集线式水库大坝安全监测系统设计*

宋子龙，魏永强，陈金干，王 祥

(湖南省水利水电科学研究所，长沙410007)

大坝安全监测是最近几十年中发展起来的一门新兴的技术学科，20世纪70年代以前称为大坝原型观测［1－2］，即在大坝原型中设置观测仪器进行现场测量，以期获得一些能反映大坝结构变化的特征量。20世纪20年代最早开始原型观测是采用大地观测法观测大坝的变形;30年代初美国利用卡尔逊式仪器开展了大坝的内部观测。然而由于观测设备本身精度不高、可靠性及稳定性差［3－4］，以及随着时间推移观测设施的不断陈旧及设备的自然老化等原因导致观测数据的传输滞后和失真，以至于随着20世纪30～70年代世界各国的筑坝高潮，大坝失事时有发生，造成的巨大灾害引起了国际社会的高度重视。因此各国纷纷开始研制高精度、高可靠性的智能采集系统［5－7］:如美国基康、南京葛兰、南瑞科技、南自所等都相继研制出了自己的采集系统，而且各自的测量精度及稳定度都较以前有了很大的提高，数据传输的稳定度及系统的智能化也有了较大改进。

本文设计了一种集线式水库大坝安全监测系统。该系统的硬件部分以 LPC2368FBD和STC12C5410AD为核心，将渗压计、渗流计、水位计、温度计、雨量计等传感器连接至采集系统，通过应答、自报或应答与自报相结合的模式将监测数据传至大坝端服务器;接着通过公网或移动的APN专网将监测数据传送至省大坝中心数据库，此种传输方式即保证了监测数据的实时性［8－10］，又保证了数据传输的可靠性［11－12］;最后通过后台处理对水库大坝的运行性态做出评价并将评价结果及时发送给相应的水行政主管部门，以便他们针对可能出现的灾情做提前预防。软件部分通过定时或实时发送采集命令，控制系统进行数据采集。

1 水库大坝安全监测系统设计

1.1 硬件系统设计

本文设计的集线式水库大坝安全监测系统的硬件部分由激振电路、频率检测电路、温度检测电路、开关量电路及单片机组成。其系统框图如图1所示，以下将对各个重要组成电路的工作原理进行详细介绍。

图1 水库大坝安全监测系统硬件设计框图

1.1.1 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2为激振电路。

图2 激振电路

1.1.2 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3所示。

图3 频率检测电路

由图3可知，U1和U2组成两级有源低通滤波电路;C1，R3及 C3，R6，分别构成第 1、2 级有源滤波电路的阻－容网络;U3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 U3的输出fout的频率。

1.1.3 温度检测电路［13］

振弦式传感器中内置Pt100电阻式温度传感器，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转换将模拟信号转换成数字信号，最后由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)计算得渗压计所在部位处渗压(孔隙)水的实际温度值。其原理图如图4所示。

图4 温度检测电路

由图4可知R12、R13、R14及运放U4(U4和U5是低温漂、高阻抗的运算放大器)共同组成一个恒流源电路，由式(1)计算得出稳定的电流值I，其计算公式如下所示:

图4中，由于在A和B之间接有Pt100电阻式温度传感器，所以检测通过AD转换器的采样值，就可根据式(2)，计算出A和B之间的电压值u，其计算公式如下所示:

其中AD采样值就是将Vout模拟量经过A/D转换后转换成的数字量;212表示A/D转换器是12位的。

接着根据式(3)计算得出Pt100的实际电阻值r，其计算公式如下所示:

最后根据式(4)得渗压计所在部位处渗压(孔隙)水的实际温度t，计算公式如下:

其中t表示摄氏温度，lnr表示阻值的自然对数，其中系数 A=1.4051×10－3(在－50 ℃至+150 ℃范围内计算有效)，B=2.369×10－4，C=1.019×10－7。

1.1.4 开关量电路

本系统中的开关量电路主要用于测量库区水位和雨量，其原理分别如图5、图6所示。

图5 水位采集原理图

图6 雨量采集原理图

由图5可知，水位采集的工作原理是:经水位传感器编码为二进制信号的水位信息Win通过三态缓冲器U6后，将输出信号Wout送入CPU解码，CPU经软件译码和数据格式转换后，便可得实际水位值。

由图6可知，雨量采集的工作原理是:首先斯密特触发器U7、U8对雨量脉冲信号Rin进行整形和放大，形成一个窄脉冲Rout;接着将Rout送入CPU外部中断，CPU响应外部中断后累加该次雨量脉冲数并将当前采样值和累加值保存在CPU内部的E2PROM中，以此达到测量雨量的目的。

1.2 软件系统设计

1.2.1 软件系统设计的总体思想

本文设计的集线式水库大坝安全监测系统的软件部分由系统初始化、频率测量、渗压计所在部位处渗压(孔隙)水的温度测量、库区水位测量、库区降雨量测量、环境温度测量、数据传输及数据发布等几个主要部分组成。其组成框图如图7所示。

