《安全监测常用仪器及自动化原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《安全监测常用仪器及自动化原理（95页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 岩土工程安全监测常用仪器及自动化第一节 安全监测仪器的基本要求用于岩土工程的的安全监测仪仪器所处的环环境条件十分分恶劣，有的的暴露在10002000m的高边坡上上，有的又要要深埋在2000300m的坝体或基基础中，有的的长期在潮湿湿的廊道或水水下工作，有的要要在-3050 的交变温温度场中工作作。建筑物开开始施工时仪仪器随同埋设设，直到工程程运行施工期期就会长达十十年以上。一一般地说，仪仪器一旦埋进去就无无法修理和更更换。甚至观观测人员都难难以到达仪器器布设的地方方。因此，对对仪器除了技技术性能和功功能符合使用用要求外，通通常设计制造造要满足以下下要求：（1） 高可靠性。设计计要周密，
2、要采用用高品质的元元器件和材料料制造，并要要严格地进行行质量控制，保保证仪器埋设设后完好率满满足要求。 （2） 长期稳定性好。零零漂、时漂和和温漂满足设设计和使用所所规定的要求求，一般有效效使用寿命在在10年以上上。 （3） 精度较高。必须须满足监测实实际需要的精精度，有较高高的分辨率和和灵敏度，有有较好的直线线性和重复性性，观测数据据不受长距离测量和和环境温度变变化的影响，如如果有影响所所产生的测值值误差应易于于消除。仪器器的综合误差差一般应控制在2%FFS以内。（4） 耐恶劣环境性。可在温度-25+60 ，湿度995的条件件下长期连续续运行，设计有防雷雷击和过载冲冲击保护装置置，耐酸、耐耐
3、碱、防腐蚀蚀。 （5） 密封耐压性良好好。防潮密封封性良好，绝绝缘度满足要要求，在水下下工作要能承受受设计规定耐耐水压能力。 （6） 操作简单。埋设设、安装、操操作方便，容容易测读，最最好是直接数数显。中等文文化水平的人人员经过短期期培训就应能能独立使用。 （7） 结构牢固。能够够耐受运输时时的振动以及及在工地现场场埋设安装可可能遭受的碰碰撞、倾倒。在混凝土或土层振捣捣或碾压时不不会损坏。（8） 维修要求不高。选选用通用易购购的元器件，便便于检修和定定时更换，局局部故障容易易排除。 （9） 适于施工。埋设设安装时与工工程施干扰要小，能能够顺利安装装的可能性要要大，不需要要交流电源和和特殊的影响
4、响施工的手段段。（10） 费用低廉。包括括仪器购价、维维修费用和施施工费用、配配套的仪表，传传输信号的电电缆等直接和和间接费用应应尽可能低。（11） 能遥测。自动监监测系统容易易配置。以上这些要求构构成了比较理理想的监测仪仪器，实际上上十全十美的仪器是是很难实现的的，还得根据据实际需要和和技术设计可可能性、制造造工艺性的保保证程度，以以及质量控制制手段来共同同创造。第二节 常用传感器的类类型和工作原原理一、差动电阻式式传感器的基基本原理差动电阻式传感感器是美国人人卡尔逊研制制成功的。因因此，又习惯惯被称为卡尔尔逊式仪器。这这种仪器利用用张紧在仪器器内部的弹性性钢丝作为传传感元件将仪仪器受到的物
5、物理量转变为为模拟量，所所以国外也称称这种传感器器为弹性钢丝丝式（Elaastic Wire）仪仪器。 由物理学知道，当当钢丝受到拉拉力作用而产产生弹性变形形，其变形与与电阻变化之之间有如下关关系式： （2-2-1）式中 钢钢丝电阻变化化量；钢丝电阻；钢丝电阻应应变灵敏系数数：钢丝变形增增量；钢丝长度。 由图2-2-11可见仪器的的钢丝长度的的变化和钢丝丝的电阻变化化是线性关系系，测定电阻阻变化利用式式2-2-1可求得仪仪器承受的变变形。钢丝还还有一个特性性，当钢丝感感受不太大的的温度改变时时，钢丝电阻阻随其温度变变化之间有如如下近似的线线性关系： 图2-2-1 钢丝变变形 1钢丝；2钢丝固定
