基于智能识别技术的大坝安全监测传感器-论文

1基于智能识别技术的大坝监测传感器朱进烽，徐思琛，徐刚(南京葛南实业有限公司，南京210009)摘要：智能识别传感器的出现是大坝监测技术的一次革命，将对仪器的设计和制造提出新的要求，同时给仪器的使用方式带来了根本的改变。智能识别传感器内存有仪器的各项参数及编号，并可植入安装人员、安装时间、安装部位、安装环境，基准值等信息，采集时与读取系统自动交互，实现监测工作的无纸化，方便数据的快速查询统计计算。Abstract:Theappearanceofintelligentidentificationsensorsisarevolutionofdammonitoringtechnology,whichnotonlyraisesnewrequirementsforthedesignandmanufactureoftheinstruments,butalsobringsrevolutionarywaysintheusage.Withintheintelligentidentificationsensors,thesensornumbersandsortsofparametersarestored.Inaddition,theinformationsuchasinstallationpersons,installationtime,installationparts,installationenvironmentandthereferencevaluescanalsobeembeddedinthesensors.Atthetimeofdatacollection,thesensorscaninteractwiththereadingoutsystemautomaticallytorealizepaperlessmonitoringandmeasurement,andfacilitatethefastquerying,analyzing,andcalculatingofdata.0引言传感器技术、通信技术与计算机技术构成现代信息技术的三大基础，它们分别完成对被测量的信息感知、信息传输及信息处理，是当代科学发展的重要标志。随着科学技术的发展，数字化、智能化和网络化已成为时代发展的趋势：计算机技术和通信技术的结合产生了计算机网络技术；计算机技术和传感器技术的结合产生了智能传感器技术；将两者融合即计算机网络技术与智能传感器技术结合，便产生了智能网络传感器技术。随着加工工艺逐步成熟，新型敏感材料不断出现，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入，人们把微处理器和传感器相结合，开发了具备一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器——“智能传感器”[1]。智能传感器的出现是传感器技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远影响。智能传感技术在我们日常生活中已随处可见，如身份证、银行卡、超市购物、商品包装、水电费收取、火车票、汽车卡等都大量使用了身份识别技术。在高速公路收费站汽车过站收费采用人工操作方式是：过往车辆停车缴费，收费员需要判断过往车辆的2车型及收费标准，并读卡和收费找零工作。这导致过站时间长，交通高峰期堵塞现象严重，时常因不能识别车辆是否或如何收费而扯皮，同时收费系统存有现金管理漏洞[2]。随着智能识别技术应用在车辆计费系统中，可以在不停车的情况下在高速公路收费站快速通过自动计费。当装有无线智能识别模块的车辆接近收费站时，无线智能识别模块将本车辆的缴费账户、存款金额、车辆车型、车牌号码、进路站点等识别信息发送给收费站智能收费系统，收费站的摄像机先对车辆的车牌号进行视频信息采集识别，并与系统数据库对比，两者一致进入收费程序。记录车辆进站名、进站时间、出站名、出站时间等信息，并准确收取相应费用，同时将收费情况通过无线智能识别系统返回给车辆。