基于高智能型傳感器的巖土工程自動化監(jiān)測系統(tǒng)
路 軍(國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073)
楊國榮(湖南湘銀河傳感科技有限公司， 湖南 長沙 410073)

摘 要：隨著現(xiàn)代社會對安全監(jiān)測要求的提高，傳統(tǒng)的手工監(jiān)測已不能滿足要求，自動化監(jiān)測成為發(fā)展的趨勢。高智能傳感器具有統(tǒng)一的工業(yè)總線接口，可以簡化自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。本文討論基于高智能傳感器的自動化監(jiān)測系統(tǒng)的原理、組網(wǎng)方式，并對不同方式進(jìn)行了對比。
關(guān)鍵詞：高智能型傳感器，巖土工程監(jiān)測儀器，自動化監(jiān)測，GPRS無線傳輸
作者簡介：路軍(1970– )，男，山東汶上人，工學(xué)博士，主要從事無線通信、巖土工程傳感器與監(jiān)測儀器的研發(fā)開作。
0 引 言
傳統(tǒng)巖土工程傳感器（如振弦類傳感器、電感調(diào)頻類傳感器等）輸出的是原始信號（如頻率、電壓、電阻等），需要先用二次儀表讀出原始信號值，再根據(jù)傳感器標(biāo)定表或計算公式轉(zhuǎn)化為待測的物理量，這樣既煩瑣又容易出錯，且不能將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)處理，影響監(jiān)測的自動化建設(shè)。
智能型傳感器在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上增加了內(nèi)存芯片，可以將標(biāo)定表等信息存儲在傳感器中，儀表讀取原始信號的同時將標(biāo)定表讀出并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，降低了人工的勞動強度，但同樣不便于對多個傳感器組網(wǎng)進(jìn)行自動化測量。
高智能型巖土工程傳感器內(nèi)置國際先進(jìn)的計算芯片和內(nèi)存芯片，自動對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，直接輸出待監(jiān)測的物理量，無須人工轉(zhuǎn)換，在大大降低人工勞動強度的同時，保證了數(shù)據(jù)的真實性。高智能型傳感器具有統(tǒng)一的工業(yè)總線接口，多個傳感器可以掛接到一條數(shù)據(jù)總線上組成先進(jìn)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。
1 傳統(tǒng)巖土工程傳感器原理
在巖土工程領(lǐng)域，主要應(yīng)用的傳感器有兩大類：一是振弦式傳感器，如應(yīng)變計、土壓力盒、錨索計等，振弦式傳感器優(yōu)于傳統(tǒng)的壓力、拉力傳感器。其主要原因在于這種傳感器使用頻率作為輸出信號，所以其抗干擾能力強、誤差小，可在較惡劣的環(huán)境下工作。二是電感調(diào)頻式傳感器，如位移計、測縫計、沉降計、靜力水準(zhǔn)儀等，電感調(diào)頻式傳感器可以測量大的位移變化，量程可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計。
1.1振弦式傳感器基本原理
振弦式傳感器的基本結(jié)構(gòu)是在一個圓柱形金屬筒內(nèi)的兩端接兩個連接塊，兩個連接塊的位置是隨著受力的大小而可動的。在兩個連接塊之間接有一條鋼弦(振弦)，當(dāng)外力不同時，其鋼弦的松緊不同，因而其共振頻率會發(fā)生變化。通過施加脈沖信號到傳感器內(nèi)的激勵線圈，可以引起鋼弦的共振，在感應(yīng)線圈有與鋼弦振蕩頻率相同的交流頻率信號輸出，經(jīng)過放大、濾波、平滑等處理過程，可以測量出鋼弦的振蕩頻率，，再結(jié)合相應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)就可計算出傳感器受力的大小。
圖1為一種振弦傳感器的剖視圖。圖中密封殼體2的橫向設(shè)有鋼絲弦3，密封殼體2內(nèi)的中部靠近鋼絲弦3設(shè)有永久磁鐵5，永久磁鐵的外側(cè)設(shè)有感應(yīng)線圈6，

圖1 振弦傳感器剖視圖

1.2電感調(diào)頻式傳感器基本原理
電感調(diào)頻式傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：在一個圓柱形金屬螺旋線圈2內(nèi)有一個可以移動的磁芯1（測桿），在實際應(yīng)用中螺旋線圈2的一端3與不動點相連，測桿與需要測量的變化端點相連，測桿的位置變化將引起線圈的電感量的變化，電感的變化將引起振蕩器輸出頻率的變化。當(dāng)測量出頻率后，再結(jié)合相應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)就可計算出測桿位置的變化。由于是電
感量的變化而引起輸出頻率的變化，因此稱之為電感調(diào)頻。

圖2 電感調(diào)頻傳感器剖視圖
2 高智能型傳感器原理
高智能型傳感器是在傳統(tǒng)巖土工程傳感器的基礎(chǔ)上增加智能處理模塊而成的，其原理圖如圖3所示，主要由傳感器感應(yīng)頭、放大與濾波電路、微處理器、溫度傳感器、內(nèi)存芯片、總線接口電路等部分組成。
高智能型傳感器的工作原理是：傳感器感應(yīng)出的交流頻率信號首先進(jìn)行放大濾波，然后送入到微處理器中進(jìn)行頻率測量；溫度傳感器測量出待測點溫度值后輸出給微處理器。微處理器讀取存儲在內(nèi)存中的標(biāo)定參數(shù)與溫度補償系數(shù)，經(jīng)計算處理后將頻率信號轉(zhuǎn)換成待測的物理量數(shù)據(jù)。
高智能型傳感器可以對傳感器進(jìn)行非線性補償和溫度補償，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。測量結(jié)果在保存到傳感器內(nèi)存中的同時，還可以經(jīng)總線接口芯片后轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的總線接口，為自動化測量打下基礎(chǔ)。

圖3 高智能型傳感器原理圖

3 高智能型傳感器的特點
（1）編號全球唯一
傳感器編號全球唯一，無須人工編號。杜絕人為編號混亂或信息丟失等現(xiàn)象。確保了數(shù)據(jù)與傳感器相對應(yīng)的唯一性
（2）內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲器
傳感器內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲空間，數(shù)據(jù)循環(huán)記錄，可隨時從傳感器中下載相關(guān)紀(jì)錄。在其他載體的數(shù)據(jù)資料丟失時，確保原始資料的安全。保證了數(shù)據(jù)的不易失性、可恢復(fù)性。傳感器內(nèi)的數(shù)據(jù)不能修改，確保數(shù)據(jù)的真實性。
（3）內(nèi)置電子標(biāo)簽
傳感器內(nèi)置電子標(biāo)簽，