6、点点 （22-2-2）式中 RTT温度为TT的钢丝电阻阻；R0温度为为O的钢丝电阻阻；电阻温度系系数，一定范范围内为常数数；钢丝温度。只要测定了仪器器内部钢丝的的电阻值，用用式2-2-2就可以计计算出仪器所所在环境的温温度。差动电阻式传感感器基于上述述两个原理，利利用弹性钢丝丝在力的作用用和温度变化化下的特性设设计而成，把把经过预拉长长度相等的两两根钢丝用特特定方式固定定在两根方形形断面的铁杆杆上，钢丝电电阻分别为RR1和R2，因为钢丝丝设计长度相相等，R1和R2近似相等，如如图2-2-2所示。图2-2-2 差动电阻阻式仪器原理理当仪器受到外界界的拉压而变变形时，两根根钢丝的电阻阻产生差动的的
7、变化，一根根钢丝受拉，其其电阻增加，另另一根钢丝受受压，其电阻阻减少，两根根钢丝的串联联电阻不变而而电阻比R1/R2发生变化，测测量两根钢丝丝电阻的比值值，就可以求求得仪器的变变形或应力。当温度改变时，引引起两根钢丝丝的电阻变化化是同方向的的，温度升高高时，两根钢钢丝的电阻则则都减少。测测定两根钢丝丝的串联电阻阻，就可求得得仪器测点位位置的温度。差动电阻式传感感器的读数装装置是电阻比比电桥（惠斯斯通型），电电桥内有一可可以调节的可可变电阻R，还还有两个串联联在一起的550固定电阻M/2，其测量量原理见图22-2-3，将将仪器接人电电桥，仪器钢钢丝电阻R1和R2就和电桥中中可变电阻RR，以及固定
8、定电阻M 构构成电桥电路路。图2-2-3 电桥测量量原理图2-2-3()是测量仪器器电阻比的线线路，调节RR使电桥平衡衡，则： R/M = RR1/R2 （2-2-3）因为M1000，故由电桥桥测出之R值值是R1和R2之比的1000倍，R/1100 即为为电阻比。电电桥上电阻比比最小读数为为0.01。图2-2-3(b)是测量串联联电阻时，利利用上述电桥桥接成的另一一电路，调节节R达到平衡衡时，则：（M/2)/RR=（M/22)/(R1+R2) (2-2-4)简化式（2-22-4）得:R=(R1+RR2) (2-2-55)这时从可变电阻阻R读出的电电阻值就是仪仪器的钢丝总总电阻，从而而求得仪器所
9、所在测点的温温度。综上所述，差动动电阻式仪器器以一组差动动的电阻R1和R2，与电阻比比电桥形成桥桥路从而测出出电阻比和电电阻值两个参参数，来计算算出仪器所承承受的应力和和测点的温度度。二、钢弦式传感感器的基本原理钢弦式传感器的的敏感元件是是一根金属丝丝弦（一般称称为钢弦，振振弦或简称“弦”）。常用高高弹性弹簧钢钢、马氏不锈锈钢或钨钢制制成，它与传传感器受力部部件连接固定定，利用钢弦弦的自振频率率与钢弦所受受到的外加张张力关系式测测得各种物理理量。钢弦式传感器所所测定的参数数主要是钢弦弦的自振频率率，常用专用用的钢弦频率率计测定，也也可用周期测测定仪测周期期，二者互为为倒数。在专专用频率计中中加
10、一个平方方电路或程序序也可直接显显示频率平方方。钢弦式仪器是根根据钢弦张紧紧力与谐振频频率成单值函函数关系设计计而成的。由由于钢弦的自自振频率取决决于它的长度度、钢弦材料料的密度和钢钢弦所受的内内应力。其关关系式为： （2-22-6）式中 钢弦自振振频率；L钢弦有效效长度；钢弦的应力力；钢弦材料密密度。 由式（2-2-6）可以看看出，当传感感器制造成功功之后所用的的钢弦材料和和钢弦的直径径有效长度均均为不变量。钢钢弦的自振频频率仅与钢弦弦所受的张力力有关。因此此，张力可用用频率的关系式来来表示： （2-22-7）从式（2-2-6）中可以以看出，钢弦弦式传感器的的张力与频率率的关系为一一次函数图
