傳感器在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用

1、傳感器在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用傳感器在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用一、引言一、引言大壩監(jiān)測自動化經(jīng)歷了從單臺儀器遙測、專用測量裝置、集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展過程，其發(fā)展與基于儀器設(shè)備的監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和進步密切相關(guān)，而監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展是以所有監(jiān)測元件的迅猛發(fā)展為標(biāo)志的，包括從相關(guān)的傳感器、測量儀器到轉(zhuǎn)換、處理、存儲、打印和分析設(shè)備的發(fā)展。眾所周知，大壩安全監(jiān)測儀器是人們了解大壩運行狀態(tài)的耳目，它要能夠在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠的檢測

2、出大壩微小的物理量變化，所以在某些方面（如在測量精度、長期穩(wěn)定性方面）與其它工業(yè)監(jiān)測行業(yè)相比，其要求更高、難度更大。從外部觀測的靜力水準(zhǔn)、正倒錘、激光準(zhǔn)直到內(nèi)部觀測的滲壓計、沉降計、測斜儀、土體應(yīng)變計、土壓計，其自動化遙測都是建立在高可靠性的傳感器的基礎(chǔ)上。近年來，隨著大型水壩建筑的增多和高科技的應(yīng)用，大壩安全監(jiān)測正向一體化、自動化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。二、變形監(jiān)測二、變形監(jiān)測變形觀測主要是監(jiān)測大壩本身及局部位置隨時間的變化，即確

3、定測點在某一時刻的空間位置或特定方向的位移，可分為水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測。目前，水平位移監(jiān)測自動化主要采用垂線法、引張線法及真空激光準(zhǔn)直法；垂直位移監(jiān)測自動化有真空激光準(zhǔn)直法和靜力水準(zhǔn)法，近年還出現(xiàn)了采用GPS或全站儀實現(xiàn)水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測自動化的例子。目前，在國內(nèi)工程中使用的新型步進式變形監(jiān)測儀器STC50型坐標(biāo)儀、SWT50型引張線儀反映效果良好。1、測垂線坐標(biāo)儀、測垂線坐標(biāo)儀隨著傳感技術(shù)進步，遙測垂線坐標(biāo)發(fā)展到CCD式

4、和感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀。如采用差動電容感應(yīng)原理的電容感應(yīng)式遙測儀，當(dāng)測點相對于線體垂直方向發(fā)生位置變化時，則差動電容比值隨之發(fā)生變化，通過測量電容比，測出垂直方向的位移。電容感應(yīng)式坐標(biāo)儀技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、長期穩(wěn)定性好、成本低、防水性能優(yōu)越，適用于環(huán)境較惡劣的大壩。目前世界上具有研制并生產(chǎn)電容感應(yīng)式坐標(biāo)儀能力的國家僅有三個：法國TELEMAC公司研制生產(chǎn)的變磁阻式坐標(biāo)儀；意大利國家電力局與米蘭大學(xué)研制、SELL公司生產(chǎn)的TCE0

5、3型變磁阻式坐標(biāo)儀；我國國家電力公司電力自動化研究所研究院研制生產(chǎn)的電容感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀和武漢地震所研制的電磁感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀。2、引張線遙測技術(shù)、引張線遙測技術(shù)在直線型壩中用引張線法測量壩體的水平位移，其原理與電容感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀相同，區(qū)別僅在于測量的方向。因其設(shè)備簡單、測量方便、測量速度快、精度高、成本低而在我國大壩安全監(jiān)測中起著很重要的作用。早期安裝在壩上的引張線儀，由人工來測讀標(biāo)尺上的水平位移，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已有步進

6、電機光電跟蹤式引張線儀、電容感應(yīng)式引張線儀、CCD式引張線儀及電磁感應(yīng)式引張線儀。僅南京電力自動化研究院一家在現(xiàn)場安裝的遙測引張線儀就達(dá)1500套。但由于引張線裝置受環(huán)境影響較大，尤其是在線體較長和溫度變幅較大的情況下，在北方（如豐滿、太平哨等工程中）己被真空激光準(zhǔn)直所代替；再者就是在采用引張線實現(xiàn)水平位移監(jiān)測時，要定期檢查線體及補充浮液，從而使“自動化”受到一定程度的限制。3、遙測靜力水準(zhǔn)儀、遙測靜力水準(zhǔn)儀基礎(chǔ)沉降、傾斜監(jiān)測是壩體的重

7、要監(jiān)測項目。所以要求測量儀器量程小、精度高、長期測量穩(wěn)定可靠，國內(nèi)外在該領(lǐng)域都投入了較大的力量，開發(fā)出了技術(shù)先進、性能價格比高的產(chǎn)品。（1）國內(nèi)生產(chǎn)的電容感應(yīng)式靜力水準(zhǔn)儀是與連通管配合用于測量各測點的垂直位移的儀器。當(dāng)儀器位置發(fā)生垂直位移時，通過采用屏蔽管接地改變電容的感應(yīng)長度，以達(dá)測量的目的。美國Geokon公司的振弦式儀器性能較為穩(wěn)定，4500S系列用于測壓管水位監(jiān)測效果較好，而帶通氣孔的4500ALV及4580系列振弦式儀器由于自

