（水利水电工程专业论文）基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统开发.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人往导师指导卜进行的研究t 作及取得的成果。爆我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。2 j 我 i 司i ：作的同志对本文所沦述的t 作的任何贡献均已在论文中作j ，明确的 说明j i ：已致谢。 本论文及其相关资料特有不实之处，由本人承担切卡h 关责任 论文作者签名：途塑彤午；，j 信【i 保护知识产权申明 本人完全了解阿安理工大学有关保护知识产权的规定即：研究生在 校攻i 卖学化期问所取得的所有研究成果的知泌产权属西安婵j = 大学所有， 本人保证：发表或使用与本沦义相天的成果时署名啦位仍然为西安理工人 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任t 技术 或成果。学校仃权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布木论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩日j 或 j 他于段复制保存本论文， ( 加密学f 征论文解密之前后，以上i i | 明i 对样适_ h j ) 论文作者签名：途翊 导师签名：、盗l 垒必渺。牛年3 月，g 日 基于振弦式传感器的大坝渗压 监测系统开发 学科：水利水电工程 作者：涂弱 导师：南海鹏( 教授) 答辩日期：2 0 0 4 年3 月 签名； 签名： 摘要 涂钥 函如! 啦 渗压监测是大坝安全监测中重要的监测项目之一，2 0 世纪7 0 年代以来，大坝安 全自动化监测系统得到了飞速发展，但渗压自动化监测系统由于其设备运行环境恶 劣、可靠性要求高，仍是大坝安全自动化监测系统中存在问题较多的项目之一。为此， 本文研制开发了新一代基于振弦式传感器的大坝渗压自动化监测系统。 文中阐述了振弦式传感器的工作原理和特点，提出了大坝渗压自动化监测系统的 硬件、软件结构以及数据通讯设计思想和实现方法，研制出了以单片机为核心的智能 型大坝渗压自动化监测系统。该系统样机在实验室进行了测试和试运行。该系统具有 如下特点：l 、信号采集实现了频率与温度信号由同一信道进行采集、处理的功能， 从而实现了真正意义上的1 6 信道。2 、采集单元具有l c d 液晶显示功能，可直接显 示采集信号便于维护、检查。3 、提高了频率采集的精度等级，增加了信号及电源 防雷击和抗电磁干扰功能模块。体积小，造价低，适应现场恶劣环境。测试和试运行 结果表明：该系统的硬件和软件具有较强的通用性和稳定性，性能指标符合设计要求。 关键词：振弦式传感器，大坝，渗压，自动化监测系统 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fd a m o s m o t i cp r e s s u r ea u t o m a t i cm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e d0 1 3v i b r a t i n gs t n n gs e n s o r m a j o r ：h y d r o p o w e re n g i n e e r i n g a u t h o r ：t uy u e s i g n a t u r e ： t u t o r ：n a nh a i p e n gp r o f e s s o r s i g n a t u r e d a t e ：2 0 0 4 3 m 恤 地嘶一 a b s t r a c t o s m o t i cp r e s s u r em o n i t o r i n gi so n eo ft h ei t e m si nd a ms a f e t ym o n i t o r i n gt h e a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mo f d a ms a f e t yh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l ys i n c e1 9 7 0 b u tf o r t h ea d v e r s eo p e r m i o nc i r c u m s t a n c e s ，h i g hr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so fo s m o t i cp r e s s u r e a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m ，i ts t i l lh a ss o m ep r o b l e m si nt h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m o fd a ms a f e t y t h e r e f o r e ，an