分布式采集系统在某工程中的应用

刘 杰，王珍萍，齐冀龙

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，北京100038；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春130061；3.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春130061）

1 监测自动化系统的分类

大坝安全监测自动化采集系统可分为集中式、分布式、混合式三种[1]。

集中式采集系统是将传感器通过电缆统一接入到监测站，该方法适用于仪器埋设集中，测点数量较少，所有仪器与测站距离不远的采集系统。

分布式采集系统是将距离较近的仪器，统一接入到测站，测站将采集的数据发送到上位机，测站与测站间独立工作，通过通讯总线各测站与上位机通讯，分布式采集系统可以根据仪器的埋设位置灵活布置，适用于测点数量多而且测点分散的大型工程。

混合式采集系统介于集中式与分布式之间，利用仪器附近的遥测转换箱将仪器汇聚到总线送到监测站进行测量。

随着电子技术与通讯技术的发展，电子设备的性价比逐步提高，由于分布式系统具备的布置灵活、性能稳定等优势而在大坝监测领域获得了最为广泛的应用。我们在实际应用中也采用了分布式采集系统。

2 分布式采集系统的构成

分布式采集系统由各数据采集单元DAU（Data Acquisition Unit），通讯系统，监测服务器等几个主要部分组成。各需要采集的传感器统一就近接到各监测站内的DAU 中，DAU 通过光纤或无线网络将采集的数据发送到监测服务器。

2.1 DAU 功能模块介绍

数据采集单元，即DAU 设备是分布式系统的核心设备之一。中水东北勘测设计研究有限责任公司（以下简称中水东北公司），开发的DB4000 型DAU 设备实现了组成单元的模块化，由主控单元，采集单元，通道切换单元组成，还包括电源，通讯，防雷等附属设备，由于各组成单元独立性强，功能专一，大大方便了系统的安装，调试和维护。

DAU 各组成单元之间通过485 通讯，485 通讯具有传输信号简便、可靠的优点，保证了整个DAU 设备各单元间协调准确的工作。

DAU 的主控单元负责与监测服务器主机通讯，同时还控制采集单元和通道切换单元完成采集工作。主控单元与监测服务器间通讯属被动应答，即上位机需要完成什么任务就会通知该DAU，该DAU 作出相应回答，否则该DAU 不会主动联系上位主机。此外主控单元还可以通过现场人员操作对各通道参数进行设置、进行数据采集并显示采集结果，主控单元还可以存储一定量的数据，并可以设置为定时采集，即使通讯网络出现故障，也可以将采集的数据保存起来，派人员拷贝出来或通讯修好后远程传输到监测服务器。

采集单元采用了集成化的设计理念，即一块采集模块集成了大多数传感器的采集功能，实际上有些厂家DAU 的设计是采用模块化的，即一种采集模块只能采集一种或两种传感器，而且对应的通道模块只能整块的设置为某种传感器的采集方式。一般随着电子技术的发展采集模块的控制芯片功能比较丰富，在适当提高成本的情况下，尽可能发挥控制芯片的各种功能，从而能够对多种常用传感器进行采集。增加的成本是有限的，但是却增加了采集单元的通用性，维护也更加方便，备品的种类更少。而且该型号DAU 的通道模块的各通道可接任意该DAU 能够检测的传感器，可以有效灵活地利用通道的模块。

通道切换单元的功能是按照主控单元的命令切换到相应的通道单元使设备完成对接入该通道的传感器的正常采集。通道切换单元还可以工作在人工模式下，这时通道切换单元断开与主控单元的联系，并接入独立测量模块，如测量频率温度的人工采集设备等。由现场工作人员通过按通道切换键实现通道的切换和测量。

在大坝安全监测领域，当前主要以振弦式仪器使用的范围最为广泛，下面以振弦式仪器为例，简要介绍DAU 传感器采集单元的原理及采集方案。

2.2 振弦式仪器采集原理

在内埋式仪器中振弦式仪器占有非常大的比例，结合现场调试的情况对振弦式仪器及振弦式仪器的采集作一简要介绍，并针对遇到的一些问题及其解决过程作出说明。

振弦式仪器发明于20 世纪30年代，后来经过不断改进逐渐完善以其坚固耐用，便于远距离传输等优点在工程中获得了广泛的应用[1]。其基本结构如图1所示，中间是一根张紧的钢弦，弦的共振频率与钢弦所受的张力存在对应关系，通过在激励线圈中加一定频率的电流，从而产生交变的磁场，磁场作用于钢弦及其上的铁片，使其产生振动，如果激励的磁场频率接近于振弦的固有频率，振弦就会产生共振，振动幅度变大，并能持续较长的振动时间，慢慢衰减。即使激励信号不存在了，振弦也会在较长时间内维持一定的振动幅度，这时振弦切割磁力线，在线圈中产生感应电动势，感应电动势的频率与振弦振动的频率一致，通过检测感应电动势的频率，就可以得到振弦的共振频率，也就得到了振弦仪器所受的张力，由于采集的信号是频率信号，可以得到很高的精度，并且抗干扰能力强，受电缆的电阻影响小，可以传输很远的距离，所以振弦式仪器适用于各种复杂恶劣的条件。将测得的张力变化结合仪器的结构，可以转化为对应的应变、应力，甚至温度等。

