劉 杰，王珍萍，齊冀龍

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京100038；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春130061；3.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長(zhǎng)春130061）

1 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的分類

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化采集系統(tǒng)可分為集中式、分布式、混合式三種[1]。

集中式采集系統(tǒng)是將傳感器通過電纜統(tǒng)一接入到監(jiān)測(cè)站，該方法適用于儀器埋設(shè)集中，測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少，所有儀器與測(cè)站距離不遠(yuǎn)的采集系統(tǒng)。

分布式采集系統(tǒng)是將距離較近的儀器，統(tǒng)一接入到測(cè)站，測(cè)站將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，測(cè)站與測(cè)站間獨(dú)立工作，通過通訊總線各測(cè)站與上位機(jī)通訊，分布式采集系統(tǒng)可以根據(jù)儀器的埋設(shè)位置靈活布置，適用于測(cè)點(diǎn)數(shù)量多而且測(cè)點(diǎn)分散的大型工程。

混合式采集系統(tǒng)介于集中式與分布式之間，利用儀器附近的遙測(cè)轉(zhuǎn)換箱將儀器匯聚到總線送到監(jiān)測(cè)站進(jìn)行測(cè)量。

隨著電子技術(shù)與通訊技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的性價(jià)比逐步提高，由于分布式系統(tǒng)具備的布置靈活、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)而在大壩監(jiān)測(cè)領(lǐng)域獲得了最為廣泛的應(yīng)用。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中也采用了分布式采集系統(tǒng)。

2 分布式采集系統(tǒng)的構(gòu)成

分布式采集系統(tǒng)由各數(shù)據(jù)采集單元DAU（Data Acquisition Unit），通訊系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)服務(wù)器等幾個(gè)主要部分組成。各需要采集的傳感器統(tǒng)一就近接到各監(jiān)測(cè)站內(nèi)的DAU 中，DAU 通過光纖或無線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)服務(wù)器。

2.1 DAU 功能模塊介紹

數(shù)據(jù)采集單元，即DAU 設(shè)備是分布式系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱中水東北公司），開發(fā)的DB4000 型DAU 設(shè)備實(shí)現(xiàn)了組成單元的模塊化，由主控單元，采集單元，通道切換單元組成，還包括電源，通訊，防雷等附屬設(shè)備，由于各組成單元獨(dú)立性強(qiáng)，功能專一，大大方便了系統(tǒng)的安裝，調(diào)試和維護(hù)。

DAU 各組成單元之間通過485 通訊，485 通訊具有傳輸信號(hào)簡(jiǎn)便、可靠的優(yōu)點(diǎn)，保證了整個(gè)DAU 設(shè)備各單元間協(xié)調(diào)準(zhǔn)確的工作。

DAU 的主控單元負(fù)責(zé)與監(jiān)測(cè)服務(wù)器主機(jī)通訊，同時(shí)還控制采集單元和通道切換單元完成采集工作。主控單元與監(jiān)測(cè)服務(wù)器間通訊屬被動(dòng)應(yīng)答，即上位機(jī)需要完成什么任務(wù)就會(huì)通知該DAU，該DAU 作出相應(yīng)回答，否則該DAU 不會(huì)主動(dòng)聯(lián)系上位主機(jī)。此外主控單元還可以通過現(xiàn)場(chǎng)人員操作對(duì)各通道參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并顯示采集結(jié)果，主控單元還可以存儲(chǔ)一定量的數(shù)據(jù)，并可以設(shè)置為定時(shí)采集，即使通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，也可以將采集的數(shù)據(jù)保存起來，派人員拷貝出來或通訊修好后遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)服務(wù)器。

采集單元采用了集成化的設(shè)計(jì)理念，即一塊采集模塊集成了大多數(shù)傳感器的采集功能，實(shí)際上有些廠家DAU 的設(shè)計(jì)是采用模塊化的，即一種采集模塊只能采集一種或兩種傳感器，而且對(duì)應(yīng)的通道模塊只能整塊的設(shè)置為某種傳感器的采集方式。一般隨著電子技術(shù)的發(fā)展采集模塊的控制芯片功能比較豐富，在適當(dāng)提高成本的情況下，盡可能發(fā)揮控制芯片的各種功能，從而能夠?qū)Χ喾N常用傳感器進(jìn)行采集。增加的成本是有限的，但是卻增加了采集單元的通用性，維護(hù)也更加方便，備品的種類更少。而且該型號(hào)DAU 的通道模塊的各通道可接任意該DAU 能夠檢測(cè)的傳感器，可以有效靈活地利用通道的模塊。