e wd a mo s m o t i cp r e s s u r ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o nv i b r a t i n gs t r i n gs e n s o ri sd e v e l o p e d t h ew o r kp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro f v i b r a t i n gs t r i n gs e n s o ra r ee l a b o r a t e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g nt h o u g h ta n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fh a r d w a r e ，s o f t w a r es t r u c t u r ea n dd a t a c o m m u n i c a t i o nf u rd a mo s m o t i cp r e s s u r ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d i n t e l l i g e n td a mo s m o t i cp r e s s u r ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mw i t hs i n g l ec h i pa sc o r ei s d e v e l o p e dt h es y s t e ms a m p l eh a sb e e nt e s t e da n do p e r a t e df o rt r i a li nt h el a b t h es y s t e m h a sf o l l o w i n gc h a r a c t e r s ：1f r e q u e n c ya n dt e m p e r a t u r es i g n a li sc o l l e c t e da n dt r e a t e di n s a m ec h a n n e l a n dt h et e a l1 6 - c h a n n e lh a sb e e nr e a l i z e d2c o l l e c t i o nu n i th a sl c d f u n c t i o nt h a tc a l ld i s p l a yc o l l e c t e ds i g n a lf o r t h ec o n v e n i e n c eo fm a i n t e n a n c e a n di n s p e c t i o n 3t h ea c c u r a c yg r a d eo ff r e q u e n c yc o l l e c t i o ni si m p r o v e d ，t h ef u n c t i o nm o d u l a rt op r e v e n t l i g h m i n ga n de l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c eo fs i g n a la n dp o w e rs o u r c ei sa d d e d i th a st h e c h a r a c t e r so f s m a j ls i z e ，l o wc o s ta n dg o o da d a p t i n gf o ra d v e r s ec i r c u m s t a n c e t e s ta n dt r i a l o p e r a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h i ss y s t e mh a ss t r o n gv e r s a t i l i t y a n ds t a b i l i t y , a n dp e r f o r m a n c ei n d e xc o n f o r m st od e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：v i b r a t i n gs t r i n gs e n s o r ，d a m ，o s m o t i cp r e s s u r e ，a u t o m a t i cm o t o r i n gs y s t e m 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 随着我国对水资源的不断开发和利用，已建成或正在兴建的高坝大 型水库型水利水电工程( 如三峡、龙羊峡、小浪底、二滩、拉西瓦等) 越 来越多；投资巨大的南水北调工程也已开展；各流域梯级滚动水资源开 发多进入良性循环，建造了许多大、中、小型水利水电工程。这些工程 具有可观的发电、防洪、灌溉等经济效益，对国民经济的发展有着极大 的推动作用。