基于智能識別技術(shù)的大壩監(jiān)測傳感器

朱進烽，徐思琛，徐剛

（南京葛南實業(yè)有限公司，江蘇南京210009）

0 引言

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與計算機技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎，它們分別完成對被測量的信息感知、信息傳輸及信息處理，是當代科學發(fā)展的重要標志。隨著加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷出現(xiàn)，尤其是計算機硬件和軟件技術(shù)的滲入，人們把微處理器和傳感器相結(jié)合，開發(fā)出具備一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補償?shù)男乱淮鷤鞲衅鳌爸悄軅鞲衅鳌盵1]。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感器技術(shù)的一次革命，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。

智能識別技術(shù)在日常生活中已隨處可見，如身份證、銀行卡、商品識別碼、火車票公交卡、水電費自報收取等都大量使用了身份識別技術(shù)。在高速公路收費站，汽車過站收費采用人工操作方式：過往車輛停車繳費，收費員需要判斷過往車輛的車型及收費標準，并讀卡和收費找零。這導致過站時間長，交通高峰期堵塞現(xiàn)象嚴重，時常因不能識別車輛是否或如何收費而扯皮[2]。隨著智能識別技術(shù)應用在車輛計費系統(tǒng)中（車載電子標簽ETC），可以在不停車的情況下在高速公路收費站快速通過自動計費。

當裝有無線智能識別模塊的車輛接近收費站時，無線智能識別模塊將本車輛的繳費賬戶、存款金額、車輛車型、車牌號碼、進路站點等識別信息發(fā)送給收費站智能收費系統(tǒng)，收費站的攝像機先對車輛的車牌號進行視頻信息采集識別，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對比，兩者一致進入收費程序。記錄車輛進路站名、進站時間、出站名、出站時間等信息，并準確收取相應費用，同時將收費情況通過無線智能識別系統(tǒng)返回給車輛。當收費站與車輛的識別系統(tǒng)不一致時，將進入報警程序，下閘、向下個收費站發(fā)出預警等方式。智能識別技術(shù)應用在車輛計費系統(tǒng)中可有效緩解高速公路收費堵車問題，實現(xiàn)無人值守、不停車自動繳費。

1 大壩監(jiān)測傳感器現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測技術(shù)融入了電子、機械、光學、信息等多行業(yè)，是多學科融合的專業(yè)。由于水電站大壩的重要性和應用環(huán)境的嚴酷及不可回收，其對安全監(jiān)測傳感器的要求比其他行業(yè)更高，傳感器必須零部件少、可靠性高、前端少用電子元器件等。由于所限條件，大壩監(jiān)測傳感器多數(shù)還停留在比較原始的狀態(tài)，僅有將物理量轉(zhuǎn)換為電量的功能。

大量的工程實踐中發(fā)現(xiàn)埋入大壩中的傳感器有3個致命的弱點：①現(xiàn)有的傳感器都是通過電纜傳輸信號，在工地現(xiàn)場區(qū)分傳感器之間的對應關(guān)系是依靠電纜尾部的標簽，在建壩施工過程中，施工斷面的變化、大型機械作業(yè)、人為的損壞都造成大量電纜線的斷裂。多條成束電纜斷裂后將很難判別電纜線與之相連的是哪一支傳感器，傳感器標簽也很容易磨損或丟失，這樣就導致傳感器因參數(shù)不可知（身份不明）而成為廢品；②現(xiàn)在工地現(xiàn)場測量沿用的是傳統(tǒng)筆寫紙記的方式，而測量儀表中也有自帶的存儲功能，可存儲數(shù)據(jù)都是按時間排序的，多支傳感器的測量數(shù)據(jù)又非常近似，即便人工判別也非常困難，所以目前測量儀表的存貯和通訊功能只能是個擺設；③大型水電站的建設施工期都比較長，儀器安裝的數(shù)量多、品種多、部位復雜。儀器的生產(chǎn)廠家、安裝人員、安裝時間、安裝部位、儀器類型、儀器名稱、儀器編號、儀器系數(shù)以及儀器基準值等原始資料，可能會因為時間的推移、安裝記錄人員的流動很難追溯，給日后數(shù)據(jù)整理、解析大壩運行狀態(tài)帶來不便。