11、图2-2-44（），频率平平方与张力为为一次函数 图2-2-4（b） 通过最小小二乘法变换换后的式（22-2-7)为线性方程程。仪器的结结构不同，张张力“F”可以变换为为位移、压力力、压强、应应力、应变等等各种物理量量。从式（22-2-7）中中可以看出钢钢弦的张力与与自振频率的的平方差呈直直线关系。但但不同的传感感器中钢弦的的长度、材料料的线性度很很难加工得完完全一样。因因此，修正常常数（Y轴的的截距）相对对于每只传感感器也都不尽尽相同，为以以后资料整理理时的起始值值造成不一致致，通常根据据资料的要求求人为设“A”值等于“0”，使一个工工程中的多只只传感器起点点一致，以方方便计算中的的数据处理
12、。图2-2-4 钢弦传感感器输出特征征钢弦自振频频率；钢弦应力力钢弦式传感器的的激振一般由由一个电磁线线圈（通常称称磁芯）来完完成。 工作过程可用图图2-2-55来说明。经经过把各类物物理量转换为为拉（或压）力力作用在钢弦弦上，改变钢钢弦所受的张张力，在磁芯芯的激发下，使使钢弦的自振振频率随张力力变化而变化化。通过频率率的变化可以以换算出被测测物理量的变变化值。由于于钢弦被置于于电测原件“磁芯”的磁场中，当当钢弦振动时时就在接收线线圈中产生感感应电动势VV。测出它的的频率就确定了了被测钢弦的的自振频率，代代人式（2-2-7）中中即可换算成成相应的物理理量。钢弦传传感器的激振振方式不同，所所需电
13、缆的芯芯数也不同。图图2-2-55中的三种激激振方式代表表了钢弦式传传感器的发展展过程。图2-2-5 三种钢弦弦式传感器原原理（a）单线圈间间歇激振型输输出波形；（bb）三线制双双线圈连续激激振型输出波波形；（c）二线制双双线圈连续激激振型输出波波形图2-2-5（a）是单线圈间间歇激振型传传感器，它激激振和接收共共用一组线圈圈，结构简单单，但由于线线圈内阻不可可能很大，一一般是几十欧欧姆到几百欧欧姆。因此，传传输距离受到到一定限制，抗抗干扰能力比较较差，传输电电缆要求截面面较大的屏蔽蔽电缆为好。激激振方式为单单脉冲输人，如如图2-2-5(a2)。当激发脉脉冲输到磁芯芯线圈上，磁磁芯产生一个个脉
14、动磁场拨动钢钢弦，所以国国外也有叫“拨弦式”，钢弦被拨拨动后产生一一个衰减振荡荡，切割磁芯芯的磁力线在在磁芯的输出出端也产生如如图2-2-5（aa3）的衰减正弦弦波。接收仪仪表测出此波波的频率即为为钢弦此刻的的自振频率。 图2-2-5（bb）是一组三三线制双线圈圈钢弦式传感感器示意图。它它有两个线圈圈组成如图图2-2-5（bb1）一个线圈圈为激振线圈圈，一个为接接收线圈。激激振线圈由二二次仪表送来来一个l0000HZ左右的激发发脉冲，一般般为正弦波或或锯齿波。当当钢弦激振后后由接收线圈圈传送到二次次仪表中，经经放大反馈一一部分到激发发线圈上，使使激发频率与与接收频率相相等，让钢弦弦处于谐振状状态，一部分分送到整形、计计数、显示电电路测出频率率。图2-2-5（bb2）、（b3）为激发和输输出的波形。这这种结构比单单线圈的性能能有了很大的的改善，但同同样存在线圈圈内阻小，对对电缆要求较较高的不足。常常用三芯或双双芯屏蔽电缆缆，屏蔽层或或其中一芯为为公用线，一一芯激发线，一一芯接收线。图2-2-5（c）为一组二二线制双线圈圈的钢弦传感感器示意图。这这种结构比较较新颖，磁芯芯中有一组反反溃放大电路路，对二次仪仪表来说，由由二芯传输线线直流输人，经经内部电路激激发，正弦波波输出。此方方式采用了现现代电子技术术，把磁芯内内阻做到35500左右，内阻阻提高，传输输损耗