与此同时，大坝失事现象也频频出现，例如，五十年代法 国的马尔塞双曲拱坝、六十年代初意大利瓦依昂拱坝和九十年代青海沟 后水库失事等，都给国家和人民的生命财产造成巨大的损失，因此，大 坝安全监测问题引起社会和工程界的普遍关注和重视。 大坝安全监测是最近几十年中发展起来的一门新兴的技术学科。7 0 年代以前称为大坝原型观测，即是在大坝原型中设置观测仪器进行现场 测量，以期获得一些能反映大坝结构变化的特征量，本世纪2 0 年代最早 开始原型观测是采用大地观测方法观测大坝的变形，3 0 年代初美国利用 卡尔逊式仪器开展了大坝的内部观测。当时原型观测的主要目的是研究 大坝的实际变形、温度和应力状态，其着重点在于验证设计。伴随着本 世纪3 0 一7 0 年代世界各国的筑坝高潮，大坝失事时有发生，造成的巨大 灾害引起了国际社会的高度重视，大坝观测由原来主要为设计、施工、 科研等技术目的服务进而发展成为监测大坝的安全运行这个关系到社会 公共安全的一个不容忽视的重要事业。 7 0 年代以来，世界各国均致力于大坝监测技术的发展，各类新兴的 监测仪器大量涌现，大坝安全监控的理论和方法不断完善。大坝的安全 检测有别于设计校验的监测，它着眼于监测在长期荷载作用下，坝体及 西安理工大学硕士学位论文 罐础结构性态的演变过程。从大坝失事的教训中可以看出，因基础恶化 而导致失事的比率远大于因坝体破坏而造成的溃坝，特别是现代技术高 度发展的今天，因坝工设计或施工质量而造成失事的可能性很小，失事 的起因更多地来自大坝的基础，对于混凝土坝，变异的起因通常来源于 基础的恶化，岩体的压缩、断层、节理、裂隙在高压水的长期作用下， 充填物逐渐被软化、离析，而形成通道。其明显的反映是渗透压力升高， 渗流量增大。因此，渗压、渗流和和变形不仅是三个较为直观的宏观特 征量，也是监测大坝安全的重要物理量。用以检查大坝坝基帷幕灌浆质 量和坝基排水减压效果，是用于了解大坝边坡稳定性，校核大坝安全状 况，富裕安全度的重要依据。西北各水电站在按电力部对大坝安全定期 检查中，均采用经校核的实测坝基扬压力，渗流资料，对大坝安全进行 安全复核工作阶。 随着现代科技的进步，特别是计算机和微电子技术的巨大发展，各 国均着力发展遥控仪器，并逐渐推广监测的自动化。大坝安全监测和管 理的自动化、现代化也获得了空前的发展。本课题来源于西北电网公司 下达的科研项目，是以大坝渗压监测为工程依托，开发出一套大坝渗压 自动化监测系统。拟开发研制出由振弦式传感器、远程测量单元( m c u ) 、 网络系统、采集和分析软件组成的具有1 6 通道( 既能测频、又能测阻) 的 独立使用功能的数据采集系统。该系统除了能满足常年在潮湿、温差大、 强电磁干扰的环境下连续不间断工作，同时该采集模块还要具有采集、 存储数据并向上位机传输数据的功能，还增设触摸按键、l c d 显示功能， 使在现场的工作人员及时方便的了解情况，使系统更加灵活、可靠、功 能更加强大。该系统完成后，应能快速、准确的监测渗透压力的大小， 为工程的安全运行提供依据，且性价比较高。因此，本系统的开发研制 有着重要的实际意义和广阔的市场前景。 1 2 研制渗压监测系统的目的和意义 渗压监测系统的发展主要包括测量方式的发展和一次采集元件一一 传感器的发展。 渗压监测经历了人工监测、半自动化监测、自动化的发展过程。渗 压监测通常被称为扬压力监测，对于有压测压管采用压力表，现场定时 读取读数；对于无压测管采用响锤寻找水面，用测绳量测水面至孔口的 距离，根据孔口高程再换算成测管内水面的高程( 即水位值) 。采用人工监 测，需数人协同工作，现场范围大，测点多，监测数据因人而异，监测 精度差f 达3 - 5 c m ) ，数据缺乏空间及时间的连续性，尤其在汛期或暴雨季 节，需加密测量次数，人工监测难以胜任。7 0 年代以后，对人工观测的 方法进行改善形成半自动化监测模式，此种监测模式虽精度、速度上有 一定提高，但仍不能满足工程运行的需要；2 0 世纪8 0 年代世界科学技术 飞速发展，大坝安全监测技术也有了长足的发展，主要表现在监测手段 现代化和监测方法的自动化。从2 0 世纪6 0 年代国外即开始从事观测自 动化的研制开发，7 0 年代已进入使用阶段。从意大利、法国、美国、西 班牙、葡萄牙、日本和瑞士等工业发达国家实现自动化的情况来看，有 的起始于资料管理自动化，有的则首先实现采集自动化。纵观大坝监测 自动化的发展历程可以看出，尽管各国所走的自动化发展道路不同，但 总是随着技术的进步，监测仪器有一个渐次提高自动化水平的过程。早 期的做法是采用大规模集成电路及微处理器组成的便携式测读仪装置， 对监测仪器进行监测，结果数字显示，也可存储打印。第二阶段研制出 集控和选数功能的装置，对仪器进行集中式数据采集，且测读的数据可 输入到计算机中或上一级计算中心进行处理。8 0 年代中期，随着微电子 技术和计算机的发展，各国又发展了分布式监控数据采集系统，即在观 测现场设置多台小型化测量控制装置，分别对监控区域内的仪器进行自 西安理工大学硕士学位论文 动监测，测量数据转换为数字量通过数据总线直接传送到监测中心的计 算机进行处理。 渗压自动化监测系统一次采集元件一传感器是数据采集的关键部 件。基本上分为电阻式、压阻式和振弦式。差动电阻式作为内部埋设仪 器来监测渗透压力，压阻式和振弦式主要用于代替压力表、测压管，用 于大坝渗压监测。