基于智能识别技术的大坝监测传感器

朱进烽，徐思琛，徐刚

（南京葛南实业有限公司，江苏南京210009）

0 引言

传感器技术、通信技术与计算机技术是构成现代信息技术的三大基础，它们分别完成对被测量的信息感知、信息传输及信息处理，是当代科学发展的重要标志。随着加工工艺逐步成熟，新型敏感材料不断出现，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入，人们把微处理器和传感器相结合，开发出具备一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器——“智能传感器”[1]。智能传感器的出现是传感器技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远影响。

智能识别技术在日常生活中已随处可见，如身份证、银行卡、商品识别码、火车票公交卡、水电费自报收取等都大量使用了身份识别技术。在高速公路收费站，汽车过站收费采用人工操作方式：过往车辆停车缴费，收费员需要判断过往车辆的车型及收费标准，并读卡和收费找零。这导致过站时间长，交通高峰期堵塞现象严重，时常因不能识别车辆是否或如何收费而扯皮[2]。随着智能识别技术应用在车辆计费系统中（车载电子标签ETC），可以在不停车的情况下在高速公路收费站快速通过自动计费。

当装有无线智能识别模块的车辆接近收费站时，无线智能识别模块将本车辆的缴费账户、存款金额、车辆车型、车牌号码、进路站点等识别信息发送给收费站智能收费系统，收费站的摄像机先对车辆的车牌号进行视频信息采集识别，并与系统数据库对比，两者一致进入收费程序。记录车辆进路站名、进站时间、出站名、出站时间等信息，并准确收取相应费用，同时将收费情况通过无线智能识别系统返回给车辆。当收费站与车辆的识别系统不一致时，将进入报警程序，下闸、向下个收费站发出预警等方式。智能识别技术应用在车辆计费系统中可有效缓解高速公路收费堵车问题，实现无人值守、不停车自动缴费。

1 大坝监测传感器现状

大坝安全监测技术融入了电子、机械、光学、信息等多行业，是多学科融合的专业。由于水电站大坝的重要性和应用环境的严酷及不可回收，其对安全监测传感器的要求比其他行业更高，传感器必须零部件少、可靠性高、前端少用电子元器件等。由于所限条件，大坝监测传感器多数还停留在比较原始的状态，仅有将物理量转换为电量的功能。

大量的工程实践中发现埋入大坝中的传感器有3个致命的弱点：①现有的传感器都是通过电缆传输信号，在工地现场区分传感器之间的对应关系是依靠电缆尾部的标签，在建坝施工过程中，施工断面的变化、大型机械作业、人为的损坏都造成大量电缆线的断裂。多条成束电缆断裂后将很难判别电缆线与之相连的是哪一支传感器，传感器标签也很容易磨损或丢失，这样就导致传感器因参数不可知（身份不明）而成为废品；②现在工地现场测量沿用的是传统笔写纸记的方式，而测量仪表中也有自带的存储功能，可存储数据都是按时间排序的，多支传感器的测量数据又非常近似，即便人工判别也非常困难，所以目前测量仪表的存贮和通讯功能只能是个摆设；③大型水电站的建设施工期都比较长，仪器安装的数量多、品种多、部位复杂。仪器的生产厂家、安装人员、安装时间、安装部位、仪器类型、仪器名称、仪器编号、仪器系数以及仪器基准值等原始资料，可能会因为时间的推移、安装记录人员的流动很难追溯，给日后数据整理、解析大坝运行状态带来不便。

2 具有智能识别功能的大坝监测传感器

大坝监测传感器智能识别技术就是将传感器的仪器名称、仪器类型、出厂编号、标定系数、温度修正系数等参数写进智能识别芯片，相当于每个传感器都携带有电子身份证。附有智能识别功能的读取系统在测量时，首先读取智能识别芯片内的信息，当需要存贮测量数据时，测量数据自动排列在传感器的编号及系数后。这样测量数据不管存贮在读数仪中或传输给计算机，永远不会混乱，测量时也不需要再另记录电缆上的传感器编号，只要将测量数据存入读数仪就一定与本支传感器对应。如遇多支传感器电缆被剪断，只要将每支传感器测量一遍，就能自动识别出每支传感器所对应编号。

3 智能识别大坝监测传感器设计

智能识别传感器由4部分组成：传感器本体及密封系统部件、物理量转换为电量的敏感元件、智能识别电路、信号传输部件。传感器本体及密封系统部件、物理量转换为电量的敏感元件及信号传输部件在长期的生产使用过程中已经非常成熟，智能识别传感器就是在原有传感器中加装智能识别电路。经调研发现，已有的智能识别传感器在信号读取中需要2芯电缆，加上原有的物理量转换为电量的信号，电缆需要6（振弦式）芯或7（差阻式）芯电缆线才能满足其信号的读取；通用的识别电路复杂，线路板大，无法植入现有传感器狭小的空间，还存在信号电缆传输距离近等问题，智能识别技术要用在大坝监测传感器上必须解决以上问题。

3.1 线缆芯数不变

智能识别传感器必须保持原有的测量线缆芯数不变，因为许多工程在土建施工中都大量预埋了电缆，如果电缆芯数不对应，将需要重新敷设电缆，增加成本。新研制的智能识别电路并接在传感器的温度电阻上，所以读取时与温度测量共用两芯线，解决了智能识别芯片读取需要多加电缆芯数的问题。

3.2 识别电路可靠性

大坝监测传感器设计必须遵循在满足其使用性能的条件下元器件和机械零件越少越可靠的原则，最新研制的传感器智能识别电路专为植入小巧传感器而设计，面积约为0.4 cm2，大量减少了外部元件的数量，提高了识别电路的可靠性。智能识别电路见图1。