8、身能平衡大氣壓，加之精確度較高、穩(wěn)定性好，可以滿足采用量水堰法進行滲漏量監(jiān)測的需要。2、壓阻傳感器、壓阻傳感器壓阻傳感器用在硅半導(dǎo)體材料上制成的壓敏感電阻作為敏感元件，在水壓力作用下使做成橋路的半導(dǎo)體電阻因壓阻效應(yīng)而輸出電量，由此測出水壓的變化。由于壓阻傳感器靈敏度高、分辨率高、體積小，所以在大壩工程上的運用步伐逐步加快。國家電力公司電力自動化研究院生產(chǎn)的NYZ型壓阻傳感器已在多個工程中運用。3、滲流量儀、滲流量儀水位監(jiān)測除可采用高精度

9、壓力傳感器外，國內(nèi)單位生產(chǎn)的浮子式水位計同樣能滿足工程需要。監(jiān)測滲流的儀器有管口滲流量計和多種型式量水堰滲流量儀。量水堰滲流量儀的浮子直接感應(yīng)堰上的水位變化，進而求出流量。目前，在工程上應(yīng)用較多的是電容感應(yīng)式和步進馬達(dá)跟蹤式量水堰儀。電容感應(yīng)式量水堰滲流量儀測量范圍大、測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。當(dāng)然，滲流量測量還可采用其它多種方案，如用高精度微壓計進行量水堰水位監(jiān)測，或采用超聲波流量計等。一些不適宜用量水堰測量的滲流量可以采用翻斗

10、式的遙測滲流量計，對于集水井的平均滲流量可采用集水井專用測控裝置及配套的水位傳感器測量，它能按設(shè)定水位自動控制水泵抽水并給出大壩的總滲流量。4、計算機層析成像技術(shù)、計算機層析成像技術(shù)計算機層析成像技術(shù)（CT：ComputerizedTopography，）指在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)在物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、X射線光強）的一維投影數(shù)據(jù)，運用某種數(shù)學(xué)方法，通過計算機處理，重建物體特定層面上的二維圖像及三維圖像的技術(shù)。由于其

11、能夠定量反映大壩內(nèi)部材料性質(zhì)的分布情況和缺陷部位，所以減少了儀器設(shè)備的復(fù)雜性并提高了大壩的安全度，同時對大壩內(nèi)部性態(tài)檢測、缺陷搜索和老化評判提供重要依據(jù)。所以意大利、日本先后將CT技術(shù)用于大壩性態(tài)診斷，有效地進行了大壩安全檢查及工程處理效果驗證。四、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測四、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測通過埋設(shè)在大壩內(nèi)部特定部位的儀器，如應(yīng)變計、測縫計、裂縫儀、滲壓計、揚壓力計、溫度計等，對大壩的應(yīng)力應(yīng)變、裂縫、滲流滲壓及溫度等進行持續(xù)自動化觀測來計

12、算拱壩的徑向應(yīng)力、拱向應(yīng)力和梁向應(yīng)力，這對于大壩的安全評判十分重要。目前差動電阻式儀器(卡爾遜儀器)和弦式儀器廣泛地用于混凝土壩的溫度、應(yīng)力應(yīng)變、滲壓等監(jiān)測中。1、差動、差動電阻電阻式儀器式儀器利用電阻絲變形與電阻成正比的原理實現(xiàn)的該類儀器因其防潮、長期測量穩(wěn)定可靠、測試方法簡單、絕緣要求低、防雷能力強、經(jīng)濟、可兼測溫度而在國內(nèi)得到了較廣泛的運用。針對該類儀器內(nèi)阻低、儀器電阻變差會影響測值等難題，國內(nèi)工程技術(shù)人員創(chuàng)造了5芯儀器測量原理，

13、使得儀器測量與電阻變差及電纜芯線電阻大小無關(guān)，實現(xiàn)了差阻式儀器的自動化監(jiān)測。2、光纖傳感技術(shù)、光纖傳感技術(shù)光纖傳感是用光導(dǎo)纖維來感受各種物理量并傳送所感受信息的技術(shù)。光纖傳感器自身不產(chǎn)生幅射、不發(fā)熱、不產(chǎn)生火花，且不受外界電磁幅射的干擾，可安裝在物體的表面或內(nèi)部，連續(xù)地對諸如應(yīng)變、應(yīng)力、位移、裂縫、孔隙壓力、溫度等狀況進行監(jiān)測。它以激光作載波，光導(dǎo)纖維作傳輸路徑來感應(yīng)、傳輸各種信息，可以替代高雷區(qū)、強磁場區(qū)或潮濕地帶的電子儀器。國外利用