压阻式传感器的测量信号受温度和电缆芯线电阻的影 响较大，而且传感器至远程测量单元( m c u ) 的距离较短( 约3 0 0 米) ，这些 都制约着自动化监测系统的发挥。振弦式传感器以其结构简单、坚蚓耐 用、长期稳定性好、精度和分辨率高而著称，输出为频率信号，可与微 机直接接口等优点被广泛应用。因此，振弦使传感器即能克服压阻式传 感器受温度和电缆芯线电阻的影响，又便于远距离信号传输( 传感器距远 程测量单元的距离可达1 2 0 0 米) 等优点被广泛应用于大坝渗压自动化监 测。 1 3 国内外研究应用发展状况 我国的安全监测自动化研制工作起步于2 0 世纪7 0 年代末，首先实 施的差动电阻式内观仪器的自动化。从研制自动化测读仪表着手，用了 十多年时间，也和国外一样经历了由初级到高级的发展过程。由于采用 五芯电缆连接差动电阻式传感器和研制出五芯测法的电阻比电桥，从理 论上解决该传感器长距离测量的难题，消除了长导线电阻对测量精度的 影响，从而使自动化测量技术有了长足的进步。有存储功能的数字化电 桥，电阻比巡检仪器等多种新型自动化测试仪表相继问世。 2 0 世纪7 0 年代中期，中国科学院成都分院与龚咀水电厂共同研制了 我国第一台应变计自动化检测装置，使1 6 3 支仪器的监测数据于1 9 8 0 年 首次实现自动采集。1 9 8 3 年南京自动化研究所研制的b n z 1 自动化监测 装置安装在葛州坝二江电厂，1 9 8 4 年投运，实现了二江泄水闸1 8 4 支仪 4 器的自动检测。 为了加快自动化的进程，“大坝安全自动化监测微机系统及仪器研 制”列为国家“七五”攻关项目。南京自动化研究所、清华大学、中国 水利水电科学研究院和松辽委勘测设计院等科研院校共同努力，通过攻 关研制成工程急需的变形和渗流的监测仪器。 南京自动化研究院大坝监测研究所研制的d a m s 大坝安全自动检测 装置和d s i m s 大坝安全信息管理系统软件于1 9 8 5 年1 0 月首次在梅山水 库试运行。十年中不断总结完善，该所已先后开发了d a m s - - i i 混合式 数据采集系统、d a m s - - 1 1 1 分布式数据采集仪、d a m s 一4 智能分布式数 据采集系统和d s i m s 大坝安全监控管理系统，并在工程中得到应用和推 广。 通过国家倡导和工程技术界的通力合作，近几年我国安全检测自动 化技术取得了较大的发展，一批具有相当水平的大坝安全检测自动化系 统在国内近百座大中型工程中实施和运行，取得了显著的经济效益和社 会效益。南京水利水文自动化研究所大坝监测分所研制的d g 型分布式 大坝安全监测自动化系统及监测仪器1 9 9 6 年通过部级鉴定，先后在葛州 坝和碧口等工程中投入运行。 广东省水利水电科学研究所开发的大坝安全自动化系统，在该省几 座电站的混凝土大坝的安全监测中取得了实施效果。南京水利科学研究 院、水利部大坝安全管理中心承担的水利部水利科技重点项目土石坝 安全监测和评价，已于1 9 9 8 年4 月通过部级鉴定，其中适用于土石坝 的监测自动化采集系统，已在广西林青狮潭水库成功的运行了三年。 南京电力自动化设备总厂研制的f w c 1 型分布式网络测量系统，通 过测控单元m c u 可以对差动电阻式、振弦式、压阻式和c c d 等多种传 感器进行测量、存储和处理，并通过远程或近程实现有线或无线通讯。 在扬压、渗流自动监测仪器方面，由于该类仪器的长期稳定性要求 西安理工大学硕士学位论文 高等难点，直到9 0 年代初国内产品才投入工程运行。青岛海洋仪器研究 所对振弦式压力传感器进行了长期的研制工作。由于压阻传感器灵敏度 高，分辨率高，体积小，所以在大坝工程上运用步伐加快。电力自动化 研究院生产的n y z 型压阻传感器已在多个工程中运用。经“七五”攻关， 电力自动化研究院研究成功的高精度扬压力计在仪器零漂等关键技术上 有所突破。在岩滩、大化、青溪等十几个工程运用，取得了很好的监测 成果。压阻式传感器通过在硅半导体材料上制成压敏电阻作为敏感元件， 在水压力作用下使由做成桥路的半导体电阻的压阻效应输出电量，由此 测出水压变化。 国外在安全监测方面起步较早，1 9 2 0 年瑞士蒙萨温斯( m o n t s a l v e n s ) 重力坝( 高5 5 米) 首先埋没了电阻式遥测仪器。1 9 2 5 年美国垦务局对爱达 荷州高2 5 米的亚美利加一佛尔兹坝进行了扬压力观测。1 9 2 6 年美国垦务 局在斯蒂温逊( s t e n v e n s o nc r e e k ) 试验坝( 高1 8 3 米) 上埋设了用炭棒制成 的电阻式应变计1 4 0 支，研究拱坝的应力分布。 1 9 3 2 年美国加利福尼亚大学教授卡尔逊( r w c a l s o n ) 发明了差动式 传感器，1 9 3 3 年美国在阿乌黑( o w y h e e ) 拱坝和莫利斯( m o r r i s ) 重力坝上埋 设了他的早期产品，并且采用了无应力计观测混凝土的自由体积变形。 美国在2 0 世纪3 0 年代至4 0 年代间修建的一系列混凝土大坝广泛使用了 卡尔逊仪器。到了2 0 世纪4 0 年代建立了一整套从应变计资料计算混凝 土应力的方法，提出一些大坝的观测资料，通过对这些成果的研究和应 用，发展了混凝土坝的设计理论和施工技术。 在欧洲的许多国家使用着另一种类型的观测仪器一振弦式仪器。