步進光電式垂線坐標儀實用化應(yīng)用實踐

劉 波 ，謝紅蘭 ，李 東

（1. 遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100；2. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；3. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

步進光電式垂線坐標儀實用化應(yīng)用實踐

劉 波1，謝紅蘭2,3，李 東2,3

（1. 遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100；2. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；3. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

介紹步進光電式垂線坐標儀的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、工作原理及計算方法，結(jié)合實際工程應(yīng)用，通過對運行自動化系統(tǒng) 17 a 來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析及與人工比測數(shù)據(jù)進行對比，充分說明該儀器具有測量精度高、穩(wěn)定性好、測值可信度高等優(yōu)越性能，完全替代人工測量，實現(xiàn)大壩安全自動監(jiān)測的實用化，是大壩安全監(jiān)測中垂線自動監(jiān)測的最佳選擇。

垂線坐標儀；步進光電式；安全監(jiān)測；人工比測；資料分析；實用化

0 引言

垂線坐標儀適用于大壩、船閘等水工建筑物的水平位移及撓度監(jiān)測，按儀器的測量原理可分為步進、CCD 光電式，差動電感式、電容式等幾種[1]。步進光電式垂線坐標儀是利用機械傳動機構(gòu)驅(qū)動光電探頭掃描垂線完成對被測物理量測量的傳感器，與被測對象實現(xiàn)真正非接觸，具有測量精度高，穩(wěn)定性好，測值可靠，抗外界干擾能力強等特點，已在實際工程的安全監(jiān)測中大量推廣應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)

步進光電式垂線坐標儀主要由步進電機驅(qū)動的機械傳動和光電探頭感應(yīng)的測量兩部分裝置組成[2]。機械傳動裝置包括步進電機、精密絲桿、滑動導(dǎo)桿、儀器基座等部件，測量裝置包括雙基準桿、光電探頭等部件，同時為了保證儀器有相對良好的工作環(huán)境，儀器內(nèi)部設(shè)置了溫控加熱體，這些部件都布置在高強鋁合金外殼內(nèi)。關(guān)鍵部件如下：

1）步進電機。是由電脈沖信號控制傳動機構(gòu)移動的執(zhí)行部件，具有轉(zhuǎn)動步距角小，定位精度高，誤差不積累，運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

2）傳動機構(gòu)。傳動機構(gòu)由螺桿、螺旋副、導(dǎo)桿等組成，螺桿為螺距為 2.5 mm 的高精度不銹鋼梯形螺桿；螺桿內(nèi)配套的螺旋副設(shè)有壓簧，以消除運動中的間隙誤差；螺桿兩側(cè)均設(shè)有導(dǎo)桿，分別安裝了導(dǎo)向直線和滾動軸承，保證探頭能平穩(wěn)運行。

3）雙基準桿。在儀器底板上設(shè)置了具有專利技術(shù)的雙基準桿裝置，基準桿永久固定在儀器底板上，第 1 根基準桿是每次測量的起始點，2 根基準桿之間的距離即基準長度用于測值自校，確保測量結(jié)果的準確、可靠。

4）光電探頭。采用 U 型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)計了 2 組光電管，一組與探頭前進方向垂直，另一組與其成45° 夾角。光電探頭隨傳動機構(gòu)運行 1 個行程，可同時測出垂線在 X，Y 2 個坐標軸方向上距第 1 個基準桿的距離和基準桿之間的距離，經(jīng)計算得出垂線的位移量。探頭的每組光電管采用具有專利技術(shù)的雙照準電路，當(dāng)一套照準電路發(fā)生故障，另一套自動投入使用，有效提高了儀器測量的可靠性。

2 工作原理

在專用測量設(shè)備的控制下，步進電機驅(qū)動傳動機構(gòu)運轉(zhuǎn)，并通過螺旋副帶動光電探頭運動，探頭內(nèi) 2 組光電照準電路依次掃描第 1 根基準桿、垂線線體及第 2 根基準桿，并以第 1 根基準桿為起始點，根據(jù) X 和 Y 2 個方向上起始點分別到垂線線體和第 2 根基準桿所得到的步進電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與計算，便可得到垂線在該測點的 X 和Y 2 個方向的坐標值和基準桿之間的長度，不同時段2 次測值之差即為此時段該測點的位移變化量，基準長度作為不變量可用作儀器自檢和測值自校。工作原理如圖 1 所示。

圖 1 步進光電式垂線坐標儀工作原理圖

3 工程應(yīng)用

安徽省陳村水電站樞紐建筑物主要由混凝土重力拱壩、壩頂左右溢洪道、壩內(nèi)泄洪底孔和中孔、壩內(nèi)發(fā)電引水管、壩后式廠房和右岸過木設(shè)施等組成[3]，最大壩高 76.3 m，頂寬 8 m，壩頂弧長 419 m，壩頂高程 126.3 m，共分 28 個壩段。

