安全监测常用仪器及自动化原理

第二章岩土工程安全监测常用仪器及自动化第一节安全监测仪器的基本要求用于岩土工程的安全监测仪器所处的环境条件十分恶劣，有的暴露在100～200m的高边坡上，有的又要深埋在200～300m的坝体或基础中，有的长期在潮湿的廊道或水下工作，有的要在-30～50℃的交变温度场中工作。建筑物开始施工时仪器随同埋设，直到工程运行施工期就会长达十年以上。一般地说，仪器一旦埋进去就无法修理和更换。甚至观测人员都难以到达仪器布设的地方。因此，对仪器除了技术性能和功能符合使用要求外，通常设计制造要满足以下要求：（1）高可靠性。设计要周密，要采用高品质的元器件和材料制造，并要严格地进行质量控制，保证仪器埋设后完好率满足要求。（2）长期稳定性好。零漂、时漂和温漂满足设计和使用所规定的要求，一般有效使用寿命在10年以上。（3）精度较高。必须满足监测实际需要的精度，有较高的分辨率和灵敏度，有较好的直线性和重复性，观测数据不受长距离测量和环境温度变化的影响，如果有影响所产生的测值误差应易于消除。仪器的综合误差一般应控制在2%F·S以内。（4）耐恶劣环境性。可在温度-25～+60℃，湿度95％的条件下长期连续运行，设计有防雷击和过载冲击保护装置，耐酸、耐碱、防腐蚀。（5）密封耐压性良好。防潮密封性良好，绝缘度满足要求，在水下工作要能承受设计规定耐水压能力。（6）操作简单。埋设、安装、操作方便，容易测读，最好是直接数显。中等文化水平的人员经过短期培训就应能独立使用。（7）结构牢固。能够耐受运输时的振动以及在工地现场埋设安装可能遭受的碰撞、倾倒。在混凝土或土层振捣或碾压时不会损坏。（8）维修要求不高。选用通用易购的元器件，便于检修和定时更换，局部故障容易排除。（9）适于施工。埋设安装时与工程施干扰要小，能够顺利安装的可能性要大，不需要交流电源和特殊的影响施工的手段。（10）费用低廉。包括仪器购价、维修费用和施工费用、配套的仪表，传输信号的电缆等直接和间接费用应尽可能低。（11）能遥测。自动监测系统容易配置。以上这些要求构成了比较理想的监测仪器，实际上十全十美的仪器是很难实现的，还得根据实际需要和技术设计可能性、制造工艺性的保证程度，以及质量控制手段来共同创造。第二节常用传感器的类型和工作原理一、差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器是美国人卡尔逊研制成功的。因此，又习惯被称为卡尔逊式仪器。这种仪器利用张紧在仪器内部的弹性钢丝作为传感元件将仪器受到的物理量转变为模拟量，所以国外也称这种传感器为弹性钢丝式（ElasticWire）仪器。由物理学知道，当钢丝受到拉力作用而产生弹性变形，其变形与电阻变化之间有如下关系式：LLRR//（2-2-1）式中R——钢丝电阻变化量；R——钢丝电阻；——钢丝电阻应变灵敏系数：L——钢丝变形增量；L——钢丝长度。由图2-2-1可见仪器的钢丝长度的变化和钢丝的电阻变化是线性关系，测定电阻变化利用式2-2-1可求得仪器承受的变形。钢丝还有一个特性，当钢丝感受不太大的温度改变时，钢丝电阻随其温度变化之间有如下近似的线性关系：图2-2-1钢丝变形1—钢丝；2—钢丝固定点)1(0aTRRT（2-2-2）式中RT——温度为T℃的钢丝电阻；R0——温度为O℃的钢丝电阻；a——电阻温度系数，一定范围内为常数；T——钢丝温度。只要测定了仪器内部钢丝的电阻值，用式2-2-2就可以计算出仪器所在环境的温度。差动电阻式传感器基于上述两个原理，利用弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特性设计而成，把经过预拉长度相等的两根钢丝用特定方式固定在两根方形断面的铁杆上，钢丝电阻分别为R1和R2，因为钢丝设计长度相等，R1和R2近似相等，如图2-2-2所示。图2-2-2差动电阻式仪器原理当仪器受到外界的拉压而变形时，两根钢丝的电阻产生差动的变化，一根钢丝受拉，其电阻增加，另一根钢丝受压，其电阻减少，两根钢丝的串联电阻不变而电阻比R1/R2发生变化，测量两根钢丝电阻的比值，就可以求得仪器的变形或应力。