最 早的振弦式应变计于1 9 1 9 年谢弗设计有德国麦哈克公司生产。1 9 3 2 年克 温设计了另一种型式的振弦式应变计，由法国泰勒马克公司生产。同一 时期原苏联学者维金可夫也制造了一种弦式仪器，首先埋设在第聂伯河 列宁水电站的混凝土坝中，此后广泛用于苏联兴建的闸坝工程中，对扬 压力和土压力进行观测。 土石坝最重要的安全监测项目是渗漏来源和渗流量、孔隙水压力、 土体不均匀位移。美国垦务局在贝尔富升坝上安装了直径2 英寸用白铁 皮制成的观测管，可直接用带有浮标的绳子在这种观测井中观测水位。 1 9 3 5 年研制成的水位指示仪埋设在海勒姆坝和埃真谷坝，用压缩空气置 换观测管中的水，由压力表和测压值测得压力值。 1 9 3 8 年在卡巴罗坝上埋设了静水压力指示仪，用带有触点的金属膜 片压力盒作为测头，渗压水经测头前端透水面作用到膜片上，触点相连 电路接通启动气压使膜片恢复到初始状态，压力显示在压力表上。 1 9 3 9 年弗雷斯诺坝安装了水压式双管测压计，它的主要优点有长期 使用记录，比竖管测压计读数时间间隔短，能利用中心观测井组成观测 系统。这些不断的装置有较原始的量测水位，发展到可直接测量孔隙压 力。水压式双管测压计在美国一直沿用到8 0 年代。由于失效率高，新的 气动式测压计开始取代它。通过压缩氮气传递到测压计测头上，使其与 作用在测头中橡皮膜上的压力平衡，多余气体自动排出，测值可从便携 式读数仪上读出。但振弦式测压仪和卡尔逊式测压仪也有应用，但并不 多。 2 0 世纪3 0 年代初在欧美几乎同时问世的卡尔逊式和振弦式两类观 测仪器，其发展速度和完善程度却不尽相同。弦式仪器初期使用2 2 0 v 交 流电源的电子管型的耳机式钢弦频率计测定，靠人耳听到拍频声来辨别 频率，使用不便，从而受到限制，到6 0 年代初发展一直缓慢。卡尔逊仪 器因其小巧玲珑、易于操作，便于野外作业等优点，被这期间修建的大 坝所采用。1 9 5 2 年卡尔逊仪器的品种形成系列。仪器结构和性能不断改 进和提高，就混凝土内部观测的需要来说，基本达到较完善的程度。因 而在美国、瑞士、日本、葡萄牙、澳大利亚和我国得到广泛应用，成为 7 0 年代以前混凝土坝内部观测的主要仪器系列。 西安理工大学硕士学位论文 2 0 世纪6 0 年代术7 0 年代初半导体技术、微电子技术和仪器量测技 术的发展，使弦式仪器和卡尔逊式仪器的发展产生了此起彼伏的变化。 精确万分之一的袖珍式频率计解决了过去弦式仪器检测上的难题。由于 弦式仪器的精度和灵敏度均优于卡氏仪器，而且结构简单，信号易于远 距离传输，易于实现自动化巡检。因此，近年来弦式仪器发展很快。 美国若斯蒙公司制造的电容微压传感器测试液位精度高，长期稳定 性好，很适于量水堰水位观测。英国朱阿克公司制造的量测水深的传感 器可放在量水堰中测出水深，从而求出流量，还可自动化遥测。由于采 用振弦式渗压计，已很容易实现遥测自动化，且精度高、反应迅速，已 取得长期稳定的观测结果。美国基康公司、测斜仪器公司、法国泰勒马 克公司、加拿大洛克台斯特公司、阿尔爱斯特公司都是生产弦式渗压计 的主要厂家。 1 4 本课题的主要工作 本文的研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了振弦式传感器的工作原理和特点，提出了基于该类型传 感器的大坝渗压自动化监测系统的设计思想。 ( 2 ) 根据系统的设计思想，研制了系统的硬件，包括测量电路的设 计、元器件的选型和硬件各模块的调制等，该系统不仅适合渗压监测，同 时还适用于各类弦式仪器的测量。 ( 3 ) 采用c 语言和面向对象的编程语言编制了系统的软件，包括测量、 控制软件和上位机管理软件。 ( 4 ) 完成了系统样机的研制生产、调试和校准，并在实验室进行了模 拟试验，结果表明，该系统性能稳定，满足设计要求，达到了预期目的。 2 振弦式传感器的工作原理 2 振弦式传感器的工作原理 1 4 2 4 】 渗压自动化监测系统中一次采集元器件即传感器是数据采集的关 键部件。国内长期采用半导体器件制作，在实际应用中，由于环境恶劣， 湿度大，设备长期稳定性差、零漂大、影响测值不稳。 近几年来，随着科学技术的发展和国内外技术交流的深入开展，已 有厂家开始引进国外技术、工艺及半成品制造或组装压力传感器，其中 硅压阻式传感器是目前广泛采用的这类传感器。硅压阻式压力传感器是 利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也是在单晶硅的基片上用扩散工艺 制成一定形状的应变元件，当它受到压力时，应变元件的电阻发生变化， 从而使输出电压变化。由于硅压阻压力传感器对温度很敏感，在大量程 范围内灵敏度低，且在高温下稳定性难以保证；测量信号受温度和电缆 芯线电阻影响较大，信号衰减较快，传输距离小( 一般小于3 0 0 米1 ，因此 不适合大坝渗压监测中测点多、分布广、温度变化范围大、信号远距离 传输的要求。 随着新技术的发展，一种谐振式的压力传感器被越来越多地应用在 工程中。这种传感器就是利用压力的变化来改变物体的谐振频率，从而 通过频率的变化来间接测量压力。由于在工作时要产生振动，所以该传 感器也称为振动式压力传感器。根据振动部分的不同结构形状可分为振 动筒式、振动膜式、振动弦式等压力传感器。本文选用振动弦式压力传 感器作为测量系统的一次采集元件。 