1997 年，陳村水電站對大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱自動化系統(tǒng)）進行自動化更新改造，監(jiān)測設(shè)施和測點布置進一步得到改進和完善，并對主要監(jiān)測項目如大壩垂線、內(nèi)觀儀器等實現(xiàn)自動監(jiān)測。在大壩變形監(jiān)測項目中，選擇 17 條垂線（6 條正垂、11 條倒垂）共計 19 個測點，采用 19 臺STC-50 型步進光電式垂線坐標儀，實現(xiàn)大壩徑向和切向變形的自動監(jiān)測。變形監(jiān)測測點布置如圖 2所示。

在陳村水電站自動化系統(tǒng)試運行期間，為檢驗自動化系統(tǒng)運行的可靠性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，共同制定了自動化系統(tǒng)試運行期間的考核和驗收大綱。垂線采用光學(xué)垂線坐標儀同步進行人工比測，每周人工比測 1 次，比測周期為 1 a，人工測量和自動化監(jiān)測的數(shù)據(jù)按其各自 2 倍均方差檢驗，自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集缺失率要求不大于 1.00%。經(jīng)過 1 a 多的試運行，陳村水電站自動化系統(tǒng)通過了嚴格的考核試驗，垂線坐標儀的數(shù)據(jù)缺失率為 0.61%，測量精度平均為 0.05 mm[4]。1999 年 9 月，安徽省電力工業(yè)局組織對該項目進行驗收鑒定，對自動化系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試，自動化系統(tǒng)運行情況完全滿足考核條件，為實現(xiàn)陳村大壩安全監(jiān)測的無人值班、少人值守創(chuàng)造了條件，該項目順利通過了驗收。

為進一步檢驗采集數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，陳村水電站加強內(nèi)部管理，根據(jù)自動化系統(tǒng)運行情況，制定了逐步減少比測次數(shù)的人工比測的方案，并按試運行期的考核標準進行考核。隨著自動化系統(tǒng)的可靠運行，人工比測周期逐步減少，1999 年每周 1 次，2000—2013 年每月 1 次，2014—2015 年每2 月 1 次。經(jīng)過長達 17 a 的自動化系統(tǒng)采集與人工比測，自動化系統(tǒng)運行可靠，沒有發(fā)生系統(tǒng)故障，監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確度和缺失率均達到考核要求，積累了大量準確可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)[5]。

圖 2 垂線測點下游立面布置圖

4 成果分析

為進一步了解步進光電式垂線坐標儀的長期運行情況，以長期環(huán)境濕度在 90% 以上，工作環(huán)境相對較差的大壩中部基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)的倒垂線 18 倒 2測點的觀測數(shù)據(jù)為例進行詳細分析。

4.1 自動化監(jiān)測與人工比測對比分析

圖 3 18 倒 2 測點徑向位移自動化監(jiān)測與人工比測成果過程線

圖 4 18 倒 2 測點切向位移自動化監(jiān)測與人工比測成果過程線

步進光電式垂線坐標儀每測量 1 次可得到 3 個測值，分別為 X 向（徑向）、Y 向（切向）位移和基準長度。以倒垂線 18 倒 2 測點為例，進行自動化監(jiān)測與人工比測對比分析，該測點在 1999—2015 年期間的自動化監(jiān)測與人工比測徑向和切向位移成果過程線如圖 3，4 所示。從自動化監(jiān)測與人工比測成果過程線看，倒垂線 18 倒 2 測點的徑向和切向位移成果的變化規(guī)律完全一致，其中，在 2004 年 3—10 月期間，因該倒垂線鋼絲出現(xiàn)問題而停止測量，倒垂線鋼絲重新錨固后又繼續(xù)比測，兩者的線性相關(guān)系數(shù)分別為 0.998 和0.937，說明變形自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)是可信的。從長達17 a 的成果看，大壩徑向變形呈年周期變化，切向位移變化相對較小，符合混凝土重力拱壩變形的一般規(guī)律。

4.2 自動化監(jiān)測與人工比測誤差分析

從自動化監(jiān)測與人工比測成果的測量精度看，因 2 種測量方式均存在誤差，測量時間也有差異，所以自動化監(jiān)測與人工觀測的成果一定存在一個差值。參照系統(tǒng)試運行期間雙方制定的考核和驗收大綱，若自動化監(jiān)測和人工觀測的測量精度均按 0.10 mm 計，兩測量結(jié)果之差的誤差為± 0.14 mm。在 17 a 的運行期間，倒垂線 18 倒2 測點共有 166 組自動化監(jiān)測和人工比測有效觀測數(shù)據(jù)，成果分布統(tǒng)計表如表 1 所示。由此可見，大壩徑向和切向位移的自動化監(jiān)測與人工比測差值的分布符合正態(tài)分布規(guī)律，最大誤差為 - 0.39 mm，小于3 δ，表明實際與標稱測量精度基本一致。