图7 系统组成框图

1.2.2 软件控制流程

按照以上电路设计原理及系统组成框图，系统软件编程控制的基本思路是:首先对系统进行初始化;接着激励电路激振传感器工作，检测电路对信号检测、放大、整型、处理，最后得到所需的测量信号;同时A/D转换器将模拟的电压信号转换成数字的电压信号，转换后和恒流源电路配合得出温度传感器的电阻值，继而得出渗压计所在部位处渗压(孔隙)水的实际温度;最后测量库区水位、雨量、环境温度，并将所有测量数据传送至省大坝中心服务器数据库进行处理及将处理结果实时的显示在水利信息发布平台上，其程序控制流程图如图8所示。

图8 程序控制流程图

2 实验与结果

将本文设计的集线式水库大坝安全监测系统应用于大坝安全监测实验室，在实验室用1 000 m长通信电缆模拟水库现场的通信距离，分别测量了渗压水位值、库区水位值和降雨量值，并将测量值与实际值做比较。在试验中由于温度是最大的影响因子，所以为验证本系统的稳定性、可靠性、数据传送的及时性及正确性，分别在环境温度为2℃、18℃、35℃进行了相应试验，且每次试验时间都持续5个月。试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～表3及图9～图11所示。

其中表1、表2、表3中理论误差的计算公式如下:

式(5)中，Sacc:传感器的精度;Cacc:采集仪精度;F:传感器满量程值。

由于本次试验所选渗压计的精度为±0.1%，渗压采集仪的精度为±1%;水位计的精度为±0.25%，水位采集仪的测量精度为±0.025%;雨量计的测量精度为±1.5%，雨量采集仪的测量精度为±1.5%，所以由式(5)得测量渗压水位的理论误差为0.02;测量库区水位的理论误差为0.005;测量雨量的理论误差为 0.03。

表1 2℃下的实验数据表

图9 2℃时的测量值与实际值比较图

图10 18℃时的测量值与实际值比较图

表3 35℃下的实验数据表

图11 35℃时的测量值与实际值比较图

由表1～表3和图9～图11得:

(1)渗压水位测量值与渗压水位实际值非常接近;渗压水位测量误差明显低于理论误差;测量值曲线和实际值曲线几乎重合;

(2)测量库区水位误差明显低于理论误差;测量库区雨量在18℃时的测量值与实际值非常接近，但在2℃和35℃时，测量库区雨量与实际值由于温度的影响有微弱的差别;

(3)降雨量测量值与降雨量实际值非常接近;测量降雨量误差明显低于理论误差;测量值曲线和实际值曲线几乎相同;

由以上实验结果可得:本文设计的集线式水库大坝安全监测系统的测量精度高、线性度好，且系统稳定、可靠，数据采集、传输正确、可靠。

3 结论

将本文设计的集线式水库大坝安全监测系统应用在仙岭水库、梅埠桥水库、大溪水库、东坑水库等25座水库大坝现场，结果表明:在测量精度、稳定性、实时性、可靠性等方面都满足要求，而且整个系统工作稳定、线性度好、能连续较好地工作，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。

［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):3－7.

［2］ 吴中如，顾冲时，赵炳祯，等.大坝原型观测资料的综合分析法［J］.河海大学学报(自然科学版)，1993，32(1):70－76.

［3］ 张建胜.水库大坝安全监测的实践与思考［J］.大坝与安全，2009，5:12－14.

［4］ Huang Tianzhu.Reliability of Dam Monitoring Instrurnent［C］//Intemational Symposium on Monitoring Technology of Dam Safety，1992，11:131－137.

［5］ LI Nenhui，LI Zechong.New Development of Monitoring System ＆ E-quipment for High CFRD in China［C］//ICOLD 68th Annual Meeting，China，2000，12.

［6］ 王平，童颙，贾化萍，等.大坝安全监测系统硬件集成研究及应用［J］.河海大学学报(自然科学版)，2007，35(1):26－29.

［7］ 何勇军.大坝安全监控的人工智能技术研究［D］.河海大学，2002:23－42.

［8］ 蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究［J］.传感技术学报，2007，20(1):187－190.

［9］ 李纪榕，李福进，吴艳微，等.基于无线传感网络的煤矿安全监测系统设计［J］.传感技术学报，2011，24(9):1337－1339.

［10］廖荣庆.大坝安全监测自动化系统的网络设计［J］.水利水电快报，2004，1:29－31.

［11］苏怀智，温志萍.试论大坝安全感知技术［J］.仪器仪表学报，2003，24(S2):41－43.

［12］毛良明，王为胜，沈省三.振弦式传感器及自动化网络测量系统在桥梁安全监测系统中的应用［J］.传感技术学报，2002，15(1):74－76.

［13］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):52－54.