2 1 振弦式传感器的特点 振弦式传感器输出为频率信号，丽频率信号是能获得很高测量精度 的信号，并且适于长距离传输也不会降低其精度。这是其显著的特点之 一。其次，从结构来看，振弦式传感器无活动元件，所以其工作可靠性 及稳定性都高，并可能制造出精度极高的传感器。在其诸多优点中，最 西安理工大学硕士学位论文 重要的一个是振子的阻尼小，谐振响应越线十分窄，如图2 - l 所示。振 子在振动时，它的结构内部具有一定的阻尼，它要消耗能量，从而需要 外部施加激振力。如果振子的阻尼越小，即振动时所需耗散的能量就越 少，频率的选则性越好( 所谓频率选则性好是指传感器从不同的频率信号 中选出所需要的频率信号的能力) ，则 传感器的精度可很高。 特点： ( 1 ) 输出信号稳定性高 ( 2 ) 长期工作可靠性高 ( 3 ) 适合长距离传输 ( 4 ) 适应在恶略环境下工作 nh 如 图2 - l 振子的频响曲线 2 2 振弦式传感器的工作原理 要使振子产生振动，需外加激振力( 激振元件) ，要测量振子的振动 频率则要拾振元件，它们之间的关系如图2 - 2 所示。由激振元件激发振 子振动，由拾振元件检测振子的振动频率，另外将此信号经放大后输送 到激振元件中形成闭环系统。 输出 频率 图2 - 2 振弦传感器的基本构成 振弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦( 一般称为振弦) 。常用弹性 弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成它与传感器受力部件连接固定，利用 振弦的自振频率与振弦受到的外加张力关系测得各物理量。 1 0 2 振弦式传感器的工作原理 振弦传感器的工作原理图如图2 3 所示【1 8 】。敏感元件振弦2 是一根 张紧的金属丝，置于电磁铁3 中，其中一端固定在支承l 上，另一端与 可动部件4 相连，静态张力t o 作用于可动部件4 上，使弦张紧。3 是电 磁铁，5 是纯铁片。当在电磁线圈两端加一脉冲电流时，铁片由于受电 磁力作用，将带动金属丝 一起振动。 随着加在其内部振弦 两端的作用力不同，振弦 的谐振频率也会发生相应 的变化。通过一组不同频 率的脉冲来激励振弦振 动，引起振弦的共振，测 得其共振频率，就可计算 出传感器的受力情况及工 程值。 图2 - 3 振弦传感器的工作原理图 2 3 振弦式传感器的数学模型 2 7 】 根据力学原理，任一机械振动系统的谐振频率可根据下式计算 f = k 1 e 式中： e 一谐振元件材料的弹性模量； m 一谐振元件的质量： k 一材料的刚度： 石一与量纲有关的常数： 一零输入时谐振元件的频率： 振弦式压力传感器的谐振元件是一根张紧的金属丝即振弦 ( 2 1 ) 在电激励 西安理工大学硕士学位论文 下，振弦在磁场中按其固有频率振动。改变振弦的张紧力t 可得到不同的 振动频率f 0 。 在磁场中的载流振弦受到电磁力f ，的作用，电磁力大小为： e = b l i( 2 2 ) 式中： 口一磁感应强度； 卜一振弦有效长度： i 通过振弦的电流。 f 的一部分用于克服振弦质量m 的惯性，使之获得一定的速度v 。 v = 肇， ( 2 - 3 ) 式中： i c 是克服振弦惯性力所需的宅流。当振弦以速度y 运动时便切割磁 力线，产生感应电势e ，其值为： 。：b l v ：盟n 。吐 ( 2 4 ) t ， 将式( 2 - 4 ) 与电容器充电公式q = 吉p 。矿加以比较，可以看出，在磁 场中运动的振弦质量m 的作用相当一只电容，因而可用等效电容c 来表示： c2 么尉) ：( 2 - 5 ) 质量为m 的振弦一方面作为惯性体被加速，从而吸收了一部分电磁力 只，使之达到速度为v 的运动；另一方面，振弦又作为具有横向刚度的弹簧 在起作用，因此电磁力又要用于克服弹簧反作用力只。 设在时间t = t ，时，振弦偏离初始平衡位置的距离为6 ，则其弹性反作 用力f 。为： 只= k 6 ( 2 6 ) 式中：k 为振弦的横向刚度系数。 2 2 振弦式传感器的工作原理 由于v ：拿，e = b l v ，只= 日以，则反电势为 “ p ：占，生：盟生( 2 7 ) d ， k d ， 式中：i 。是克服弹性反作用力f 所需的电流。 把( 2 7 ) 式与电感反电势公式。：一擘相比较可以看出，位于磁场 d 。 内张紧的弦产生横向振动，其作用相当于感性阻抗，其等效电感为： 7 么 ( 2 - 8 ) 因此，位于磁场中一根张紧的振弦的运动如同一个l c 并联的振荡电路。 因而振荡频率可按l c 回路的计算方法得到，即 c o o2 肠 q 1 9 ) 将等效电容和等效电感代入( 2 - 9 ) 式中，得 吼= ( 2 1 0 ) 将k = 砌彳，m = s 代入式( 2 1 0 ) ，整理得 铲a ， 、f t 或 = 万ij 乃 ( 2 - 式中： r 一振弦的张紧力； s 一振弦的横截面积； p 一振弦金属材料的密度； ，振弦的有效长度。 式( 2 - 1 1 ) 建立了振动弦的固有频率f o 上的等幅振荡。当振弦受到拉 力时，其振荡频率将偏离固有频率 ，接收该频率并按数学公式计算就可 得出对应的压力值。 由上式可以看出，当传感器制造成功之后，所用的振弦材料和振弦的 西安n _ r - k 学硕士学位论文 直径有效长度均为不变量。振弦的自振频率只与振弦所受的张力有关。