摘要：智能識(shí)別傳感器的出現(xiàn)是大壩監(jiān)測(cè)技術(shù)的一次革命，將對(duì)儀器的設(shè)計(jì)和制造提出新的要求，同時(shí)給儀器的使用方式帶來(lái)了根本的改變。智能識(shí)別傳感器內(nèi)存有儀器的各項(xiàng)參數(shù)及編號(hào)，并可植入安裝人員、安裝時(shí)間、安裝部位、安裝環(huán)境，基準(zhǔn)值等信息，采集時(shí)與讀取系統(tǒng)自動(dòng)交互，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)工作的無(wú)紙化，方便數(shù)據(jù)的快速查詢統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

Abstract: The appearance of intelligent identification sensors is a revolution of dam monitoring technology, which not only raises new requirements for the design and manufacture of the instruments, but also brings revolutionary ways in the usage. Within the intelligent identification sensors, the sensor numbers and sorts of parameters are stored. In addition, the information such as installation persons, installation time, installation parts, installation environment and the reference values can also be embedded in the sensors. At the time of data collection, the sensors can interact with the reading out system automatically to realize paperless monitoring and measurement, and facilitate the fast querying, analyzing, and calculating of data.

0 引言

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)，它們分別完成對(duì)被測(cè)量的信息感知、信息傳輸及信息處理，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化已成為時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)：計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了智能傳感器技術(shù)；將兩者融合即計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能傳感器技術(shù)結(jié)合，便產(chǎn)生了智能網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)。

隨著加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷出現(xiàn)，尤其是計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的滲入，人們把微處理器和傳感器相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了具備一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補(bǔ)償?shù)男乱淮鷤鞲衅鳌爸悄軅鞲衅鳌盵1]。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感器技術(shù)的一次革命，對(duì)傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

智能傳感技術(shù)在我們?nèi)粘Ｉ钪幸央S處可見(jiàn)，如身份證、銀行卡、超市購(gòu)物、商品包裝、水電費(fèi)收取、火車票、汽車卡等都大量使用了身份識(shí)別技術(shù)。在高速公路收費(fèi)站汽車過(guò)站收費(fèi)采用人工操作方式是：過(guò)往車輛停車?yán)U費(fèi)，收費(fèi)員需要判斷過(guò)往車輛的車型及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，并讀卡和收費(fèi)找零工作。這導(dǎo)致過(guò)站時(shí)間長(zhǎng)，交通高峰期堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，時(shí)常因不能識(shí)別車輛是否或如何收費(fèi)而扯皮，同時(shí)收費(fèi)系統(tǒng)存有現(xiàn)金管理漏洞[2]。隨著智能識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在車輛計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，可以在不停車的情況下在高速公路收費(fèi)站快速通過(guò)自動(dòng)計(jì)費(fèi)。當(dāng)裝有無(wú)線智能識(shí)別模塊的車輛接近收費(fèi)站時(shí)，無(wú)線智能識(shí)別模塊將本車輛的繳費(fèi)賬戶、存款金額、車輛車型、車牌號(hào)碼、進(jìn)路站點(diǎn)等識(shí)別信息發(fā)送給收費(fèi)站智能收費(fèi)系統(tǒng)，收費(fèi)站的攝像機(jī)先對(duì)車輛的車牌號(hào)進(jìn)行視頻信息采集識(shí)別，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，兩者一致進(jìn)入收費(fèi)程序。記錄車輛進(jìn)站名、進(jìn)站時(shí)間、出站名、出站時(shí)間等信息，并準(zhǔn)確收取相應(yīng)費(fèi)用，同時(shí)將收費(fèi)情況通過(guò)無(wú)線智能識(shí)別系統(tǒng)返回給車輛。當(dāng)收費(fèi)站與車輛的識(shí)別系統(tǒng)不一致時(shí)，將進(jìn)入報(bào)警程序，下閘、向下個(gè)收費(fèi)站發(fā)出預(yù)警等方式。智能識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在車輛計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中有效解決了高速公路收費(fèi)堵車問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守不停車自動(dòng)繳費(fèi)的工作。