表 1 倒垂線 18 倒 2 測點自動化監(jiān)測與人工比測差值分布統(tǒng)計表

為了檢驗步進光電式垂線坐標儀在長期運行中測量精度是否發(fā)生趨勢性變化，分別計算倒垂線 18倒 2 測點徑向和切向位移自動化監(jiān)測與人工比測的逐年差值和標準偏差，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表 2 所示。由此可見，自動化監(jiān)測與人工比測的逐年差值在 -0.25～0.16 mm 之間，說明該類型儀器的測量精度非常穩(wěn)定；自動化監(jiān)測與人工比測的標準偏差在 0.02～0.16 mm 之內(nèi)，2 種測量方式?jīng)]有明顯的趨勢性變化，說明兩者差值的離散性較小。

4.3 基準長度分析

步進光電式垂線坐標儀的基準長度是固定在儀器底板上的 2 根基準桿之間的距離，是一個基本不變的值，它反映了儀器在整個量程范圍內(nèi)最大測量誤差。由表 2 可知，儀器 17 a 運行期間的基準長度平均標準偏差為 0.03 mm，逐年標準偏差在 0.01～0.07 mm 之間，均小于儀器的測量精度 0.10 mm，標準偏差沒有趨勢性變化，說明 17 a 來步進光電式垂線坐標儀的測量精度沒有發(fā)生變化。

4.4 其他測點分析

為全面了解步進光電式垂線坐標儀的應(yīng)用情況，選擇陳村大壩 8# 壩段的全部垂線測點的監(jiān)測成果進行統(tǒng)計分析，該壩段測點布置如圖 5 所示，設(shè)置 1 套正垂線計 2 個測點，正垂線測點 8 正上布置在105 m 廊道，8 正下布置在70 m 廊道；3 套倒垂線共計 3 個測點，倒垂線測點布置在70 m 橫向廊道，測點編號分別為 8 倒 2，3 和 4。

表 2 倒垂線 18 倒 2 測點自動化監(jiān)測與人工比測逐年差值和標準偏差統(tǒng)計表

圖 5 8# 壩段垂線測點布置圖

1999—2015 年，8# 壩段所有垂線測點徑向和切向位移自動化監(jiān)測與人工比測的成果逐年差值和標準偏差統(tǒng)計表如表 3 所示。由此可見，各測點徑向和切向位移與人工比測差值的平均標準偏差分別為 0.13和 0.11 mm，接近于步進光電式垂線坐標儀的測量精度，離散程度較小，說明儀器的測量精度較高。各測點徑向和切向位移的自動化監(jiān)測與人工比測差值的平均值分別為 0.00 和 -0.01 mm，表明自動化監(jiān)測與人工比測的一致性較好。各個測點自動化監(jiān)測與人工比測的成果與倒垂線 18 倒 2 測點的成果基本一致，表明該類儀器有較高的性能是普遍現(xiàn)象，不受儀器所在位置、環(huán)境等因素影響。

表 3 8# 壩段垂線測點多年自動化監(jiān)測與人工比測逐年差值和標準偏差統(tǒng)計表 mm

5 運行管理

步進光電式垂線坐標儀在實際工程中長期應(yīng)用表明，穩(wěn)定可靠的監(jiān)測儀器和自動化監(jiān)測設(shè)備是成功應(yīng)用的前提，完善的制度及有效的管理是成功應(yīng)用的保證。陳村水電站大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)項目經(jīng)歷了 17 a 的長期運行，雖然工程運行管理人員變化 3 次，計算機操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫進行多次升級，但只要工程運行管理人員能夠熟練掌握自動化系統(tǒng)儀器設(shè)備的日常維護，儀器設(shè)備廠家能夠長期提供必要的技術(shù)支持和售后服務(wù)，儀器設(shè)備及自動化系統(tǒng)依舊能夠穩(wěn)定運行，為工程安全運行提供準確、可靠的技術(shù)支撐。

針對大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的特點，陳村水電站制定了完善的管理制度，并做到長期堅持按制度辦事，具體要求如下：

1）定期進行人工比測，確保取得可靠的觀測成果，校核測值的準確性；

2）利用人工觀測和巡視檢查的機會對監(jiān)測儀器及設(shè)施進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時維護，確保監(jiān)測儀器及設(shè)施完好、可靠；