当收费站与车辆的识别系统不一致时，将进入报警程序，下闸、向下个收费站发出预警等方式。智能识别技术应用在车辆计费系统中有效解决了高速公路收费堵车问题，实现了无人值守不停车自动缴费的工作。1大坝监测传感器现状大坝安全监测技术融入了电子、机械、光学、信息等多行业，是个多学科融合的专业。由于水电站大坝所处的重要性和应用环境的严酷及不可回收，所以对安全监测传感器的要求比其他行业更高，传感器必须是零部件少、可靠性高、前端少用电子元器件等。由于所限条件大坝监测传感器多数还停留在比较原始的状态：仅有将物理量测出电量的功能。在大量的工程实践中发现埋入坝中的传感器有3个致命的弱点：1）现有的传感器大多是通过4芯或5芯电缆来实现信号的传输，在工地现场区分传感器之间的对应关系是依靠电缆尾部的标签，在建坝施工过程中，施工断面的变化、大型机械作业、人为的损坏都大量造成电缆线的断裂。多条成束电缆断裂后将很难判别每根电缆线与之相连的是那一支传感器，传感器标签也很容易磨损或丢失，这样就导致传感器因参数不可知(身份不明)而成为废品。2）现在工地现场测量沿用的是传统笔写纸记的方式，而测量仪表中也有自带存储的功能，可存储数据都是按时间排序的，多支传感器的测量数据又非常近似，即便人工判别也非常困难，所以目前测量仪表的存贮和通讯功能只能是个摆设。3）大型水电站的建设施工期比较的长，仪器安装的数量多、品种多。仪器的生产厂家、安装人员、安装时间、安装部位、仪器类型、仪器名称、仪器编号、仪器系数以及仪器基准值等原始资料，可能会随着时间的推移、安装记录人员的流动很难追溯，对日后数据整理解析大坝运行状态带来不便。2具有智能识别功能的大坝监测传感器大坝监测传感器智能识别技术就是将传感器的仪器名称、仪器类型、出厂编号、3标定系数、温度修正系数等参数写进智能识别芯片，相当每个传感器都携带有电子身份证。具有智能识别采集系统的读数仪在测量时，首先读取智能识别芯片内的信息，当需要存贮测量数据时，测量数据是自动排列在传感器的编号及系数后。这样测量数据不管存贮在读数仪中或传输给计算机永远不会混乱，测量时也不需要再另记录电缆上的传感器编号，只要将测量数据存入读数仪就一定与本支传感器是对应的。如遇多支传感器电缆被剪断，只要将每支传感器测量一遍，就自动识别出了每支传感器所对应编号。3智能识别大坝监测传感器设计智能识别传感器有4部分组成：传感器本体及密封系统部件、物理量转换为电量的敏感元件、智能识别电路、信号传输部件。传感器本体及密封系统部件、物理量转换为电量的敏感元件及信号传输部件在长期的使用生产过程中已经非常成熟，智能识别传感器就是在原有传感器中加装智能识别电路。经调研发现已有的智能识别传感器在信号读取中需要2芯电缆，加上原有的物理量转换为电量的信号电缆需要6或7芯电缆线才能满足其信号的读取，识别电路复杂线路板大无法植入现有传感器狭小的空间，信号传输距离近等问题，研制的智能识别传感器要用在大坝监测工程上必须解决以上问题。3.1线缆芯数不变智能识别传感器要使原有的测量线缆芯数不变，许多工程在土建施工中都大量预埋了电缆，这样设计可以减少工程电缆成本，同时改造工程不需要另换电缆。我公司研制的智能识别芯片是专为植入小巧传感器而设计的，因并接在了传感器温度电阻上，所以读取时与温度测量共用两芯线，解决了智能识别芯片读取需要多加电缆芯数的问题。3.2识别电路可靠大坝监测传感器设计必须遵循组成部件在满足其使用性能的条件下元器件和机械部件越少越可靠的原则，葛南公司研制的传感器智能识别电路大小约为0.4平方厘米，电路大量减化了外部元件的数量，提高了识别电路的可靠性。智能识别电路图1。图1智能识别读写示意图43.3数据存储时间长智能识别电路采用进口芯片绑定，读写次数≥100000次，可植入仪器名称、仪器类型、出厂编号、标定系数、温度修正系数等参数，植入数据可保存时间≥10年，可在恶劣的环境中使用，数据读取稳定不丢失，满足大坝长期监测的使用要求。3.4连续识别智能识别芯片唤醒时间≤3ms，写读间隔≤8ms，可进行单次识别、连续识别，解决了自动或手动集线箱读取时快速切换的问题。