基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统设计

瞿卫华，魏永强

（湖南省水利水电科学研究所，湖南长沙 410007）

0 引言

我国90%以上的水库兴建于20世纪50～70年代，受历史条件限制，工程建设标准偏低、质量偏差、管理手段落后、设备本身精度不高等原因导致大坝失事事件时有发生，造成了巨大灾害，目前，纷纷开始研制高精度、高可靠性的智能型数据采集系统，以保证可以实时监测水库大坝的运行性态。如，美国的基康、我国的南京葛兰、南瑞科技等都相继研制出了自己的采集系统［1］，而且各自的测量精度与稳定度都较以前有了很大的提高，数据传输的稳定度和系统的智能性也有了较大改进［2，3］。

本文设计了基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统。该系统的硬件部分以ARM7为核心，将数据采集、数据存储、数据显示、电源管理集于一体，通过应答、自报或应答与自报相结合的模式将采集数据传至大坝端服务器;软件部分通过定时或实时发送采集命令，控制传感器动作。

1 振弦式传感器的工作原理与特性

1.1 振弦式传感器的特性

振弦式传感器输出的是频率信号，其频响曲线如图1所示。振子在振动时，它的内部具有一定的阻尼，需要消耗能量，从而需要外部施加激振力。振子的阻尼越小，振动时所需耗散的能量就越少，频率的选择性就越好（所谓频率选择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强），则传感器的精度就越高，传输的距离就越远，适应性就越好。

图1 振子的频响曲线Fig 1 Oscillator’s frequency response curve

由图1知振弦式传感器中振子的阻尼小，谐振响应曲线窄。由此可知振弦式传感器具有很高的测量精度、适合长距离传输、工作可靠性及稳定性高，且适应在恶劣的环境下工作。

1.2 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所示。

图2 振弦式传感器的基本构架Fig 2 Vibrating wire sensor’s basic architecture

其工作原理是:首先由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率接近时，振子被激励产生振动，振弦迅速达到共振状态;接着由拾振元件检测振子的振动频率;最后将此信号经检测电路滤波、放大、整形送给单片机并输送到激振元件中形成闭环系统。

2 基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统设计

2.1 硬件系统设计

本文设计的振弦式传感器的大坝渗压监测系统的硬件部分由数据采集电路、存储电路、显示电路、电源管理电路及单片机组成，其系统框图如图3所示。

图3 渗压监测系统框图Fig 3 Block diagram of osmotic pressure monitoring system

由图3知，电源管理电路、数据显示电路、数据存储电路配合CPU分别完成对电源的分配管理、数据显示及数据存储等功能;数据采集电路是由频率采集电路和温度采集电路两部分组成，且数据采集电路完成对振弦式传感器的直接控制作用。

2.1.1 激振电路

激振电路采用扫频激振技术，即用一个频率可调节的信号去激励振弦式传感器的激振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态。由于激励信号的频率易采用软件控制，因此，只要知道振弦固有频率的大致范围（一般来说，对一种已知的传感器其固有频率的大致范围是确定的），就可用该范围内的激励信号去激发它，以使得振弦快速起振，图4为激振电路。

图4 激振电路Fig 4 Shock excitation circuit

2.1.2 频率检测电路

拾振线圈中感生电势的频率检测电路由两部分组成，一是滤波电路，采用两级低通滤波法;二是过零比较电路，采用过零比较法，从比较器的输出端得到频率信号，其电路图如图5所示。

图5 频率检测电路Fig 5 Frequency detection circuit

由图3可知，U29A和U29B组成两级有源低通滤波电路;C29，R113以及 C33，R130，分别构成第一，二级有源滤波电路的阻—容网络;U23A作为比较器，形成过零比较电路。由于感生电势是一个周期信号，所以，待测信号的频率也就是周期性的方波U23A的输出F_CHK1的频率。

2.1.3 温度检测电路

振弦式传感器中内置Pt100电阻式温度传感器［4］，该传感器的测温原理是:将电阻的变换转换成电压或电流等模拟信号，再通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，最后计算得出渗流水的实时温度值。

2.2 软件系统设计

按照以上电路的设计思想，系统软件编程的基本思路是:首先对系统进行初始化，接着一方面是激振电路激振传感器工作，检测电路对信号检测、放大、整型、处理，最后得到测量频率;另一方面，A/D转换器将模拟电压信号转换成数字电压信号，再和恒流源电路配合得出温度传感器的电阻值，继而得出温度，其程序流程图如图6所示。

图6 程序控制流程图Fig 6 Flow chart of program control

3 实验与结果

将本文设计的基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统在实验室做测试并试运行。其中在传感器上连接1000m长通信电缆模拟水库现场的通信距离，测量了渗压水位，且实验时间持续5个月，实验结果分别从每个月中随机抽取两组数据进行组合，其结果如表1。

由表1可以看出:在实验室模拟水库现场测试的渗压水位与实际渗压水位的曲线斜率都几乎相同，测量误差也在允许的范围内，而且实验持续运行的5个月内系统稳定。说明本文设计的系统的测量精度高，数据传输距离远、系统的稳定度与可靠性高。

4 结论

将本文设计基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统应用于水库大坝安全监测，实验结果表明:在测量精度、实际误差、稳定性等方面都满足了实验要求，而且，整个系统工作稳定、线性度好、能连续很好地工作，更重要的是本系统的设计方法为以后进一步研究水库大坝安全监测系统提供了理论与实验依据。

表1 测量渗压水位与实际渗压水位比较表Tab 1 Comparison table of measured osmotic pressure level and the actual water level

［1］吕 刚.我国大坝安全监控系统自动化技术的发展［J］.大坝观测与土木测试，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］黄 河，李志强，段 辉.铂热电阻在测温电路中的实际应用［J］.煤炭技术，2009，28（4）:1 －3.