1大壩監(jiān)測(cè)傳感器現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)融入了電子、機(jī)械、光學(xué)、信息等多行業(yè)，是個(gè)多學(xué)科融合的專業(yè)。由于水電站大壩所處的重要性和應(yīng)用環(huán)境的嚴(yán)酷及不可回收，所以對(duì)安全監(jiān)測(cè)傳感器的要求比其他行業(yè)更高，傳感器必須是零部件少、可靠性高、前端少用電子元器件等。由于所限條件大壩監(jiān)測(cè)傳感器多數(shù)還停留在比較原始的狀態(tài)：僅有將物理量測(cè)出電量的功能。

在大量的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)埋入壩中的傳感器有3個(gè)致命的弱點(diǎn)：1）現(xiàn)有的傳感器大多是通過(guò)4芯或5芯電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，在工地現(xiàn)場(chǎng)區(qū)分傳感器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是依靠電纜尾部的標(biāo)簽，在建壩施工過(guò)程中，施工斷面的變化、大型機(jī)械作業(yè)、人為的損壞都大量造成電纜線的斷裂。多條成束電纜斷裂后將很難判別每根電纜線與之相連的是那一支傳感器，傳感器標(biāo)簽也很容易磨損或丟失，這樣就導(dǎo)致傳感器因參數(shù)不可知(身份不明)而成為廢品。2）現(xiàn)在工地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量沿用的是傳統(tǒng)筆寫紙記的方式，而測(cè)量?jī)x表中也有自帶存儲(chǔ)的功能，可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)都是按時(shí)間排序的，多支傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)又非常近似，即便人工判別也非常困難，所以目前測(cè)量?jī)x表的存貯和通訊功能只能是個(gè)擺設(shè)。3）大型水電站的建設(shè)施工期比較的長(zhǎng)，儀器安裝的數(shù)量多、品種多。儀器的生產(chǎn)廠家、安裝人員、安裝時(shí)間、安裝部位、儀器類型、儀器名稱、儀器編號(hào)、儀器系數(shù)以及儀器基準(zhǔn)值等原始資料，可能會(huì)隨著時(shí)間的推移、安裝記錄人員的流動(dòng)很難追溯，對(duì)日后數(shù)據(jù)整理解析大壩運(yùn)行狀態(tài)帶來(lái)不便。    

2 具有智能識(shí)別功能的大壩監(jiān)測(cè)傳感器

大壩監(jiān)測(cè)傳感器智能識(shí)別技術(shù)就是將傳感器的儀器名稱、儀器類型、出廠編號(hào)、標(biāo)定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)寫進(jìn)智能識(shí)別芯片，相當(dāng)每個(gè)傳感器都攜帶有電子身份證。具有智能識(shí)別采集系統(tǒng)的讀數(shù)儀在測(cè)量時(shí)，首先讀取智能識(shí)別芯片內(nèi)的信息，當(dāng)需要存貯測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)是自動(dòng)排列在傳感器的編號(hào)及系數(shù)后。這樣測(cè)量數(shù)據(jù)不管存貯在讀數(shù)儀中或傳輸給計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)不會(huì)混亂，測(cè)量時(shí)也不需要再另記錄電纜上的傳感器編號(hào)，只要將測(cè)量數(shù)據(jù)存入讀數(shù)儀就一定與本支傳感器是對(duì)應(yīng)的。如遇多支傳感器電纜被剪斷，只要將每支傳感器測(cè)量一遍，就自動(dòng)識(shí)別出了每支傳感器所對(duì)應(yīng)編號(hào)。