当温度改变时，引起两根钢丝的电阻变化是同方向的，温度升高时，两根钢丝的电阻则都减少。测定两根钢丝的串联电阻，就可求得仪器测点位置的温度。差动电阻式传感器的读数装置是电阻比电桥（惠斯通型），电桥内有一可以调节的可变电阻R，还有两个串联在一起的50Ω固定电阻M/2，其测量原理见图2-2-3，将仪器接人电桥，仪器钢丝电阻R1和R2就和电桥中可变电阻R，以及固定电阻M构成电桥电路。图2-2-3电桥测量原理图2-2-3()是测量仪器电阻比的线路，调节R使电桥平衡，则：R/M=R1/R2（2-2-3）因为M＝100Ω，故由电桥测出之R值是R1和R2之比的100倍，R/100即为电阻比。电桥上电阻比最小读数为0.01％。图2-2-3(b)是测量串联电阻时，利用上述电桥接成的另一电路，调节R达到平衡时，则：（M/2)/R=（M/2)/(R1+R2)(2-2-4)简化式（2-2-4）得:R=(R1+R2)(2-2-5)这时从可变电阻R读出的电阻值就是仪器的钢丝总电阻，从而求得仪器所在测点的温度。综上所述，差动电阻式仪器以一组差动的电阻R1和R2，与电阻比电桥形成桥路从而测出电阻比和电阻值两个参数，来计算出仪器所承受的应力和测点的温度。二、钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦（一般称为钢弦，振弦或简称“弦”）。常用高弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成，它与传感器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量。钢弦式传感器所测定的参数主要是钢弦的自振频率，常用专用的钢弦频率计测定，也可用周期测定仪测周期，二者互为倒数。在专用频率计中加一个平方电路或程序也可直接显示频率平方。钢弦式仪器是根据钢弦张紧力与谐振频率成单值函数关系设计而成的。由于钢弦的自振频率取决于它的长度、钢弦材料的密度和钢弦所受的内应力。其关系式为：/)2/1(Lf（2-2-6）式中ƒ——钢弦自振频率；L——钢弦有效长度；——钢弦的应力；——钢弦材料密度。由式（2-2-6）可以看出，当传感器制造成功之后所用的钢弦材料和钢弦的直径有效长度均为不变量。钢弦的自振频率仅与钢弦所受的张力有关。因此，张力可用频率ƒ的关系式来表示：AffKFx)(202（2-2-7）从式（2-2-6）中可以看出，钢弦式传感器的张力与频率的关系为一次函数〔图2-2-4（α）〕，频率平方与张力为一次函数〔图2-2-4（b）〕通过最小二乘法变换后的式（2-2-7)为线性方程。仪器的结构不同，张力“F”可以变换为位移、压力、压强、应力、应变等各种物理量。从式（2-2-7）中可以看出钢弦的张力与自振频率的平方差呈直线关系。但不同的传感器中钢弦的长度、材料的线性度很难加工得完全一样。因此，修正常数（Y轴的截距）相对于每只传感器也都不尽相同，为以后资料整理时的起始值造成不一致，通常根据资料的要求人为设“A”值等于“0”，使一个工程中的多只传感器起点一致，以方便计算中的数据处理。图2-2-4钢弦传感器输出特征ƒ—钢弦自振频率；σ—钢弦应力钢弦式传感器的激振一般由一个电磁线圈（通常称磁芯）来完成。工作过程可用图2-2-5来说明。经过把各类物理量转换为拉（或压）力作用在钢弦上，改变钢弦所受的张力，在磁芯的激发下，使钢弦的自振频率随张力变化而变化。通过频率的变化可以换算出被测物理量的变化值。由于钢弦被置于电测原件“磁芯”的磁场中，当钢弦振动时就在接收线圈中产生感应电动势V。测出它的频率就确定了被测钢弦的自振频率，代人式（2-2-7）中即可换算成相应的物理量。钢弦传感器的激振方式不同，所需电缆的芯数也不同。图2-2-5中的三种激振方式代表了钢弦式传感器的发展过程。图2-2-5三种钢弦式传感器原理（a）单线圈间歇激振型输出波形；（b）三线制双线圈连续激振型输出波形；（c）二线制双线圈连续激振型输出波形图2-2-5（a）是单线圈间歇激振型传感器，它激振和接收共用一组线圈，结构简单，但由于线圈内阻不可能很大，一般是几十欧姆到几百欧姆。