基于高智能型传感器的岩土工程自动化监测系区域

基于高智能型传感器的岩土工程自动化监测系统

路 军(国防科技大学电子科学与工程学院，湖南 长沙 41007 )

杨国荣(湖南湘银河传感科技有限公司， 湖南 长沙 41007 )

摘 要：随着现代社会对安全监测要求的提高，传统的手工监测已不能满足要求，自动化监测成为发展的趋势。高智能传感器具有统一的工业总线接口，可以简化自动化监测系统的设计。本文讨论基于高智能传感器的自动化监测系统的原理、组方式，并对不同方式进行了对比。

关键词：高智能型传感器，岩土工程监测仪器，自动化监测，GPRS无线传输

作者简介：路军(1970 )，男，山东汶上人，工学博士，主要从事无线通信、岩土工程传感器与监测仪器的研发开作。

0 引 言

传统岩土工程传感器（如振弦类传感器、电感调频类传感器等）输出的是原始信号（如频率、电压、电阻等），需要先用二次仪表读出原始信号值，再根据传感器标定表或计算公式转化为待测的物理量，这样既烦琐又容易出错，且不能将大量数据进行计算机处理，影响监测的自动化建设。

智能型传感器在传统传感器的基础上增加了内存芯片，可以将标定表等信息存储在传感器中，仪表读取原始信号的同时将标定表读出并进行转换，降低了人工的劳动强度，但同样不便于对多个传感器组进行自动化测量。

高智能型岩土工程传感器内置国际先进的计算芯片和内存芯片，自动对测量数据进行换算，直接输出待监测的物理量，无须人工转换，在大大降低人工劳动强度的同时，保证了数据的真实性。高智能型传感器具有统一的工业总线接口，多个传感器可以挂接到一条数据总线上组成先进的自动化监测系统。

1 传统岩土工程传感器原理

在岩土工程领域，主要应用的传感器有两大类：一是振弦式传感器，如应变计、土压力盒、锚索计等，振弦式传感器优于传统的压力、拉力传感器。其主要原因在于这种传感器使用频率作为输出信号，所以其抗干扰能力强、误差小，可在较恶劣的环境下工作。二是电感调频式传感器，如位移计、测缝计、沉降计、静力水准仪等，电感调频式传感器可以测量大的位移变化，量程可以根据需要进行设计。

1.1振弦式传感器基本原理

振弦式传感器的基本结构是在一个圆柱形金属筒内的两端接两个连接块，两个连接块的位置是随着受力的大小而可动的。在两个连接块之间接有一条钢弦(振弦)，当外力不同时，其钢弦的松紧不同，因而其共振频率会发生变化。通过施加脉冲信号到传感器内的激励线圈，可以引起钢弦的共振，在感应线圈有与钢弦振荡频率相同的交流频率信号输出，经过放大、滤波、平滑等处理过程，可以测量出钢弦的振荡频率，，再结合相应的标定系数就可计算出传感器受力的大小。

图1为一种振弦传感器的剖视图。图中密封壳体2的横向设有钢丝弦 ，密封壳体2内的中部靠近钢丝弦 设有永久磁铁5，永久磁铁的外侧设有感应线圈6，

图1 振弦传感器剖视图

1.2电感调频式传感器基本原理

电感调频式传感器的基本结构如图2所示：在一个圆柱形金属螺旋线圈2内有一个可以移动的磁芯1（测杆），在实际应用中螺旋线圈2的一端 与不动点相连，测杆与需要测量的变化端点相连，测杆的位置变化将引起线圈的电感量的变化，电感的变化将引起振荡器输出频率的变化。当测量出频率后，再结合相应的标定系数就可计算出测杆位置的变化。由于是电

感量的变化而引起输出频率的变化，因此称之为电感调频。

图2 电感调频传感器剖视图

2 高智能型传感器原理

高智能型传感器是在传统岩土工程传感器的基础上增加智能处理模块而成的，其原理图如图 所示，主要由传感器感应头、放大与滤波电路、微处理器、温度传感器、内存芯片、总线接口电路等部分组成。

