传感器在大坝安全监测中的应用

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1、传感器在大坝安全监测中的应用一、引言大坝监测自动化经历了从单台仪器遥测、专用测量装置、集中式数据采集系统到分布式数据采集系统的发展过程，其发展与基于仪器设备的监测系统的发展和进步密切相关，而监测系统的发展是以所有监测元件的迅猛发展为标志的，包括从相关的传感器、测量仪器到转换、处理、存储、打印和分析设备的发展。众所周知，大坝安全监测仪器是人们了解大坝运行状态的耳目，它要能够在恶劣环境下长期稳定可靠的检测出大坝微小的物理量变化，所以在某些方面（如在测量精度、长期稳定性方面）与其它工业监测行业相比，其要求更高、难度更大。从外

2、部观测的静力水准、正倒锤、激光准直到内部观测的渗压计、沉降计、测斜仪、土体应变计、土压计，其自动化遥测都是建立在高可靠性的传感器的基础上。近年来，随着大型水坝建筑的增多和高科技的应用，大坝安全监测正向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展。二、变形监测   变形观测主要是监测大坝本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某一时刻的空间位置或特定方向的位移，可分为水平位移监测和垂直位移监测。目前，水平位移监测自动化主要采用垂线法、引张线法及真空激光准直法；垂直位移监测自动化有真空激光准直法和静力水准法，近年还出现了采用G

3、PS或全站仪实现水平位移监测和垂直位移监测自动化的例子。目前，在国内工程中使用的新型步进式变形监测仪器STC-50型坐标仪、SWT50型引张线仪反映效果良好。1、测垂线坐标仪  随着传感技术进步，遥测垂线坐标发展到CCD式和感应式垂线坐标仪。如采用差动电容感应原理的电容感应式遥测仪，当测点相对于线体垂直方向发生位置变化时，则差动电容比值随之发生变化，通过测量电容比，测出垂直方向的位移。电容感应式坐标仪技术先进、结构简单、测量精度高、长期稳定性好、成本低、防水性能优越，适用于环境较恶劣的大坝。目前世界上具有研制并生产电容

4、感应式坐标仪能力的国家仅有三个：法国TELEMAC公司研制生产的变磁阻式坐标仪；意大利国家电力局与米兰大学研制、SELL公司生产的TCE/03型变磁阻式坐标仪；我国国家电力公司电力自动化研究所研究院研制生产的电容感应式垂线坐标仪和武汉地震所研制的电磁感应式垂线坐标仪。2、引张线遥测技术  在直线型坝中用引张线法测量坝体的水平位移，其原理与电容感应式垂线坐标仪相同，区别仅在于测量的方向。因其设备简单、测量方便、测量速度快、精度高、成本低而在我国大坝安全监测中起着很重要的作用。   早期安装在坝上的引张线仪，由人工来测读标

5、尺上的水平位移，随着自动化技术的发展，国内已有步进电机光电跟踪式引张线仪、电容感应式引张线仪、CCD式引张线仪及电磁感应式引张线仪。仅南京电力自动化研究院一家在现场安装的遥测引张线仪就达1500套。但由于引张线装置受环境影响较大，尤其是在线体较长和温度变幅较大的情况下，在北方（如丰满、太平哨等工程中）己被真空激光准直所代替；再者就是在采用引张线实现水平位移监测时，要定期检查线体及补充浮液，从而使“自动化”受到一定程度的限制。3、遥测静力水准仪  基础沉降、倾斜监测是坝体的重要监测项目。所以要求测量仪器量程小、精度高、长

6、期测量稳定可靠，国内外在该领域都投入了较大的力量，开发出了技术先进、性能价格比高的产品。（1）国内生产的电容感应式静力水准仪是与连通管配合用于测量各测点的垂直位移的仪器。当仪器位置发生垂直位移时，通过采用屏蔽管接地改变电容的感应长度，以达测量的目的。（2）武汉地震所研制生产的浮子式静力水准仪是利用差动变压器式位移传感器对垂直位移进行测量的，它在国内使用较多，是一种测量精度和稳定性较好的仪器。该仪器通过浮子上的铁芯在传感器的线圈中上下相对移动而测出垂直位移。（3）步进马达式静力水准仪的工作原理是通过步进马达驱动丝杆垂直的

7、上下运动，测出步进马达转动脉冲数以得知仪器垂直位移的大小。该型仪器由步进马达测针跟踪液面，精度较高；不足之处是存在长期高湿度环境下机械传动部件防潮的问题及探针探测液位精度及探针腐蚀的问题。（4）意大利SIS公司高精度水管式静力水准仪是通过涡流传感器非接触测量浮子的上下移动来实现垂直位移测量的。但由于测量范围小、价格高而未在国内运用。国外还有水管式静力水准仪，是一种利用超声传感器自动测量液位高度变化的仪器。（5）钢弦式静力水准仪的原理是当发生垂直位移时，圆柱形浮体上下移动，通过圆柱体的弦式测力传感器测出浮体上下移动引起的

8、浮力大小的变化而感知测点垂直位移的变化。该仪器测量范围大、测量精度较高、长期稳定性好。4、激光准直测量技术  真空激光准直系统，是将三点法激光准直和一套适于大坝变形观测特点的动态软连接真空管道结合起来的系统，又称波带板激光准直。它由发射端设备（用一个激光源）、接受端设备、测点设备、真空管道和真空泵等组成。由于各测点设备均布设在真空