3智能識(shí)別大壩監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

智能識(shí)別傳感器有4部分組成：傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉(zhuǎn)換為電量的敏感元件、智能識(shí)別電路、信號(hào)傳輸部件。傳感器本體及密封系統(tǒng)部件、物理量轉(zhuǎn)換為電量的敏感元件及信號(hào)傳輸部件在長(zhǎng)期的使用生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)非常成熟，智能識(shí)別傳感器就是在原有傳感器中加裝智能識(shí)別電路。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)已有的智能識(shí)別傳感器在信號(hào)讀取中需要2芯電纜，加上原有的物理量轉(zhuǎn)換為電量的信號(hào)電纜需要6或7芯電纜線才能滿足其信號(hào)的讀取，識(shí)別電路復(fù)雜線路板大無(wú)法植入現(xiàn)有傳感器狹小的空間，信號(hào)傳輸距離近等問(wèn)題，研制的智能識(shí)別傳感器要用在大壩監(jiān)測(cè)工程上必須解決以上問(wèn)題。

3.1線纜芯數(shù)不變

智能識(shí)別傳感器要使原有的測(cè)量線纜芯數(shù)不變，許多工程在土建施工中都大量預(yù)埋了電纜，這樣設(shè)計(jì)可以減少工程電纜成本，同時(shí)改造工程不需要另?yè)Q電纜。我公司研制的智能識(shí)別芯片是專為植入小巧傳感器而設(shè)計(jì)的，因并接在了傳感器溫度電阻上，所以讀取時(shí)與溫度測(cè)量共用兩芯線，解決了智能識(shí)別芯片讀取需要多加電纜芯數(shù)的問(wèn)題。

3.2識(shí)別電路可靠

大壩監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)必須遵循組成部件在滿足其使用性能的條件下元器件和機(jī)械部件越少越可靠的原則，葛南公司研制的傳感器智能識(shí)別電路大小約為0.4平方厘米，電路大量減化了外部元件的數(shù)量，提高了識(shí)別電路的可靠性。 智能識(shí)別電路圖1

圖1 智能識(shí)別讀寫示意圖

3.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)

智能識(shí)別電路采用進(jìn)口芯片綁定，讀寫次數(shù)≥100000次，可植入儀器名稱、儀器類型、出廠編號(hào)、標(biāo)定系數(shù)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)，植入數(shù)據(jù)可保存時(shí)間≥10年，可在惡劣的環(huán)境中使用，數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定不丟失，滿足大壩長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的使用要求。

3.4連續(xù)識(shí)別

智能識(shí)別芯片喚醒時(shí)間≤3ms，寫讀間隔≤8ms，可進(jìn)行單次識(shí)別、連續(xù)識(shí)別，解決了自動(dòng)或手動(dòng)集線箱讀取時(shí)快速切換的問(wèn)題。

3.5讀取電纜距離長(zhǎng)

特設(shè)的寄存器對(duì)前端儀器參數(shù)進(jìn)行控制，使得每一次應(yīng)用的總讀取距離最大化。由于有專設(shè)的讀取程序(下行鏈路，從讀取器到智能識(shí)別芯片)，讀取距離達(dá)到800米以上，基本滿足大型水電工程傳感器長(zhǎng)電纜傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.5可重復(fù)擦除和寫入

用戶可以用專用的編程器將自己重新檢驗(yàn)的傳感器標(biāo)定系數(shù)、溫度修正系數(shù)以及設(shè)計(jì)編號(hào)等寫入智能識(shí)別芯片，有效解決了一次寫入無(wú)法修改的問(wèn)題，方便用戶隨時(shí)更新儀器參數(shù)，提高了智能識(shí)別功能的可使用的交互性。

4智能識(shí)別采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能識(shí)別采集系統(tǒng)就是在原有采集系統(tǒng)中增加讀取識(shí)別芯片中的傳感器各項(xiàng)參數(shù)及編號(hào)的功能，將讀取到的傳感器參數(shù)及識(shí)別出的傳感器類型進(jìn)行公式對(duì)應(yīng)，并根據(jù)該傳感器的各項(xiàng)參數(shù)、對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式、傳感器輸出的電量直接可以計(jì)算出實(shí)際物理工程值。

