基于高智能型传感器的岩土工程自动化监测系统

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 410073)
杨国荣(湖南湘银河传感科技有限公司，    湖南 长沙 410073)

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、组网方式，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网进行自动化测量。
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3，密封壳体2内的中部靠近钢丝弦3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3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3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3 高智能型传感器原理图