因此，传输距离受到一定限制，抗干扰能力比较差，传输电缆要求截面较大的屏蔽电缆为好。激振方式为单脉冲输人，如图2-2-5(a2)。当激发脉冲输到磁芯线圈上，磁芯产生一个脉动磁场拨动钢弦，所以国外也有叫“拨弦式”，钢弦被拨动后产生一个衰减振荡，切割磁芯的磁力线在磁芯的输出端也产生如图2-2-5（a3）的衰减正弦波。接收仪表测出此波的频率即为钢弦此刻的自振频率。图2-2-5（b）是一组三线制双线圈钢弦式传感器示意图。它有两个线圈组成〔如图2-2-5（b1）〕一个线圈为激振线圈，一个为接收线圈。激振线圈由二次仪表送来一个l000HZ左右的激发脉冲，一般为正弦波或锯齿波。当钢弦激振后由接收线圈传送到二次仪表中，经放大反馈一部分到激发线圈上，使激发频率与接收频率相等，让钢弦处于谐振状态，一部分送到整形、计数、显示电路测出频率。图2-2-5（b2）、（b3）为激发和输出的波形。这种结构比单线圈的性能有了很大的改善，但同样存在线圈内阻小，对电缆要求较高的不足。常用三芯或双芯屏蔽电缆，屏蔽层或其中一芯为公用线，一芯激发线，一芯接收线。图2-2-5（c）为一组二线制双线圈的钢弦传感器示意图。这种结构比较新颖，磁芯中有一组反溃放大电路，对二次仪表来说，由二芯传输线直流输人，经内部电路激发，正弦波输出。此方式采用了现代电子技术，把磁芯内阻做到3500Ω左右，内阻提高，传输损耗小，传输距离较远，抗干扰增强。因此，对电缆要求较低。一般用二芯不屏蔽电缆即可。若一组有几个传感器的，每增加一只传感器只需增加一芯电缆。例一组四点位移计只需一根5芯不屏蔽电缆，但设计要求在雷电地区须屏蔽的例外。钢弦式传感器利用电磁线圈铜导线的电阻值随温度变化的特性可以进行温度测量，也在传感器内设置可兼测温度的元件，同样可以达到目的。钢弦式传感器的优点是钢弦频率信号的传输不受导线电阻的影响，测量距离比较远，仪器灵敏度高，稳定性好，自动检测容易实现。三、电感式传感器的基本原理电感式传感器是一种变磁阻式传感器，利用线圈的电感的变化来实现非电量电测。它可以把输人的各种机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数转换成电量输出，可以实现信息的远距离传输、记录、显示和控制。电感式传感器种类很多，常用的有Ⅱ形、E形和螺管形三种。虽然结构形式多种多样，但基本包括线圈、铁芯和活动衔铁3个部分，见图2-2-6。图2-2-6是最简单的电感式传感器原理图。铁芯和活动衔铁均由导磁材料如硅钢片或铍镆合金制成，可以是整体的或者是迭片的，衔铁和铁芯之间有空气隙δ。当衔铁移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化，这种电感的变化与衔铁位置即气隙大小图2-2-6电感式传感器原理图相对应。因此，只要能测出这种电感量的变化，就能判定衔铁位移量的大小。根据电感的定义，设电感传感器的线圈匝数为W，则线圈的电感量L为：IWL/（2-2-8）式中——磁通，Wb；I——线圈中的电流，A。磁通可由下式计算：)/(/RRIwRIWFM（2-2-9）式中RF为铁芯磁阻，由下式计算：)/()/(222111SlSlRF（2-2-10）R为空气隙磁阻，由下式计算：SR0/2（2-2-11）式中1l——磁通通过铁芯的长度，m；1S——铁芯横截面积，m2；1——铁芯在磁感应值为B1时的导磁率，H/m；2l——磁通通过衔铁的长度，m；2S——衔铁横截面积，m2；2——衔铁在磁感应值为B2时的导磁率，H/m；——气隙长度，m；S——气隙截面积，m2；0——空气导磁率，为4π×10-7H/m。1、2可按下式计算：H/m104)/(-7HB（2-2-12）式中B——磁感应强度，（特斯拉）；H——磁场强度，A/m。由于电感传感器用的导磁材料一般都工作在非饱和状态下，其导磁率要大于空气的导磁率0数千倍甚至数万倍，因此，铁芯磁阻RF，和空气隙磁阻R相比是非常小的，常常可以忽略不计。这样把式（2-2-9）和式（