4.1讀取識(shí)別芯片

智能識(shí)別采集系統(tǒng)在單支儀器逐個(gè)測(cè)量時(shí)，首先讀取智能傳感器識(shí)別芯片內(nèi)傳感器的各項(xiàng)參數(shù)及編號(hào)。智能識(shí)別采集系統(tǒng)顯示如圖2內(nèi)容為：A為存貯單元、0048為序號(hào)、SA5121為傳感器類型及編號(hào)、2008/10/18 10:28為日期和時(shí)間、K=0.4897με/F為傳感器的標(biāo)定系數(shù)、b=13.5με/℃為傳感器的溫度修正系數(shù)、為讀數(shù)儀的在線電壓、200-4840F 為掃頻激勵(lì)范圍、4500.5F為被測(cè)傳感器的頻率摸數(shù)值、R=3k為被測(cè)傳感器溫度計(jì)的類型、25.5℃為被測(cè)傳感器的溫度值。

圖2

智能識(shí)別采集系統(tǒng)在連接自動(dòng)或手動(dòng)集線箱快速切換時(shí)可以設(shè)置連續(xù)快速識(shí)別，其寫讀間隔≤8ms反應(yīng)速度完全可以滿足要求。

4.2快速查詢

智能識(shí)別采集系統(tǒng)在存貯測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)是自動(dòng)排列在傳感器的編號(hào)及系數(shù)后，其與計(jì)算機(jī)通信后數(shù)據(jù)排列為：存貯單元及序號(hào)、儀器名稱、儀器編號(hào)、標(biāo)定系數(shù)、系數(shù)單位、溫度修正系數(shù)、存貯日期及時(shí)間、頻率模數(shù)值、頻率值、溫度值(如圖3)，這樣排列測(cè)量數(shù)據(jù)不管存貯在智能識(shí)別采集系統(tǒng)中或傳輸給計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)不會(huì)混亂，在大壩監(jiān)測(cè)海量的數(shù)據(jù)中分析時(shí)可以任意按儀器名稱、儀器編號(hào)進(jìn)行排序并查詢，節(jié)約了查詢的時(shí)間，解決了因數(shù)據(jù)量過(guò)大無(wú)法快速排序查詢的難題。

注：為具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鳌?/p>

圖3

4.3統(tǒng)計(jì)計(jì)算

智能識(shí)別采集系統(tǒng)先讀取識(shí)別芯片中的傳感器參數(shù)及編號(hào)，即可根據(jù)識(shí)別到的傳感器類型調(diào)用與其對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式，根據(jù)傳感器參數(shù)、計(jì)算公式、傳感器測(cè)出的電量值接計(jì)算出實(shí)際物理工程值。

例如葛南公司生產(chǎn)的智能測(cè)斜儀，其每支傳感器都有獨(dú)立的標(biāo)定系數(shù)，在標(biāo)定過(guò)程中計(jì)算機(jī)與智能識(shí)別芯片組成系統(tǒng)自動(dòng)將儀器名稱、儀器編號(hào)、標(biāo)定后計(jì)算得到的系數(shù)等參數(shù)寫入智能識(shí)別芯片存儲(chǔ)器中，完成傳感器參數(shù)的錄入工作。出廠時(shí)把智能識(shí)別芯片中的傳感器參數(shù)發(fā)給計(jì)算機(jī)，即可完成傳感器的出廠檢驗(yàn)與存檔。

智能測(cè)斜儀在使用中，將具有智能識(shí)別采集系統(tǒng)的讀數(shù)儀開(kāi)機(jī)，讀數(shù)儀先進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后讀取智能識(shí)別芯片中的測(cè)斜儀參數(shù)，進(jìn)入測(cè)斜儀設(shè)定菜單。