3）每年汛前對自動化系統(tǒng)儀器設(shè)備及監(jiān)測設(shè)施進行保養(yǎng)、維護，確保儀器設(shè)備及監(jiān)測設(shè)施狀態(tài)完好；

4）出現(xiàn)故障，管理人員應(yīng)及時維修，需要時，與儀器設(shè)備生產(chǎn)廠家及時聯(lián)系，盡量在較短的時間內(nèi)排除故障，保證自動化系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

從 17 a 來的比測數(shù)據(jù)可以看出，步進光電式垂線坐標儀在陳村水電站大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)運行效果良好，測量精度高，數(shù)據(jù)準確可靠，儀器運行穩(wěn)定，能長期在惡劣的水工環(huán)境下正常運行，大大優(yōu)于國家電力公司發(fā)輸電部出臺的《水電廠大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)驗收細則》（發(fā)輸電發(fā)〔2002〕631 文）[6]規(guī)定的要求。為此運行管理單位根據(jù)自身特點，逐步減少了人工觀測頻率，將大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)投入實用化應(yīng)用，完全用自動化監(jiān)測成果編制年度報告上報上級主管單位，降低電廠運行成本，減輕工程管理人員勞動強度，提高安全監(jiān)測工作效率，滿足電廠運行管理實際需要。

6 結(jié)語

步進光電式垂線坐標儀是集光學(xué)、機械、電子于一身的精密監(jiān)測儀器，采用了多項專利技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、準確可靠、維護方便、經(jīng)濟實用等特點。雙基準桿設(shè)計解決了儀器零點漂移問題，同時實現(xiàn)了測值自校功能；光電探頭雙電路設(shè)計實現(xiàn)了儀器與垂線真正的非接觸，確保監(jiān)測設(shè)施的自由狀態(tài)；傳動機構(gòu)采用滑動導(dǎo)桿和滾動支撐桿設(shè)計，確保光電探頭能平穩(wěn)地作直線運行，保證儀器測量精度。

步進光電式垂線坐標儀性能優(yōu)越，技術(shù)性能特別是測量精度、長期穩(wěn)定性和可靠性得到了近 20 a的實際運行考驗，能滿足水工惡劣環(huán)境下長期、穩(wěn)定、可靠運行的使用要求及相關(guān)標準規(guī)范中規(guī)定的技術(shù)指標，說明步進光電式系列儀器具有優(yōu)越的技術(shù)性能，是垂線、引張線實現(xiàn)自動監(jiān)測的首選。

[1] 國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心. 巖土工程安全監(jiān)測手冊[R]. 杭州：國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，2013: 221-224.

[2] 水利部南京水利水文自動化研究所. DG 型大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)儀器設(shè)備培訓(xùn)教材[R]. 南京：水利部南京水利水文自動化研究所，2012.

[3] 佘進. 陳村大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)及管理綜述[G]//中國水力發(fā)電工程學(xué)會大壩安全監(jiān)測資料分析與信息處理學(xué)術(shù)研討會論文集. 北京：中國水力發(fā)電工程學(xué)會，1998.

[4] 陳村水電站水工科. 陳村水電站大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)一期工程運行報告[R]. 涇縣：陳村水電站，1999.

[5] 周克明，王建龍，吳建琨. 步進光電式變形監(jiān)測儀器的長期應(yīng)用[J]. 水利水電技術(shù)，2016，47 (11): 115-119.

[6] 國家電力公司. 水電廠大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)驗收細則（發(fā)輸電發(fā)〔2002〕631 文）[A]. 北京：國家電力公司，2002: 4-5.

Practical application and practice of stepping motor type pendulum coordinometer

LIU Bo1, XIE Honglan2,3, LI Dong2,3
(1. Guanyinge Reservoir Administration of Liaoning Province, Benxi 117100, China;2. Jiangsu Naiwch Corporation, Nanjing 210012, China；3. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, Nanjing 210012, China)

This article introduces the conf i guration, operation principles and calculation methods of the stepping motor type pendulum coordinometer. Analyzing accumulative data through17 years of operation, and comparing them with data measured manually, this article illustrates the instrument’s superior performance of extraordinary accuracy,stability and reliability. It can completely replace manual measurement and realize practicality of dam safety automatic monitoring. It is the best choice of midperpendicular automatic monitoring of dam safety monitoring.

pendulum coordinometer; stepping motor; safety monitoring; manual measurement for comparison;data analysis; practicality

TV698.1；P335

A

1674-9405(2017)06-0046-05

10.19364/j.1674-9405.2017.06.009

2017-05-19

劉 波（1967-），女，遼寧本溪人，高級工程師，從事水庫運行管理工作。