3.3 数据存储时间长

智能识别电路采用进口芯片绑定，读写次数≥100000次，可植入仪器名称、仪器类型、出厂编号、标定系数、温度修正系数等参数，植入数据可保存时间≥10年，可在恶劣的环境中使用，数据读取稳定不丢失，满足大坝长期监测的使用要求。

图1 智能识别读写示意图Fig.1 Circuit diagram of read/write in intelligent identification

3.4 连续识别

智能识别芯片唤醒时间≤3 ms，写读间隔≤8 ms，可进行单次识别、连续识别，解决了自动或手动数据采集系统读取时快速切换的问题。

3.5 读取电缆距离长

特设寄存器控制前端仪器参数，使每一次应用的读取距离最大化。由于有专设的读取程序（下行链路，从读取器到智能识别芯片），读取距离达到800 m以上，基本满足大型水电工程传感器长电缆传输的要求。

3.6 可重复擦除和写入

用户可以将自己重新检验的传感器标定系数、温度修正系数以及设计编号等写入智能识别芯片，有效解决了一次写入无法修改的问题，方便用户随时更新仪器参数，提高了智能识别功能的使用交互性。

4 智能识别采集系统设计

智能识别采集系统就是在原有采集系统中增加读取识别芯片中的传感器各项参数及编号的功能，将读取到的传感器参数及识别出的传感器类型进行公式对应，并根据该传感器的各项参数、对应的计算公式、传感器输出的电量，直接可以计算出实际物理工程值。

4.1 读取识别芯片

智能识别采集系统在单支仪器逐个测量时，首先读取智能传感器识别芯片内传感器的各项参数及编号。智能识别振弦读数仪测量显示如图2：A为存贮单元、0048为序号、SA5121为传感器类型及编号、2008/10/1810∶28为日期和时间、K=0.4897με/F为传感器的标定系数、b=13.5 με/℃为传感器的温度修正系数为读数仪的在线电压、200-4840F为扫频激励范围、4500.5F为被测传感器的频率摸数值、R=3 k为被测传感器温度计的类型、25.5℃为被测传感器的温度值。

智能识别读数仪在连接自动或手动集线箱快速切换时可以设置连续快速识别，其读写间隔≤8 ms的反应速度完全可以满足要求。

图2 智能识别振弦读数仪的显示界面Fig.2 Display interface of the intelligent identification vibrating wire reading instrument

4.2 快速查询

智能识别采集系统在存贮测量数据时，数据自动排列在传感器的编号及系数后，与计算机通信后数据排列为：存贮单元及序号、仪器名称、仪器编号、标定系数、系数单位、温度修正系数、存贮日期及时间、频率模数值、频率值、温度值（如图3）。这样排列测量数据不管存贮在智能识别读数仪中或传输给计算机，永远不会混乱。在大坝监测海量的数据中，分析时可以任意按仪器名称、仪器编号、最小读数b···进行排序并查询，节约了查询时间，解决了因数据量过大无法快速排序查询的难题。

智能识别采集系统可以判别出仪器类型，如：P08320为渗压计，SA7300为150 mm标距的应变计，RF0091为配筋25 mm的钢筋计···并自动将判别出的仪器显示在仪器名称栏里，让观测人员一目了然，实现了数据排序的智能化。

4.3 统计计算

智能识别采集系统先读取识别芯片中的传感器参数及编号，即可根据识别到的传感器类型调用与其对应的计算公式，根据传感器参数、计算公式、传感器测出的电量直接计算出实际物理工程值。

图3 智能识别读数仪存贮数据上传计算机排列截屏Fig.3 Snapshot shown on the computer of the data collected from the intelligent identification reading instrument

测斜仪智能识别读数仪测量显示见图4：29-X001为编号29号测孔-X方向第一个测点，GN6158为测斜仪的编号；99.5 m为在测点高程孔深米数；+X+145.05 mm为+X方向测值经计算后的位移量，单位为mm；-X-148.05 mm为-X方向测值经计算后的位移量，单位为mm；-/2=+146.55 mm为测量值差的一半，有效位移值；+/2=-1.5 mm为测量值和的一半，理论铅垂线值。由下至上进行测量，每按一次线控开关（或存贮键）当前测量数据存贮一次，同时孔深递减一个设定的测量标距，存贮器序号加1（测点数）。将读数仪存储数据传输给计算机，计算机根据位移值数据绘制管形图，实现了测量工作无纸化，也方便测量数据的快速查询统计计算。

图4 智能识别测斜仪读数仪的显示界面Fig.4 Display interface of the reading instrument of intelligent identification inclinometer

大坝监测仪器使用智能识别系统技术后，已在几百个实际工程中使用，得到了现场使用人员的肯定和好评，解决了用户在测量时因测量数据不能随意快速存贮、无法实现无纸化操作的困难，给大坝监测仪器的使用方式带来了根本的改变。

5 结语

大坝及岩土工程监测仪器大多都使用在国计民生的大型重点工程上，要使测量工作真正做到无纸化的快速测量存贮，减轻测量人员的负担和减少记录失误，使用传感器智能识别技术将是时代发展的必然趋势。采用智能识别技术的传感器，可以省去大量的人工操作，解决了因传感器标签磨损、丢失、电缆被剪断导致传感器因参数不可知、身份不明而成为废品的难题。

随着时代的进步和科技的发展，计算机技术与网络技术大量应用到传感器中，加快了智能传感器的发展和普及，这将会是大坝监测技术的一次革命。■

[1]景博,张劼,孙勇.智能网络传感器与无线传感器网络[M].北京：国防工业出版社.

[2]肖建华,廖惜春.无线车辆计费系统中的智能识别技术[J].中南大学学报,2007,38:388-392.