GN6158為具有智能識(shí)別采集系統(tǒng)的讀數(shù)儀讀到的該測(cè)斜儀的出廠編號(hào)；設(shè)定日期時(shí)間為當(dāng)前的測(cè)量時(shí)間；設(shè)定孔號(hào)為待測(cè)孔的編號(hào)從01～99備選，設(shè)定孔深為待測(cè)孔的深度從0.5～99.5備選；測(cè)量標(biāo)距為待測(cè)測(cè)斜儀每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量標(biāo)距(L)從0.5～9.5備選；測(cè)量方向?yàn)闇y(cè)斜管有四個(gè)方向?qū)Р?，定義為+A、-A、+B、-B，保存設(shè)定進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)的同時(shí)智能讀數(shù)儀調(diào)用與之相對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式，根據(jù)智能識(shí)別芯片里的儀器參數(shù)與傳感器測(cè)出的電量直接計(jì)算出實(shí)際物理工程值。

顯示屏顯示的測(cè)量菜單：GN6158為智能測(cè)斜儀的編號(hào)；99.5m為當(dāng)前在測(cè)點(diǎn)高程的孔深米數(shù)；+A為當(dāng)前在測(cè)導(dǎo)槽的正方向；+145.05mm為當(dāng)前在測(cè)測(cè)斜儀+A方向測(cè)值經(jīng)計(jì)算后的位移量，單位為mm；-A為當(dāng)前在測(cè)導(dǎo)槽的負(fù)方向；-148.05mm為當(dāng)前在測(cè)測(cè)斜儀-A方向測(cè)值經(jīng)計(jì)算后的位移量，單位為mm；-/2=+146.55mm為測(cè)斜儀測(cè)量值差的一半，有效位移值；+/2=-1.5mm為測(cè)斜儀測(cè)量值和的一半，理論鉛垂線值。由下至上進(jìn)行測(cè)量，每按一次線控開(kāi)關(guān)(或存貯鍵)當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)存貯一次，同時(shí)孔深遞減一個(gè)設(shè)定的測(cè)量標(biāo)距，存貯器序號(hào)加1。將智能讀數(shù)儀存儲(chǔ)數(shù)據(jù)直接傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)位移量數(shù)據(jù)繪制管形圖，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量工作無(wú)紙化，也方便測(cè)量數(shù)據(jù)的快速查詢統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

葛南公司2007年開(kāi)始研制大壩監(jiān)測(cè)傳感器智能識(shí)別系統(tǒng)，2008年起公司將所有傳感器加裝智能識(shí)別芯片，讀數(shù)儀增加智能識(shí)別讀取功能、多弦測(cè)量功能。解決了用戶在測(cè)量時(shí)因測(cè)量數(shù)據(jù)不能隨意快速存貯，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化操作的困難，給大壩監(jiān)測(cè)工作方式帶來(lái)了根本的改變。

至推出大壩監(jiān)測(cè)智能識(shí)別傳感器以來(lái)經(jīng)眾多工程使用，用戶非常歡迎，年銷售智能識(shí)別傳感器近8000支，智能識(shí)別采集系統(tǒng)讀數(shù)儀近400臺(tái)，每年工程應(yīng)用實(shí)例超過(guò)200項(xiàng)，智能識(shí)別技術(shù)得到了市場(chǎng)的認(rèn)可。

5結(jié)語(yǔ)

大壩及巖土工程監(jiān)測(cè)儀器大多都使用在國(guó)計(jì)民生的大型重點(diǎn)工程上，要使測(cè)量工作真正做到無(wú)紙化快速測(cè)量存貯，減輕測(cè)量人員的負(fù)擔(dān)和減少記錄失誤，使用傳感器智能識(shí)別技術(shù)將是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。采用智能識(shí)別技術(shù)的傳感器，可以省去大量的人工操作，解決了因傳感器標(biāo)簽?zāi)p、丟失、電纜被剪斷導(dǎo)致傳感器因參數(shù)不可知、身份不明而成為廢品的問(wèn)題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及大壩監(jiān)測(cè)專業(yè)需要更智能的傳感器將會(huì)不斷推新，市場(chǎng)前景非常廣闊。智能識(shí)別技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大量應(yīng)用到傳感器中，推進(jìn)更智能的網(wǎng)絡(luò)傳感器的研發(fā)和普及，將是大壩監(jiān)測(cè)技術(shù)的一次革命。

參考文獻(xiàn)：

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