基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

瞿衛(wèi)華，魏永強

（湖南省水利水電科學(xué)研究所，湖南長沙 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)，以保證可以實時監(jiān)測水庫大壩的運行性態(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)計了基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測系統(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、數(shù)據(jù)顯示、電源管理集于一體，通過應(yīng)答、自報或應(yīng)答與自報相結(jié)合的模式將采集數(shù)據(jù)傳至大壩端服務(wù)器;軟件部分通過定時或?qū)崟r發(fā)送采集命令，控制傳感器動作。

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，其頻響曲線如圖1所示。振子在振動時，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，振動時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傳感器從不同的頻率信號中選出所需要的頻率信號的能力強），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量精度、適合長距離傳輸、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、需外加激振力（激振元件），要測量振子的振動頻率則要拾振元件，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)動電磁線圈，當(dāng)信號的頻率和振弦的固有頻率接近時，振子被激勵產(chǎn)生振動，振弦迅速達(dá)到共振狀態(tài);接著由拾振元件檢測振子的振動頻率;最后將此信號經(jīng)檢測電路濾波、放大、整形送給單片機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)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

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

圖3 滲壓監(jiān)測系統(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)存儲電路配合CPU分別完成對電源的分配管理、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等功能;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)，即用一個頻率可調(diào)節(jié)的信號去激勵振弦式傳感器的激振線圈，當(dāng)信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦迅速達(dá)到共振狀態(tài)。由于激勵信號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)的激勵信號去激發(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 頻率檢測電路

拾振線圈中感生電勢的頻率檢測電路由兩部分組成，一是濾波電路，采用兩級低通濾波法;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，其電路圖如圖5所示。

圖5 頻率檢測電路Fig 5 Frequency detection circuit

由圖3可知，U29A和U29B組成兩級有源低通濾波電路;C29，R113以及 C33，R130，分別構(gòu)成第一，二級有源濾波電路的阻—容網(wǎng)絡(luò);U23A作為比較器，形成過零比較電路。由于感生電勢是一個周期信號，所以，待測信號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］，該傳感器的測溫原理是:將電阻的變換轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后計算得出滲流水的實時溫度值。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

按照以上電路的設(shè)計思想，系統(tǒng)軟件編程的基本思路是:首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著一方面是激振電路激振傳感器工作，檢測電路對信號檢測、放大、整型、處理，最后得到測量頻率;另一方面，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號，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 實驗與結(jié)果

將本文設(shè)計的基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測系統(tǒng)在實驗室做測試并試運行。其中在傳感器上連接1000m長通信電纜模擬水庫現(xiàn)場的通信距離，測量了滲壓水位，且實驗時間持續(xù)5個月，實驗結(jié)果分別從每個月中隨機抽取兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，其結(jié)果如表1。

由表1可以看出:在實驗室模擬水庫現(xiàn)場測試的滲壓水位與實際滲壓水位的曲線斜率都幾乎相同，測量誤差也在允許的范圍內(nèi)，而且實驗持續(xù)運行的5個月內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定。說明本文設(shè)計的系統(tǒng)的測量精度高，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)計基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于水庫大壩安全監(jiān)測，實驗結(jié)果表明:在測量精度、實際誤差、穩(wěn)定性等方面都滿足了實驗要求，而且，整個系統(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)計方法為以后進(jìn)一步研究水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了理論與實驗依據(jù)。

表1 測量滲壓水位與實際滲壓水位比較表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)自動化技術(shù)的發(fā)展［J］.大壩觀測與土木測試，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，段 輝.鉑熱電阻在測溫電路中的實際應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2009，28（4）:1 －3.