基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

瞿衛(wèi)華，魏永強(qiáng)

（湖南省水利水電科學(xué)研究所，湖南長(zhǎng)沙 410007）

0 引言

我國90%以上的水庫興建于20世紀(jì)50～70年代，受歷史條件限制，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、質(zhì)量偏差、管理手段落后、設(shè)備本身精度不高等原因?qū)е麓髩问率录r(shí)有發(fā)生，造成了巨大災(zāi)害，目前，紛紛開始研制高精度、高可靠性的智能型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保證可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫大壩的運(yùn)行性態(tài)。如，美國的基康、我國的南京葛蘭、南瑞科技等都相繼研制出了自己的采集系統(tǒng)［1］，而且各自的測(cè)量精度與穩(wěn)定度都較以前有了很大的提高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定度和系統(tǒng)的智能性也有了較大改進(jìn)［2，3］。

本文設(shè)計(jì)了基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分以ARM7為核心，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、電源管理集于一體，通過應(yīng)答、自報(bào)或應(yīng)答與自報(bào)相結(jié)合的模式將采集數(shù)據(jù)傳至大壩端服務(wù)器;軟件部分通過定時(shí)或?qū)崟r(shí)發(fā)送采集命令，控制傳感器動(dòng)作。

1 振弦式傳感器的工作原理與特性

1.1 振弦式傳感器的特性

振弦式傳感器輸出的是頻率信號(hào)，其頻響曲線如圖1所示。振子在振動(dòng)時(shí)，它的內(nèi)部具有一定的阻尼，需要消耗能量，從而需要外部施加激振力。振子的阻尼越小，振動(dòng)時(shí)所需耗散的能量就越少，頻率的選擇性就越好（所謂頻率選擇性好是指?jìng)鞲衅鲝牟煌念l率信號(hào)中選出所需要的頻率信號(hào)的能力強(qiáng)），則傳感器的精度就越高，傳輸?shù)木嚯x就越遠(yuǎn)，適應(yīng)性就越好。

圖1 振子的頻響曲線Fig 1 Oscillator’s frequency response curve

由圖1知振弦式傳感器中振子的阻尼小，諧振響應(yīng)曲線窄。由此可知振弦式傳感器具有很高的測(cè)量精度、適合長(zhǎng)距離傳輸、工作可靠性及穩(wěn)定性高，且適應(yīng)在惡劣的環(huán)境下工作。

1.2 振弦式傳感器的工作原理

要使振子產(chǎn)生振動(dòng)、需外加激振力（激振元件），要測(cè)量振子的振動(dòng)頻率則要拾振元件，它們之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 振弦式傳感器的基本構(gòu)架Fig 2 Vibrating wire sensor’s basic architecture

其工作原理是:首先由激振電路驅(qū)動(dòng)電磁線圈，當(dāng)信號(hào)的頻率和振弦的固有頻率接近時(shí)，振子被激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，振弦迅速達(dá)到共振狀態(tài);接著由拾振元件檢測(cè)振子的振動(dòng)頻率;最后將此信號(hào)經(jīng)檢測(cè)電路濾波、放大、整形送給單片機(jī)并輸送到激振元件中形成閉環(huán)系統(tǒng)。

2 基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分由數(shù)據(jù)采集電路、存儲(chǔ)電路、顯示電路、電源管理電路及單片機(jī)組成，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig 3 Block diagram of osmotic pressure monitoring system

由圖3知，電源管理電路、數(shù)據(jù)顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路配合CPU分別完成對(duì)電源的分配管理、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能;數(shù)據(jù)采集電路是由頻率采集電路和溫度采集電路兩部分組成，且數(shù)據(jù)采集電路完成對(duì)振弦式傳感器的直接控制作用。