2 具有智能識別功能的大壩監(jiān)測傳感器

大壩監(jiān)測傳感器智能識別技術(shù)就是將傳感器的儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)寫進智能識別芯片，相當于每個傳感器都攜帶有電子身份證。附有智能識別功能的讀取系統(tǒng)在測量時，首先讀取智能識別芯片內(nèi)的信息，當需要存貯測量數(shù)據(jù)時，測量數(shù)據(jù)自動排列在傳感器的編號及系數(shù)后。這樣測量數(shù)據(jù)不管存貯在讀數(shù)儀中或傳輸給計算機，永遠不會混亂，測量時也不需要再另記錄電纜上的傳感器編號，只要將測量數(shù)據(jù)存入讀數(shù)儀就一定與本支傳感器對應。如遇多支傳感器電纜被剪斷，只要將每支傳感器測量一遍，就能自動識別出每支傳感器所對應編號。

3 智能識別大壩監(jiān)測傳感器設計

智能識別傳感器由4部分組成：傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉(zhuǎn)換為電量的敏感元件、智能識別電路、信號傳輸部件。傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉(zhuǎn)換為電量的敏感元件及信號傳輸部件在長期的生產(chǎn)使用過程中已經(jīng)非常成熟，智能識別傳感器就是在原有傳感器中加裝智能識別電路。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，已有的智能識別傳感器在信號讀取中需要2芯電纜，加上原有的物理量轉(zhuǎn)換為電量的信號，電纜需要6（振弦式）芯或7（差阻式）芯電纜線才能滿足其信號的讀?。煌ㄓ玫淖R別電路復雜，線路板大，無法植入現(xiàn)有傳感器狹小的空間，還存在信號電纜傳輸距離近等問題，智能識別技術(shù)要用在大壩監(jiān)測傳感器上必須解決以上問題。

3.1 線纜芯數(shù)不變

智能識別傳感器必須保持原有的測量線纜芯數(shù)不變，因為許多工程在土建施工中都大量預埋了電纜，如果電纜芯數(shù)不對應，將需要重新敷設電纜，增加成本。新研制的智能識別電路并接在傳感器的溫度電阻上，所以讀取時與溫度測量共用兩芯線，解決了智能識別芯片讀取需要多加電纜芯數(shù)的問題。

3.2 識別電路可靠性

大壩監(jiān)測傳感器設計必須遵循在滿足其使用性能的條件下元器件和機械零件越少越可靠的原則，最新研制的傳感器智能識別電路專為植入小巧傳感器而設計，面積約為0.4 cm2，大量減少了外部元件的數(shù)量，提高了識別電路的可靠性。智能識別電路見圖1。

3.3 數(shù)據(jù)存儲時間長

智能識別電路采用進口芯片綁定，讀寫次數(shù)≥100000次，可植入儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)，植入數(shù)據(jù)可保存時間≥10年，可在惡劣的環(huán)境中使用，數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定不丟失，滿足大壩長期監(jiān)測的使用要求。

圖1 智能識別讀寫示意圖Fig.1 Circuit diagram of read/write in intelligent identification

3.4 連續(xù)識別

智能識別芯片喚醒時間≤3 ms，寫讀間隔≤8 ms，可進行單次識別、連續(xù)識別，解決了自動或手動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取時快速切換的問題。

3.5 讀取電纜距離長

特設寄存器控制前端儀器參數(shù)，使每一次應用的讀取距離最大化。由于有專設的讀取程序（下行鏈路，從讀取器到智能識別芯片），讀取距離達到800 m以上，基本滿足大型水電工程傳感器長電纜傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.6 可重復擦除和寫入

用戶可以將自己重新檢驗的傳感器標定系數(shù)、溫度修正系數(shù)以及設計編號等寫入智能識別芯片，有效解決了一次寫入無法修改的問題，方便用戶隨時更新儀器參數(shù)，提高了智能識別功能的使用交互性。

4 智能識別采集系統(tǒng)設計

智能識別采集系統(tǒng)就是在原有采集系統(tǒng)中增加讀取識別芯片中的傳感器各項參數(shù)及編號的功能，將讀取到的傳感器參數(shù)及識別出的傳感器類型進行公式對應，并根據(jù)該傳感器的各項參數(shù)、對應的計算公式、傳感器輸出的電量，直接可以計算出實際物理工程值。

4.1 讀取識別芯片

智能識別采集系統(tǒng)在單支儀器逐個測量時，首先讀取智能傳感器識別芯片內(nèi)傳感器的各項參數(shù)及編號。智能識別振弦讀數(shù)儀測量顯示如圖2：A為存貯單元、0048為序號、SA5121為傳感器類型及編號、2008/10/1810∶28為日期和時間、K=0.4897με/F為傳感器的標定系數(shù)、b=13.5 με/℃為傳感器的溫度修正系數(shù)為讀數(shù)儀的在線電壓、200-4840F為掃頻激勵范圍、4500.5F為被測傳感器的頻率摸數(shù)值、R=3 k為被測傳感器溫度計的類型、25.5℃為被測傳感器的溫度值。