通道切換單元的功能是按照主控單元的命令切換到相應(yīng)的通道單元使設(shè)備完成對(duì)接入該通道的傳感器的正常采集。通道切換單元還可以工作在人工模式下，這時(shí)通道切換單元斷開與主控單元的聯(lián)系，并接入獨(dú)立測(cè)量模塊，如測(cè)量頻率溫度的人工采集設(shè)備等。由現(xiàn)場(chǎng)工作人員通過按通道切換鍵實(shí)現(xiàn)通道的切換和測(cè)量。

在大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，當(dāng)前主要以振弦式儀器使用的范圍最為廣泛，下面以振弦式儀器為例，簡(jiǎn)要介紹DAU 傳感器采集單元的原理及采集方案。

2.2 振弦式儀器采集原理

在內(nèi)埋式儀器中振弦式儀器占有非常大的比例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的情況對(duì)振弦式儀器及振弦式儀器的采集作一簡(jiǎn)要介紹，并針對(duì)遇到的一些問題及其解決過程作出說明。

振弦式儀器發(fā)明于20 世紀(jì)30年代，后來經(jīng)過不斷改進(jìn)逐漸完善以其堅(jiān)固耐用，便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)在工程中獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，中間是一根張緊的鋼弦，弦的共振頻率與鋼弦所受的張力存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過在激勵(lì)線圈中加一定頻率的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用于鋼弦及其上的鐵片，使其產(chǎn)生振動(dòng)，如果激勵(lì)的磁場(chǎng)頻率接近于振弦的固有頻率，振弦就會(huì)產(chǎn)生共振，振動(dòng)幅度變大，并能持續(xù)較長(zhǎng)的振動(dòng)時(shí)間，慢慢衰減。即使激勵(lì)信號(hào)不存在了，振弦也會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持一定的振動(dòng)幅度，這時(shí)振弦切割磁力線，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與振弦振動(dòng)的頻率一致，通過檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，就可以得到振弦的共振頻率，也就得到了振弦儀器所受的張力，由于采集的信號(hào)是頻率信號(hào)，可以得到很高的精度，并且抗干擾能力強(qiáng)，受電纜的電阻影響小，可以傳輸很遠(yuǎn)的距離，所以振弦式儀器適用于各種復(fù)雜惡劣的條件。將測(cè)得的張力變化結(jié)合儀器的結(jié)構(gòu)，可以轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的應(yīng)變、應(yīng)力，甚至溫度等。

振弦式傳感器的共振頻率，可由以下公式確定：[2]

其中：S 為振弦的橫截面積，ρv為弦的體密度（ρv=ρ/S），△l 為振弦受張力后的長(zhǎng)度增量，E 為振弦的彈性模量。當(dāng)振弦式傳感器確定以后，工作段(即兩固緊螺釘之間)的長(zhǎng)度l，弦的截面積S，體密度ρv及彈性模量E 隨之確定。由于待測(cè)物理量的作用使得弦長(zhǎng)有所變化，由于弦長(zhǎng)的增量△l 與振弦的最長(zhǎng)駐波波長(zhǎng)的固有頻率存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此只要能測(cè)得弦的振動(dòng)頻率就可以測(cè)得待測(cè)物理量。[2]

由上面的分析可以看到，通過輸入一定頻率的電流，使振弦能夠順利達(dá)到共振狀態(tài)是能否進(jìn)行測(cè)量的前提和關(guān)鍵，目前激勵(lì)過程可簡(jiǎn)單分為撥振和掃頻激勵(lì)。

2.3 激振方式的分類

2.3.1 撥 振

撥振類似于彈琴時(shí)撥動(dòng)一下琴弦，通過一個(gè)脈沖使鋼弦振動(dòng)起來，然后測(cè)量鋼弦的振動(dòng)頻率得到鋼弦的固有頻率，這種方式的效果不是很理想，不同的儀器鋼弦受力不同，起振的條件也各異，對(duì)有些情況得不到理想的采集信號(hào)，測(cè)得的頻率值偏差也較大。

2.3.2 掃頻激勵(lì)

目前掃頻激振的效果比較好，也是應(yīng)用比較廣泛的激勵(lì)方式，其過程為用一個(gè)在時(shí)間上頻率逐漸變化的激勵(lì)信號(hào)去激勵(lì)振弦，對(duì)于與振弦固有頻率相差較大的激勵(lì)頻率成分，其影響短時(shí)間就會(huì)消失，而與振弦固有頻率接近的激勵(lì)信號(hào)的影響會(huì)持續(xù)一段較長(zhǎng)時(shí)間，這樣掃頻結(jié)束后，通過測(cè)量振弦的振動(dòng)頻率就可以得到振弦的固有頻率了。

