基于高智能型傳感器的巖土工程自動化監(jiān)測系統
路 軍(國防科技大學電子科學與工程學院，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：隨著現代社會對安全監(jiān)測要求的提高，傳統的手工監(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一的工業(yè)總線接口，可以簡化自動化監(jiān)測系統的設計。本文討論基于高智能傳感器的自動化監(jiān)測系統的原理、組網方式，并對不同方式進行了對比。
關鍵詞：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
傳統巖土工程傳感器（如振弦類傳感器、電感調頻類傳感器等）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，再根據傳感器標定表或計算公式轉化為待測的物理量，這樣既煩瑣又容易出錯，且不能將大量數據進行計算機處理，影響監(jiān)測的自動化建設。
智能型傳感器在傳統傳感器的基礎上增加了內存芯片，可以將標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定表讀出并進行轉換，降低了人工的勞動強度，但同樣不便于對多個傳感器組網進行自動化測量。
高智能型巖土工程傳感器內置國際先進的計算芯片和內存芯片，自動對測量數據進行換算，直接輸出待監(jiān)測的物理量，無須人工轉換，在大大降低人工勞動強度的同時，保證了數據的真實性。高智能型傳感器具有統一的工業(yè)總線接口，多個傳感器可以掛接到一條數據總線上組成先進的自動化監(jiān)測系統。
1 傳統巖土工程傳感器原理
在巖土工程領域，主要應用的傳感器有兩大類：一是振弦式傳感器，如應變計、土壓力盒、錨索計等，振弦式傳感器優(yōu)于傳統的壓力、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。二是電感調頻式傳感器，如位移計、測縫計、沉降計、靜力水準儀等，電感調頻式傳感器可以測量大的位移變化，量程可以根據需要進行設計。
1.1振弦式傳感器基本原理
振弦式傳感器的基本結構是在一個圓柱形金屬筒內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的激勵線圈，可以引起鋼弦的共振，在感應線圈有與鋼弦振蕩頻率相同的交流頻率信號輸出，經過放大、濾波、平滑等處理過程，可以測量出鋼弦的振蕩頻率，，再結合相應的標定系數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的橫向設有鋼絲弦3，密封殼體2內的中部靠近鋼絲弦3設有永久磁鐵5，永久磁鐵的外側設有感應線圈6，

圖1 振弦傳感器剖視圖

1.2電感調頻式傳感器基本原理
電感調頻式傳感器的基本結構如圖2所示：在一個圓柱形金屬螺旋線圈2內有一個可以移動的磁芯1（測桿），在實際應用中螺旋線圈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。當測量出頻率后，再結合相應的標定系數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，因此稱之為電感調頻。

圖2 電感調頻傳感器剖視圖
2 高智能型傳感器原理
高智能型傳感器是在傳統巖土工程傳感器的基礎上增加智能處理模塊而成的，其原理圖如圖3所示，主要由傳感器感應頭、放大與濾波電路、微處理器、溫度傳感器、內存芯片、總線接口電路等部分組成。
高智能型傳感器的工作原理是：傳感器感應出的交流頻率信號首先進行放大濾波，然后送入到微處理器中進行頻率測量；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存中的標定參數與溫度補償系數，經計算處理后將頻率信號轉換成待測的物理量數據。
高智能型傳感器可以對傳感器進行非線性補償和溫度補償，提高了測量結果的準確度。測量結果在保存到傳感器內存中的同時，還可以經總線接口芯片后轉換為統一的總線接口，為自動化測量打下基礎。

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象。確保了數據與傳感器相對應的唯一性
（2）內置數據存儲器
傳感器內置數據存儲空間，數據循環(huán)記錄，可隨時從傳感器中下載相關紀錄。在其他載體的數據資料丟失時，確保原始資料的安全。保證了數據的不易失性、可恢復性。傳感器內的數據不能修改，確保數據的真實性。
（3）內置電子標簽
傳感器內置電子標簽，