3.5读取电缆距离长特设的寄存器对前端仪器参数进行控制，使得每一次应用的总读取距离最大化。由于有专设的读取程序(下行链路，从读取器到智能识别芯片)，读取距离达到800米以上，基本满足大型水电工程传感器长电缆传输的要求。3.5可重复擦除和写入用户可以用专用的编程器将自己重新检验的传感器标定系数、温度修正系数以及设计编号等写入智能识别芯片，有效解决了一次写入无法修改的问题，方便用户随时更新仪器参数，提高了智能识别功能的可使用的交互性。4智能识别采集系统设计智能识别采集系统就是在原有采集系统中增加读取识别芯片中的传感器各项参数及编号的功能，将读取到的传感器参数及识别出的传感器类型进行公式对应，并根据该传感器的各项参数、对应的计算公式、传感器输出的电量直接可以计算出实际物理工程值。4.1读取识别芯片智能识别采集系统在单支仪器逐个测量时，首先读取智能传感器识别芯片内传感器的各项参数及编号。智能识别采集系统显示如图2内容为：A为存贮单元、0048为序号、SA5121为传感器类型及编号、2008/10/1810:28为日期和时间、K=0.4897με/F为传感器的标定系数、b=13.5με/℃为传感器的温度修正系数、为读数仪的在线电压、200-4840F为扫频激励范围、4500.5F为被测传感器的频率摸数值、R=3k为被测传感器温度计的类型、25.5℃为被测传感器的温度值。图2智能识别采集系统在连接自动或手动集线箱快速切换时可以设置连续快速识别，其写读间隔≤8ms反应速度完全可以满足要求。54.2快速查询智能识别采集系统在存贮测量数据时数据是自动排列在传感器的编号及系数后，其与计算机通信后数据排列为：存贮单元及序号、仪器名称、仪器编号、标定系数、系数单位、温度修正系数、存贮日期及时间、频率模数值、频率值、温度值(如图3)，这样排列测量数据不管存贮在智能识别采集系统中或传输给计算机永远不会混乱，在大坝监测海量的数据中分析时可以任意按仪器名称、仪器编号···进行排序并查询，节约了查询的时间，解决了因数据量过大无法快速排序查询的难题。注：为具有温度自动补偿的传感器。图34.3统计计算智能识别采集系统先读取识别芯片中的传感器参数及编号，即可根据识别到的传感器类型调用与其对应的计算公式，根据传感器参数、计算公式、传感器测出的电量值接计算出实际物理工程值。例如葛南公司生产的智能测斜仪，其每支传感器都有独立的标定系数，在标定过程中计算机与智能识别芯片组成系统自动将仪器名称、仪器编号、标定后计算得到的系数等参数写入智能识别芯片存储器中，完成传感器参数的录入工作。出厂时把智能识别芯片中的传感器参数发给计算机，即可完成传感器的出厂检验与存档。智能测斜仪在使用中，将具有智能识别采集系统的读数仪开机，读数仪先进行自检，自检通过后读取智能识别芯片中的测斜仪参数，进入测斜仪设定菜单，菜单界面如6下(图4)：图4GN6158为具有智能识别采集系统的读数仪读到的该测斜仪的出厂编号；设定日期时间为当前的测量时间；设定孔号为待测孔的编号从01～99备选，设定孔深为待测孔的深度从0.5～99.5备选；测量标距为待测测斜仪每个测点的测量标距(L)从0.5～9.5备选；测量方向为测斜管有四个方向导槽，定义为+A、-A、+B、-B，保存设定进入测量状态。进入测量状态的同时智能读数仪调用与之相对应的计算公式，根据智能识别芯片里的仪器参数与传感器测出的电量直接计算出实际物理工程值。显示屏显示的测量菜单如图5：GN6158为智能测斜仪的编号；99.5m为当前在测点高程的孔深米数；+A为当前在测导槽的正方向；+145.05mm为当前在测测斜仪+A方向测值经计算后的位移量，单位为mm；-A为当前在测导槽的负方向；-148.05mm为当前在测测斜仪-A方向测值经计算后的位移量，单位为mm；-/2=+146.55mm为测斜仪测量值差的一半，有效位移值；+/2=-1.5mm为测斜仪测量值和的一半，理论铅垂线值。由下至上进行测量，每按一次线控开关(或存贮键)当前测量数据存贮一次，同时孔深递减一个