圖1 振弦式儀器的結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)際應(yīng)用和調(diào)試

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果

對(duì)DAU 設(shè)備采集的數(shù)據(jù)與人工采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了認(rèn)真的對(duì)比，確保了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，經(jīng)過一年時(shí)間的試運(yùn)行，驗(yàn)證了DAU 設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題

在實(shí)際應(yīng)用中通過現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試發(fā)現(xiàn)了一些問題。對(duì)于埋入鋼弦儀器，隨著埋入時(shí)間的增長(zhǎng)，而埋入的環(huán)境有時(shí)又較為惡劣，有些儀器便會(huì)出現(xiàn)起振困難的現(xiàn)象，按照正常的激勵(lì)方式不能使傳感器有效起振，這樣就無法測(cè)量該儀器的狀態(tài)。也就是隨著時(shí)間的增加會(huì)發(fā)現(xiàn)慢慢有些儀器測(cè)不出來了，而每支埋設(shè)儀器在水利設(shè)施監(jiān)測(cè)過程中都有其獨(dú)特的作用，所以能夠設(shè)法延長(zhǎng)儀器的可測(cè)量時(shí)間，就可以最大限度的發(fā)揮埋設(shè)儀器的作用，通過現(xiàn)場(chǎng)的一些實(shí)踐發(fā)現(xiàn)有些儀器通過適當(dāng)?shù)姆绞绞强梢詼y(cè)出值的，下面簡(jiǎn)要介紹下方法。

通常內(nèi)埋式傳感器的類型是已知的，在上位機(jī)及主控單元都可以針對(duì)這支儀器作出相應(yīng)的設(shè)置，比如其掃頻激勵(lì)的頻率范圍，一般只要掃頻激勵(lì)的范圍在該儀器的可能共振頻率的一定范圍內(nèi)，該儀器就能可靠起振，并能得到理想的測(cè)量效果。對(duì)于起振困難的傳感器并不知道其準(zhǔn)確的共振頻率，如果結(jié)合其儀器類型及掃頻的數(shù)據(jù)，逐步縮小其激勵(lì)范圍就可能會(huì)得到比較好的效果。

對(duì)于起振困難的傳感器可以采用如下方法，首先判斷儀器是否損壞，一般振弦式儀器的電阻值是確定的，通過測(cè)量其電阻并與同類型的儀器的電阻值比較，可以大致判斷儀器是否出現(xiàn)物理性損壞，如短路或斷開等。如果儀器電阻值正常可以按正常激勵(lì)范圍激勵(lì)如2 000～4 500 Hz，采集得到三個(gè)頻率，判斷三個(gè)頻率值的離散程度，如果較分散，那么取三個(gè)頻率值的平均值，并判斷該值與儀器類型是否相符，如果不相符，去掉偏差最大的最不合理的，取另兩個(gè)值的平均值，在平均值附近正負(fù)500 Hz 范圍內(nèi)掃頻激勵(lì)，再采集三個(gè)值，如果還是分散則依照上述方法，在平均值附近正負(fù)200 Hz 范圍內(nèi)掃頻激勵(lì)。如果三個(gè)值的誤差在允許范圍內(nèi)，則采集結(jié)束，否則繼續(xù)縮小激勵(lì)范圍。經(jīng)過上述步驟，有些難以測(cè)到的儀器也測(cè)出了較準(zhǔn)確的頻率值，只是由于過程較多需要較長(zhǎng)的時(shí)間，由于這樣的儀器是少數(shù)，可以通過程序設(shè)置，將這種采集方案作為備選，當(dāng)正常激勵(lì)不能取得滿意測(cè)值時(shí)，激勵(lì)過程切換到該激勵(lì)過程。

4 結(jié) 論

DB4000 型DAU 已成功應(yīng)用在了幾個(gè)水利工程中，通過長(zhǎng)期的運(yùn)行及與人工數(shù)據(jù)的測(cè)值的比對(duì)，驗(yàn)證了其可靠性及準(zhǔn)確性。針對(duì)振弦式儀器的掃頻激勵(lì)的深入研究，可以有效延長(zhǎng)部分內(nèi)埋振弦式儀器的使用壽命，而大部分內(nèi)埋儀器一經(jīng)埋入就無法取出更換，即使更換往往成本也較高，從經(jīng)濟(jì)和工程實(shí)用角度，對(duì)振弦激勵(lì)過程更深入的探索都有一定的意義。

［1］ 涂王月.基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)［D］.西安理工大學(xué)，2004年碩士學(xué)位論文.

［2］ 白澤生.基于振弦式傳感器測(cè)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（13）.