振弦式传感器的共振频率，可由以下公式确定：[2]

其中：S 为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度（ρv=ρ/S），△l 为振弦受张力后的长度增量，E 为振弦的弹性模量。当振弦式传感器确定以后，工作段(即两固紧螺钉之间)的长度l，弦的截面积S，体密度ρv及弹性模量E 随之确定。由于待测物理量的作用使得弦长有所变化，由于弦长的增量△l 与振弦的最长驻波波长的固有频率存在确定的对应关系，因此只要能测得弦的振动频率就可以测得待测物理量。[2]

由上面的分析可以看到，通过输入一定频率的电流，使振弦能够顺利达到共振状态是能否进行测量的前提和关键，目前激励过程可简单分为拨振和扫频激励。

2.3 激振方式的分类

2.3.1 拨 振

拨振类似于弹琴时拨动一下琴弦，通过一个脉冲使钢弦振动起来，然后测量钢弦的振动频率得到钢弦的固有频率，这种方式的效果不是很理想，不同的仪器钢弦受力不同，起振的条件也各异，对有些情况得不到理想的采集信号，测得的频率值偏差也较大。

2.3.2 扫频激励

目前扫频激振的效果比较好，也是应用比较广泛的激励方式，其过程为用一个在时间上频率逐渐变化的激励信号去激励振弦，对于与振弦固有频率相差较大的激励频率成分，其影响短时间就会消失，而与振弦固有频率接近的激励信号的影响会持续一段较长时间，这样扫频结束后，通过测量振弦的振动频率就可以得到振弦的固有频率了。

图1 振弦式仪器的结构图

3 实际应用和调试

3.1 现场应用的效果

对DAU 设备采集的数据与人工采集的数据进行了认真的对比，确保了采集数据的准确可靠，经过一年时间的试运行，验证了DAU 设备的可靠性和稳定性。

3.2 实际应用中遇到的问题

在实际应用中通过现场的调试发现了一些问题。对于埋入钢弦仪器，随着埋入时间的增长，而埋入的环境有时又较为恶劣，有些仪器便会出现起振困难的现象，按照正常的激励方式不能使传感器有效起振，这样就无法测量该仪器的状态。也就是随着时间的增加会发现慢慢有些仪器测不出来了，而每支埋设仪器在水利设施监测过程中都有其独特的作用，所以能够设法延长仪器的可测量时间，就可以最大限度的发挥埋设仪器的作用，通过现场的一些实践发现有些仪器通过适当的方式是可以测出值的，下面简要介绍下方法。

通常内埋式传感器的类型是已知的，在上位机及主控单元都可以针对这支仪器作出相应的设置，比如其扫频激励的频率范围，一般只要扫频激励的范围在该仪器的可能共振频率的一定范围内，该仪器就能可靠起振，并能得到理想的测量效果。对于起振困难的传感器并不知道其准确的共振频率，如果结合其仪器类型及扫频的数据，逐步缩小其激励范围就可能会得到比较好的效果。

对于起振困难的传感器可以采用如下方法，首先判断仪器是否损坏，一般振弦式仪器的电阻值是确定的，通过测量其电阻并与同类型的仪器的电阻值比较，可以大致判断仪器是否出现物理性损坏，如短路或断开等。如果仪器电阻值正常可以按正常激励范围激励如2 000～4 500 Hz，采集得到三个频率，判断三个频率值的离散程度，如果较分散，那么取三个频率值的平均值，并判断该值与仪器类型是否相符，如果不相符，去掉偏差最大的最不合理的，取另两个值的平均值，在平均值附近正负500 Hz 范围内扫频激励，再采集三个值，如果还是分散则依照上述方法，在平均值附近正负200 Hz 范围内扫频激励。如果三个值的误差在允许范围内，则采集结束，否则继续缩小激励范围。经过上述步骤，有些难以测到的仪器也测出了较准确的频率值，只是由于过程较多需要较长的时间，由于这样的仪器是少数，可以通过程序设置，将这种采集方案作为备选，当正常激励不能取得满意测值时，激励过程切换到该激励过程。

4 结 论

DB4000 型DAU 已成功应用在了几个水利工程中，通过长期的运行及与人工数据的测值的比对，验证了其可靠性及准确性。针对振弦式仪器的扫频激励的深入研究，可以有效延长部分内埋振弦式仪器的使用寿命，而大部分内埋仪器一经埋入就无法取出更换，即使更换往往成本也较高，从经济和工程实用角度，对振弦激励过程更深入的探索都有一定的意义。

［1］ 涂王月.基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统开发［D］.西安理工大学，2004年硕士学位论文.

［2］ 白泽生.基于振弦式传感器测频系统的设计［J］.现代电子技术，2007（13）.