傳感器在大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、傳感器在大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用傳感器在大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用一、引言一、引言大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化經(jīng)歷了從單臺(tái)儀器遙測(cè)、專用測(cè)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(cè)系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步密切相關(guān)，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展是以所有監(jiān)測(cè)元件的迅猛發(fā)展為標(biāo)志的，包括從相關(guān)的傳感器、測(cè)量儀器到轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ)、打印和分析設(shè)備的發(fā)展。眾所周知，大壩安全監(jiān)測(cè)儀器是人們了解大壩運(yùn)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(cè)

2、出大壩微小的物理量變化，所以在某些方面（如在測(cè)量精度、長期穩(wěn)定性方面）與其它工業(yè)監(jiān)測(cè)行業(yè)相比，其要求更高、難度更大。從外部觀測(cè)的靜力水準(zhǔn)、正倒錘、激光準(zhǔn)直到內(nèi)部觀測(cè)的滲壓計(jì)、沉降計(jì)、測(cè)斜儀、土體應(yīng)變計(jì)、土壓計(jì)，其自動(dòng)化遙測(cè)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(cè)正向一體化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。二、變形監(jiān)測(cè)二、變形監(jiān)測(cè)變形觀測(cè)主要是監(jiān)測(cè)大壩本身及局部位置隨時(shí)間的變化，即確

3、定測(cè)點(diǎn)在某一時(shí)刻的空間位置或特定方向的位移，可分為水平位移監(jiān)測(cè)和垂直位移監(jiān)測(cè)。目前，水平位移監(jiān)測(cè)自動(dòng)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(cè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)水平位移監(jiān)測(cè)和垂直位移監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的例子。目前，在國內(nèi)工程中使用的新型步進(jìn)式變形監(jiān)測(cè)儀器STC50型坐標(biāo)儀、SWT50型引張線儀反映效果良好。1、測(cè)垂線坐標(biāo)儀、測(cè)垂線坐標(biāo)儀隨著傳感技術(shù)進(jìn)步，遙測(cè)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(dòng)電容感應(yīng)原理的電容感應(yīng)式遙測(cè)儀，當(dāng)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于線體垂直方向發(fā)生位置變化時(shí)，則差動(dòng)電容比值隨之發(fā)生變化，通過測(cè)量電容比，測(cè)出垂直方向的位移。電容感應(yīng)式坐標(biāo)儀技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)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(gè)：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(dòng)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(cè)技術(shù)、引張線遙測(cè)技術(shù)在直線型壩中用引張線法測(cè)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(cè)量的方向。因其設(shè)備簡單、測(cè)量方便、測(cè)量速度快、精度高、成本低而在我國大壩安全監(jiān)測(cè)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(cè)讀標(biāo)尺上的水平位移，隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已有步進(jìn)

6、電機(jī)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(dòng)化研究院一家在現(xiàn)場(chǎng)安裝的遙測(cè)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(shí)現(xiàn)水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)，要定期檢查線體及補(bǔ)充浮液，從而使“自動(dòng)化”受到一定程度的限制。3、遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀、遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀基礎(chǔ)沉降、傾斜監(jiān)測(cè)是壩體的重

7、要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。所以要求測(cè)量儀器量程小、精度高、長期測(cè)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(jìn)、性能價(jià)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(cè)量各測(cè)點(diǎn)的垂直位移的儀器。當(dāng)儀器位置發(fā)生垂直位移時(shí)，通過采用屏蔽管接地改變電容的感應(yīng)長度，以達(dá)測(cè)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(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)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(jìn)行滲漏量監(jiān)測(cè)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(cè)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(yùn)用步伐逐步加快。國家電力公司電力自動(dòng)化研究院生產(chǎn)的NYZ型壓阻傳感器已在多個(gè)工程中運(yùn)用。3、滲流量儀、滲流量儀水位監(jiān)測(cè)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(jì)同樣能滿足工程需要。監(jiān)測(cè)滲流的儀器有管口滲流量計(jì)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(jìn)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(jìn)馬達(dá)跟蹤式量水堰儀。電容感應(yīng)式量水堰滲流量儀測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。當(dāng)然，滲流量測(cè)量還可采用其它多種方案，如用高精度微壓計(jì)進(jìn)行量水堰水位監(jiān)測(cè)，或采用超聲波流量計(jì)等。一些不適宜用量水堰測(cè)量的滲流量可以采用翻斗

10、式的遙測(cè)滲流量計(jì)，對(duì)于集水井的平均滲流量可采用集水井專用測(cè)控裝置及配套的水位傳感器測(cè)量，它能按設(shè)定水位自動(dòng)控制水泵抽水并給出大壩的總滲流量。4、計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)計(jì)算機(jī)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(qiáng)）的一維投影數(shù)據(jù)，運(yùn)用某種數(shù)學(xué)方法，通過計(jì)算機(jī)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(shí)對(duì)大壩內(nèi)部性態(tài)檢測(cè)、缺陷搜索和老化評(píng)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(jìn)行了大壩安全檢查及工程處理效果驗(yàn)證。四、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)四、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)通過埋設(shè)在大壩內(nèi)部特定部位的儀器，如應(yīng)變計(jì)、測(cè)縫計(jì)、裂縫儀、滲壓計(jì)、揚(yáng)壓力計(jì)、溫度計(jì)等，對(duì)大壩的應(yīng)力應(yīng)變、裂縫、滲流滲壓及溫度等進(jìn)行持續(xù)自動(dòng)化觀測(cè)來計(jì)

12、算拱壩的徑向應(yīng)力、拱向應(yīng)力和梁向應(yīng)力，這對(duì)于大壩的安全評(píng)判十分重要。目前差動(dòng)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(cè)中。1、差動(dòng)、差動(dòng)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(shí)現(xiàn)的該類儀器因其防潮、長期測(cè)量穩(wěn)定可靠、測(cè)試方法簡單、絕緣要求低、防雷能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)、可兼測(cè)溫度而在國內(nèi)得到了較廣泛的運(yùn)用。針對(duì)該類儀器內(nèi)阻低、儀器電阻變差會(huì)影響測(cè)值等難題，國內(nèi)工程技術(shù)人員創(chuàng)造了5芯儀器測(cè)量原理，

13、使得儀器測(cè)量與電阻變差及電纜芯線電阻大小無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了差阻式儀器的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。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(duì)諸如應(yīng)變、應(yīng)力、位移、裂縫、孔隙壓力、溫度等狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)或潮濕地帶的電子儀器。國外利用