因 此，张力可用频率，的关系式来表示： f = k ( 正2 一工2 ) + a( 2 - 1 2 ) 式中 f 一振弦张力 七一传感灵敏系数 一张力变化后的振弦自振频率 一传感器振弦初始频率 a 修正常数( 在实际应用中可设为0 、。 从( 2 - 1 2 ) 式中可以看出，振弦式传感器的张力与频率的关系为二次 函数如图2 - 4 ，频率平方与张力为一次函数，通过最小二乘法变换后为线 性方程如图2 5 。仪器的结构不同，张力“f ”可以变换为位移、压力、 0 1啦 00 l a 0唾 。 图2 4 弦式仪器频率与张力关系曲线图2 - 5 弦式仪器模数与张力关系曲线 压强、应力、应变等各种物理量。从上式中可以看出振弦的张力与自振 频率的平方呈直线关系。但不同的传感器中振弦的长度、材料的线性度 很难加工得完全一样。因此，修正常数( y 轴的截距) 相对于每只传感器也 都不尽相同，为以后资料整理时的起点值不一致，通常根据资料的要求 人为设“a ”值等于0 ，使一个工程中的多只传感器起点一致，以方便 计算中的数据处理。 振弦式传感器以其结够简单、坚固耐用、长期稳定性好、精度和分 l4 2 振弦式传感器的x - 作原理 辨率高著称，振弦经过热处理之后其蠕变极小，零点稳定输出为频率信 号，可接长电缆，便于远距离传输，可与微机直接接口。近年来，它几 乎是岩土工程中埋设于大坝和建筑物中而能给出可靠数据的唯一传感 器，因此在大坝安全监测中得到了广泛应用。 振弦式传感器的激振方式不同，所需电缆的芯数也不同。按不同激 振方式可将振弦式传感器分为：单线圈间歇激振型传感器；二线制双线 圈的振弦式传感器9 】。 2 3 1 双线圈型振弦式传感器 这种传感器已广泛应用在工程中，其工作原理如图2 - 6 所示： u o 图2 - 6 双线圈振弦式传感器工作原理 由于双线圈型传感器，弦长最短为5 0 r a m ，不利于传感器的小型化， 且双线圈易产生倍频干扰，使传感器不能正常工作，为削减倍频，产生 可靠的基频振动，必需加大弦长，使传感器体积很大。由此可见：利用 双线圈型振弦传感器实现传感器的小型化并达到较高的综合精度是不可 能的，而且还易产生倍频干扰。 2 3 2 单线圈型振弦式传感器 单线圈型振弦式传感器工作原理如图所示2 。7 所示： 西安理工大学硕士学位论文 到2 7 单线湖振弦传感器t 作原理 单线圈型传感器只有一个线圈放在弦的中部，因此最短弦长可为 1 0 m m ，可实现压力传感器的小型化：同时，作用力施于弦的中部，有利 于基频起振，无倍频干扰。从根本上克服了双线圈的两个缺点；对于各 种弦长，不同线圈的单线圈振弦传感器，激发放大电路具有通用性。只 要差分放大电路增益足够高，即可获得稳定的基频振动，振动频率与连 接电缆长短基本无关；且各激发电路可以互换使用；传感器的结构比双 线圈更简单，价格低廉。 由此可见，单线圈振弦式传感器克服已有振弦式传感器的缺点，是 一种比较理想的振弦式传感器。在大坝安全监测中，所需测点多、分布 广，单线圈的小型化和远距离传输等特点更能满足要求。该测试系统要 求不仅适用渗压监测，同时还要适用于弦式的应变计、位移计、绕渗计 等，因此，激发电路应具有通用性，将大大降低监测系统的成本。 本文采用单线圈间歇激振型传感器，它激振和接收共用一组线圈， 结构简单。当激发脉冲输到磁芯线圈上，磁芯产生一个脉动磁场拨动振 弦，振弦被拨动后产生一个衰减振荡，切割磁芯的磁力线在磁芯输出端 产生衰减的正弦波。接收仪表测出此波的频率即为振弦此刻的自振频率。 西安理工大学硕士学位论文 3 总体方案的设计及组成 众所周知，大坝安全监测是一项融设计、开发、安装、观测和数据 处理等多项任务为一体的工作，而自动化监测更是集水工、自动控制、 计算机、电力电子、仪表等专业为一体的综合性学科。因此，一个自动 化监测系统成功与否除了与系统的软硬件资源有密切关系外，更重要的 是系统的设计。 大坝安全监测自动化系统一般由以下几个部分构成：数据采集部 分，包括一次采集部分( 即现场传感器部分) 和二次网络部分( 即采集器、 巡检装置及转换装置) ；中央控制部分( 即主控机网络部分和控制软件系 统) ；远程数据传输部分( 即连接中控室与远程控制站或管理局的远程通 讯网络) 。根据上述系统的构成，本系统的设计包含以下几个内容：自 动化系统的总体结构设计；自动化系统的分布方式；自动化系统的 硬件设计；自动化系统的软件设计。 系统的总体结构设计是确定系统在特定布置方式下的硬件和软件结 构系统及基本功能设计，它亦在一定程度上决定系统的合理性与可靠性， 同时也是决定系统投资多少的一个重要因素。 系统的分布方式设计是确定从传感器到远程站或中控室之间各类仪 器和设备的连接方式及其位置，通过各种方案的比较和分析，获得一种 投资少、可靠性好、效率高的布置方式。这是非常关键的一步，它决定 着一个系统建成之后的可靠性和系统的投资问题。 系统的硬件设计内容是按照上述结构和功能，设计各种硬件电路、 元器件和传感器的选型等。 系统的软件设计内容有数据采集控制软件的开发，中央控制系统( 上 位机) 的软件开发，远程通讯网络控制软件的开发及工程实时监控与数 据处理和分析系统的软件开发。 西安理工大学硕士学位论文 3 1 系统的设计原则及基本功能 监测系统是工程安全、高效运行的重要保证，其功能、观测设备和 技术都应遵循以下原则： ( 1 ) 系统设计满足现行混凝土坝安全监测技术规范的要求。 ( 2 ) 系统采用分布式网络结构布置形式，前端计量元器件采用振弦式 传感器。 ( 3 ) 先进性。系统将在了解国内外发展动态，吸收其经验和成果的基 础上进行方案设计，使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。 ( 4 ) 可靠性。系统运行安全可靠，性能稳定，可以在恶劣环境下长期 工作。 ( 5 ) 通用性。在设计时，应充分考虑其应用对象的共性，使系统具有 较强的通用性。 ( 6 ) 扩展性。系统的设计容量要足够大，满足系统今后扩充需要。 ( 7 ) 经济性。系统的造价经济合理，性能价格高。 ( 8 ) 操作维护方便。在软件方面，要求人机界面友好，操作简便；在 硬件方面，要求维护检修方便。 3 2 系统的总体结构 大坝渗压监测的方法是对埋设在坝体或坝基中的测压管的水位和压 力进行测量。这类测压管在大坝基础廊道、坝体两岸山坡埋设的数量比 较多。在坝体基础灌浆廊道几乎每一个坝段都有测压管，据此来判断沿 坝轴线方向的基础扬压力情况、判断坝基帷幕工作情况。许多电站还在 垂直坝轴线方向，对重点坝坝基段设置了扬压力横向剖面布置孔，这些 纵横剖面的测压孔及沿坝体两岸山坡设置的绕渗孔，构成了大坝坝基渗 西安理工大学硕士学位论文 流监测网，定期进行观测，根据观测资料进行定性及定量分析，以研究、 评估大坝安全运行状况。 根据大坝安全监测的特点，本系统采用开放型分布式网络结构( 见图 3 1 所示) ，该结构是一种多主机网络拓扑结构，具有微处理器的远程测 图3 - 1 分布式监测系统结构图 量单元( m c u ) 挂在生产现场。可及时处理或加工现场的多种信号，中控 主机则通过分布式网络对各远程测量单元进行统一控制。这种结构与采 用单主机的集中式结构相比，具有可靠性高、通用性强、网络容量大、 信号传输距离远、扩展维护容易等优点，非常适合大坝安全监测的需要。 整个系统由三个子系统组成，即数据采集子系统、开放型分布式网 络子系统、中央监测子系统，具有测点设置，实时采集，故障报警，数 据库管理等功能。各子系统具体功能如下： ( 1 ) 数据采集子系统。包括传感器和远程测量单元( m c u ) 。m c u 布 置在传感器比较集中的地方，主要负责数据的采集和预处理，并随时响 应中央监控室的通讯请求，将实时采集的数据发往中央监控室。 ( 2 ) 开放型分布式网络子系统。主要由信号转换器、网络中继器、通 讯线组成。 ( 3 ) 中央监控予系统。由计算机及其它附属设备组成。主要负责对各 m c u 的遥测，数据的分析处理，信息管理及事故报警。 西安n ：r - ：k _ 学硕士学位论文 3 3 系统功能要求 随着控制技术、计算机技术和电力电子技术的迅速发展，自动化系 统应具备下述基本功能： ( 1 ) 在中控机( 上位机) 的管理下，监控系统中各区域控制检测单元 ( m c u ) 按指定的检测方式和一定的测次自动采集数据。 ( 2 ) 对观测资料进行有关检测和必要的修正，对观测结果进行整编归 档。 ( 3 ) 离线分析。即对长期观测资料进行计算和分析，建立安全监控数 学模型，对大坝安全状况进行评估，指导工程安全运行。 ( 4 ) 在线监控。将重要部位的测值与监控指标的警戒值比较，判断大 坝及其基础等部位的工作性态，发现险情实施分级报警。 ( 5 ) 全面、完善的数据库管理功能。对观测数据与工程档案进行全面 管理、存储、检索、制表、绘图、年报表制作等功能。 ( 6 ) 系统应具备可靠的远程通讯功能和接口，以便与上级管理部门和 有关单位联系，进行数据及工程变化性态的传输。 3 4 采集方式 目前，应用于大坝渗压自动化监测的系统按其采集方式可分为集中 式、分布式、混合式三种。集中式采集系统是在大坝某一区域( 例如： 某一高程的廊道) 布设监测站( 内放置采集装置) ，传感器输出信号通过电 缆直接与采集装置相连，信号通过采集装置转换为数字信号传输到大坝 的监控主机上。此方式适用于测点规模小，仪器布置相对集中，信号传 输距离不远的情况；分布式采集系统是将控制测量单元( m c u ) 分散布 置于靠近仪器的地方，m c u 可完成所辖测点的控制测量、a d 转换、数 3 总体方案的设计及组成 据暂存、与上位机进行数据通讯等功能，这样，减少了模拟量的传输距 离，提高了系统的抗外界干扰能力。另外，由于每个m c u 均具有一定的 独立工作能力，这也提高了系统的稳定性、安全性。分布式采集系统适 用于工程规模大、测点多且分散的监测系统；混合式采集系统是介于 集中式和分布式采集系统之问的一种采集方式，利用散布于仪器附近的 遥测转换箱将仪器的模拟信号汇集于一条总线之中，传输到监控站进行 集中测量和a d 转换，然后将数字信号传输到监控主机。 由于分布式采集系统是一种分散采集、集中管理的系统，其布局灵 活、扩展方便，可适用各种工程规模的大坝安全监测系统，。随着电子技 术的发展和电子元器件的规模化生产，为分布式系统提供了技术支持和 可接受的价格基础。分布式采集系统在大坝渗压自动化监测中已占主导 地位。因此，本研究拟采用分布式采集系统。 3 5 测量控制单元 测量控制单元( m c u ) 是自动化监测系统可靠、安全运行的重要保证。 虽然国内外一些生产厂家自行研制开发出了振弦式传感器的采集模块 ( 例如：g e o n k o n 、南瑞公司、联能公司等) ，但存在许多不足：常常是通 道少，不能满足工程应用的