高智能型传感器的工作原理是：传感器感应出的交流频率信号首先进行放大滤波，然后送入到微处理器中进行频率测量；温度传感器测量出待测点温度值后输出给微处理器。微处理器读取存储在内存中的标定参数与温度补偿系数，经计算处理后将频率信号转换成待测的物理量数据。

高智能型传感器可以对传感器进行非线性补偿和温度补偿，提高了测量结果的准确度。测量结果在保存到传感器内存中的同时，还可以经总线接口芯片后转换为统一的总线接口，为自动化测量打下基础。

图 高智能型传感器原理图

高智能型传感器的特点

（1）编号全球唯一

传感器编号全球唯一，无须人工编号。杜绝人为编号混乱或信息丢失等现象。确保了数据与传感器相对应的唯一性

（2）内置数据存储器

传感器内置数据存储空间，数据循环记录，可随时从传感器中下载相关纪录。在其他载体的数据资料丢失时，确保原始资料的安全。保证了数据的不易失性、可恢复性。传感器内的数据不能修改，确保数据的真实性。

（ ）内置电子标签

传感器内置电子标签，包含产品规格、型号、参数、生产日期等信息。用户还可自行设置传感器的自编号（如安装位置）等内容，方便用户快捷、准确地识别和定位传感器。

（4）直接物理量输出

传感器内置国际先进的计算芯片，自动对测量数据进行换算，直接输出监测物理量，无须人工转换。降低人工劳动强度，同时也保证了数据的真实性。

（5）自动温度补偿

传感器可实时自动进行温度补偿，提高传感器在不同气候条件下的适应性及监测数据的准确性。

4 基于高智能型传感器的自动化采集系统

高智能型传感器具有统一的工业总线接口，多个传感器可以直接以现场总线方式连接，并可直接连接至计算机，便于进行自动化测量与实时监控工作。由于传输的是转化成物理量的数字信号，因此可以长距离(1.5Km)不失真传输。还可通过有线、无线移动进行远程传输。

(1) 总线式自动数据采集系统

在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。RS-485是一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的总线标准。 RS-485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线。由于RS-485的远距离（1.5KmM）、多节点（128个）以及传输线成本低的特性，使得 RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。

高智能传感器采用统一的工业总线接口，可将多个传感器通过一条总线组成自动化测量系统，总线的一端与计算机相连接，通过数据采集系统软件对总线上所有的传感器进行自动化测量。总线式自动数据采集系统如图4所示。

图4 总线式自动数据采集系统

基于RS485总线方式，使用一对双绞线就能实现多站联，构成分布式系统。它的设备简单、价格低廉、能进行长距离通信，故在工程项目中得到了广泛应用。

（2）有线自动数据采集系统

在有线普及的地方，可以利用调制解调器（Modem）通过拨号连接的方式进行数据传输，从而实现远程监控或减少布线成本。其原理如图5所示：

图5 有线自动数据采集系统

使用有线进行数据传输，可以大大降低数据监测的劳动强度。传感器络可以与最近的线路相连接，降低了布线成本。在有内部的情况下，还可以降低使用成本。

（ ）无线GPRS自动化数据采集系统

在移动络覆盖的地方，可以利用GPRS方式进行数据传输，从而实现远程监控。其原理图6所示：

图6 无线GPRS自动化数据采集系统

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，它突破了GSM只能提供电路交换的思维定式， 只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。

GPRS是一种基于包的无线通讯服务。它将使得通讯速率从56 Kbps一直上升到114Kbps，并且支持计算机和移动用户的持续连接。较高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备和笔记本电脑电脑进行电视会议和多媒体页面以及类似的应用。

在理论上，GPRS包服务的花费将比电路交换服务所花的费用要少。信道是共享使用的，是需要的时候才有包产生。那么比专用的连接要节省很多资源。它将使得为用户提供应用服务更加简单