有个别测次带有明显的观测误差，整体精度较高。(3) 自动化系统近半年运行情况较差，应及时维护。有必要恢复人工比测。图11-1 人工比测过程线实例2：以引张线2001年至2006年资料为样本，绘制实测过程线见图11-2。由图可见：(1) 引张线观测精度较高，过程线平顺且呈明显的年周期变化，符合混凝土大坝的“高温向上游变形，低温向下游变形的”一般规律。(2) 历次观测成果均较为合理，大坝1715m高程的位移变幅在5mm以内，量值较为合理。图11-2 引张线典型测点测值过

49、程线图实例3：垂线测值过程线如下，2000年底和2006年中两次测值突变，是结构发生了变形吗？经核实是更换坐标仪造成的。图11-3 垂线典型测点测值过程线图（a）实例4：在分析IP1、IP2倒垂线19801987年的位移过程线时，发现自1982年夏季开始坝基出现向上游的变形，是基岩变形了，还是仪器问题。针对这种异常现象，经管理单位查证，得知此段异常测值系由一次观测时仪器被碰撞造成。图11-4 垂线典型测点测值过程线图（b）实例5：水管式沉降仪的测值过程线见图11-5，对照大坝填筑高程和水库蓄水过程线，可见，位于面板下方的W4和W8受坝体填筑强度和水库蓄水共同影响，大坝在持续填筑过程中，测点沉降

50、最快，2000年10月大坝基本完工至2004年初，坝体仍呈缓慢下沉的趋势，但沉降速率明显减小。W4点从2004年1月11日的368mm突变至2004年2月27日的696mm，突变值为328mm，之后测值较稳定。，至2005年10月19日损坏停测；W8从2004年5月24日的242mm突变至2004年6月25日的626mm，突变值为384mm。图11-5 W4和W8沉降测值过程线测点W4和W8分别位于716.0m高程（1/2坝高）和697.0m高程（1/3坝高）面板附近的垫料层内。布置见图11-6图11-6 坝体内部沉降监测布置图测值突变成因分析：水管式沉降仪测值发生突变的原因大致有两种：一是堆

51、石体变形过大，面板与垫层料之间脱空；二是沉降仪失效，测值异常。从W4和W8两测点发生沉降突变的运行环境量看，都是在很低库水位或较低库水位状况下发生的。两点附近仪器包括表面位移测点、内部钢筋计、应变计的仪器测值过程线相应并未发生突变，变化规律正常。坝体渗漏量、测缝计变化规律正常情况，面板脱空的可能性不大。后经用小型空压机提供0.20.3MPa的气体分别打入通气管、连通管，观察其与其他管路的相通性以及气压衰减情况，再进行注水调试，观察其读数稳定情况。经分析判断是水管式沉降仪故障引起。故障原因为连通管转弯接头附近发生漏水。见图11-7。图11-7 水管式沉降仪转弯段水位示意图另当沉降测头发生倾斜或翻

52、倒现象时，测头处水位降低，引起量测管内的水位高程较小。或者沉降测头发生倾斜或翻倒现象时，也会出现沉降量突然增大的现象。有时测头发生倾斜或翻倒也会迫使管路发生弯曲现象，加上硬质尼龙管长期使用后容易老化，一旦受外力作用便发生脆性断裂，导致管路漏水。这种情况下，如果通气管工作正常则可采用连通管与通气管对调的方法进行修复。实例6：以坝基渗压计监测资料为样本，绘制实测过程线见图11-8。由图可见：2005年初开始，测值发生突变，持续增大，在150kPa左右呈锯齿状不规则变化。图11-8 坝基渗压计、库水位实测过程线仪器工作状态是否正常，进一步分析可见，渗压测值于库水位相关性较好，测值不规则变化是水库蓄水

53、，坝基渗漏所致。拟合和水压分量见图11-9图11-9 渗压拟合值和水压分量过程线12、监测自动化系统12.1 系统基本功能通常所说的“监测自动化系统”应包括监测仪器（传感器）、监测数据自动采集系统（包括分布式网络、现场测控单元及中央控制设备）、监测信息管理系统等三大部分组成。日常运行时监测自动化主要功能应满足设计和实用化验收的规定。12.2 历史监测数据考核主要采用测值过程线，人工与自动化测值过程线对比分析，若过程线平顺，变形规律一致，可见自动化测值系统的稳定性比较好，若自动化系统异常跳动值比较多，则要区分是传感器问题还是自动采集系统的问题。区别方法有两种：一将传感器从自动化系统取下，用标定合

54、格的人工读数仪表，测试传感器，包括准确度和测值稳定性；二将标准件（如电桥率定器、频率发生器、或标定合格的传感器），接入自动化系统，重复测读35次，测值与给定标准信号及各测次测值的较差，应满足限差，由此来判别数据采集系统的准确性和读数稳定性。 12.3 短期稳定性测试垂线监测数据自动采集系统短期测值稳定性测试考核主要通过短时间内的重复性测试，根据重复测量结果的中误差来评价。若短期稳定性合格，只能说明短时间内传感器和采集系统重复测量精度较高，但不能代表系统的长期稳定性和测值的准确性。若短期稳定性测试不合格，则还需要进一步测试，并分析判断是传感器的原因还是自动化采集系统的原因，测试判断方法同上。12

55、.4 运行可靠性考核在现行的规范中，对系统的可靠性可用平均无故障工作时间（MTBF）及数据缺失率（FR）来考核。一般情况下传感器和监测数据自动采集系统在数据采集过程中是一个“整体”，因此，在自动化系统可靠性考核时，是两者一起“合并”考核的，对考核不合格的测点若能排除是传感器原因的，在统计系统平均无故障时间时和数据缺失率时应剔除。考核时间为1年，。12.4.1 平均无故障工作时间工业产品设备的MTBF计算有多种方法，有的是利用样品进行试验考核，而大多数厂家是根据产品实际使用情况的纪录或抽样试验结果进行统计计算的。但无任采用什么方法计算，其依据是MTBF的基本定义，即“两次相邻故障之间的工作时间的平均值”。这个概念也被应用到大坝监测