智能識別讀數(shù)儀在連接自動或手動集線箱快速切換時可以設置連續(xù)快速識別，其讀寫間隔≤8 ms的反應速度完全可以滿足要求。

圖2 智能識別振弦讀數(shù)儀的顯示界面Fig.2 Display interface of the intelligent identification vibrating wire reading instrument

4.2 快速查詢

智能識別采集系統(tǒng)在存貯測量數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)自動排列在傳感器的編號及系數(shù)后，與計算機通信后數(shù)據(jù)排列為：存貯單元及序號、儀器名稱、儀器編號、標定系數(shù)、系數(shù)單位、溫度修正系數(shù)、存貯日期及時間、頻率模數(shù)值、頻率值、溫度值（如圖3）。這樣排列測量數(shù)據(jù)不管存貯在智能識別讀數(shù)儀中或傳輸給計算機，永遠不會混亂。在大壩監(jiān)測海量的數(shù)據(jù)中，分析時可以任意按儀器名稱、儀器編號、最小讀數(shù)b···進行排序并查詢，節(jié)約了查詢時間，解決了因數(shù)據(jù)量過大無法快速排序查詢的難題。

智能識別采集系統(tǒng)可以判別出儀器類型，如：P08320為滲壓計，SA7300為150 mm標距的應變計，RF0091為配筋25 mm的鋼筋計···并自動將判別出的儀器顯示在儀器名稱欄里，讓觀測人員一目了然，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)排序的智能化。

4.3 統(tǒng)計計算

智能識別采集系統(tǒng)先讀取識別芯片中的傳感器參數(shù)及編號，即可根據(jù)識別到的傳感器類型調(diào)用與其對應的計算公式，根據(jù)傳感器參數(shù)、計算公式、傳感器測出的電量直接計算出實際物理工程值。

圖3 智能識別讀數(shù)儀存貯數(shù)據(jù)上傳計算機排列截屏Fig.3 Snapshot shown on the computer of the data collected from the intelligent identification reading instrument

測斜儀智能識別讀數(shù)儀測量顯示見圖4：29-X001為編號29號測孔-X方向第一個測點，GN6158為測斜儀的編號；99.5 m為在測點高程孔深米數(shù)；+X+145.05 mm為+X方向測值經(jīng)計算后的位移量，單位為mm；-X-148.05 mm為-X方向測值經(jīng)計算后的位移量，單位為mm；-/2=+146.55 mm為測量值差的一半，有效位移值；+/2=-1.5 mm為測量值和的一半，理論鉛垂線值。由下至上進行測量，每按一次線控開關(guān)（或存貯鍵）當前測量數(shù)據(jù)存貯一次，同時孔深遞減一個設定的測量標距，存貯器序號加1（測點數(shù)）。將讀數(shù)儀存儲數(shù)據(jù)傳輸給計算機，計算機根據(jù)位移值數(shù)據(jù)繪制管形圖，實現(xiàn)了測量工作無紙化，也方便測量數(shù)據(jù)的快速查詢統(tǒng)計計算。

圖4 智能識別測斜儀讀數(shù)儀的顯示界面Fig.4 Display interface of the reading instrument of intelligent identification inclinometer

大壩監(jiān)測儀器使用智能識別系統(tǒng)技術(shù)后，已在幾百個實際工程中使用，得到了現(xiàn)場使用人員的肯定和好評，解決了用戶在測量時因測量數(shù)據(jù)不能隨意快速存貯、無法實現(xiàn)無紙化操作的困難，給大壩監(jiān)測儀器的使用方式帶來了根本的改變。

5 結(jié)語

大壩及巖土工程監(jiān)測儀器大多都使用在國計民生的大型重點工程上，要使測量工作真正做到無紙化的快速測量存貯，減輕測量人員的負擔和減少記錄失誤，使用傳感器智能識別技術(shù)將是時代發(fā)展的必然趨勢。采用智能識別技術(shù)的傳感器，可以省去大量的人工操作，解決了因傳感器標簽磨損、丟失、電纜被剪斷導致傳感器因參數(shù)不可知、身份不明而成為廢品的難題。

隨著時代的進步和科技的發(fā)展，計算機技術(shù)與網(wǎng)絡技術(shù)大量應用到傳感器中，加快了智能傳感器的發(fā)展和普及，這將會是大壩監(jiān)測技術(shù)的一次革命?！?/p>

[1]景博,張劼,孫勇.智能網(wǎng)絡傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京：國防工業(yè)出版社.

[2]肖建華,廖惜春.無線車輛計費系統(tǒng)中的智能識別技術(shù)[J].中南大學學報,2007,38:388-392.