2.1.1 激振電路

激振電路采用掃頻激振技術(shù)，即用一個(gè)頻率可調(diào)節(jié)的信號(hào)去激勵(lì)振弦式傳感器的激振線圈，當(dāng)信號(hào)的頻率和振弦的固有頻率相接近時(shí)，振弦迅速達(dá)到共振狀態(tài)。由于激勵(lì)信號(hào)的頻率易采用軟件控制，因此，只要知道振弦固有頻率的大致范圍（一般來說，對(duì)一種已知的傳感器其固有頻率的大致范圍是確定的），就可用該范圍內(nèi)的激勵(lì)信號(hào)去激發(fā)它，以使得振弦快速起振，圖4為激振電路。

圖4 激振電路Fig 4 Shock excitation circuit

2.1.2 頻率檢測(cè)電路

拾振線圈中感生電勢(shì)的頻率檢測(cè)電路由兩部分組成，一是濾波電路，采用兩級(jí)低通濾波法;二是過零比較電路，采用過零比較法，從比較器的輸出端得到頻率信號(hào)，其電路圖如圖5所示。

圖5 頻率檢測(cè)電路Fig 5 Frequency detection circuit

由圖3可知，U29A和U29B組成兩級(jí)有源低通濾波電路;C29，R113以及 C33，R130，分別構(gòu)成第一，二級(jí)有源濾波電路的阻—容網(wǎng)絡(luò);U23A作為比較器，形成過零比較電路。由于感生電勢(shì)是一個(gè)周期信號(hào)，所以，待測(cè)信號(hào)的頻率也就是周期性的方波U23A的輸出F_CHK1的頻率。

2.1.3 溫度檢測(cè)電路

振弦式傳感器中內(nèi)置Pt100電阻式溫度傳感器［4］，該傳感器的測(cè)溫原理是:將電阻的變換轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后計(jì)算得出滲流水的實(shí)時(shí)溫度值。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照以上電路的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)軟件編程的基本思路是:首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著一方面是激振電路激振傳感器工作，檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)檢測(cè)、放大、整型、處理，最后得到測(cè)量頻率;另一方面，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)，再和恒流源電路配合得出溫度傳感器的電阻值，繼而得出溫度，其程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序控制流程圖Fig 6 Flow chart of program control

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

將本文設(shè)計(jì)的基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室做測(cè)試并試運(yùn)行。其中在傳感器上連接1000m長(zhǎng)通信電纜模擬水庫現(xiàn)場(chǎng)的通信距離，測(cè)量了滲壓水位，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)5個(gè)月，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別從每個(gè)月中隨機(jī)抽取兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，其結(jié)果如表1。

由表1可以看出:在實(shí)驗(yàn)室模擬水庫現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的滲壓水位與實(shí)際滲壓水位的曲線斜率都幾乎相同，測(cè)量誤差也在允許的范圍內(nèi)，而且實(shí)驗(yàn)持續(xù)運(yùn)行的5個(gè)月內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定。說明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)的穩(wěn)定度與可靠性高。

4 結(jié)論

將本文設(shè)計(jì)基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于水庫大壩安全監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在測(cè)量精度、實(shí)際誤差、穩(wěn)定性等方面都滿足了實(shí)驗(yàn)要求，而且，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、線性度好、能連續(xù)很好地工作，更重要的是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為以后進(jìn)一步研究水庫大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

表1 測(cè)量滲壓水位與實(shí)際滲壓水位比較表Tab 1 Comparison table of measured osmotic pressure level and the actual water level

［1］呂 剛.我國大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展［J］.大壩觀測(cè)與土木測(cè)試，1996，20（1）:3 －11.

［2］Huang Tianzhu.Reliability of dam monitoring instrurnent［C］//Intemational Symposium on Monitoring Technology of Dam Safety，1992:131 －137.

［3］Li Nenhui，Li Zechong.New development of monitoring system ＆equipment for high CFRD in China［C］//ICOLD 68th Annual Meeting，China，2000:12.

［4］黃 河，李志強(qiáng)，段 輝.鉑熱電阻在測(cè)溫電路中的實(shí)際應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2009，28（4）:1 －3.