大壩安全監(jiān)測(cè)中傳感器的發(fā)展與應(yīng)用

王強(qiáng)

[摘 ?要]大壩安全監(jiān)測(cè)在工程施工與維護(hù)中占有重要地位，大壩監(jiān)測(cè)水平的提升與其相關(guān)技術(shù)的更新密不可分。大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求極高的精密度，從而能夠精確檢測(cè)出大壩微小的物理差，其則需要借助檢測(cè)儀器，其中傳感器技術(shù)的先進(jìn)水平是支持大壩安全監(jiān)測(cè)一體化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。本篇論文就是針對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)中傳感器的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞]大壩 ?安全監(jiān)測(cè) 傳感器

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）27-0381-01

大壩是一個(gè)復(fù)雜的建筑工程，其需要投入大量的資金與人力，當(dāng)然其產(chǎn)生的功效也十分巨大，其過程中一個(gè)細(xì)微的失誤都會(huì)造成今后巨大的隱患，因此大壩工程的安全監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，其隨時(shí)掌握大壩工程的施工狀態(tài)，從而確保工程質(zhì)量水平。

一、 傳感器的研究發(fā)展

傳感器是將物理量、化學(xué)量或生物量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件，其輸出有電壓、電流、頻率等形式的信號(hào)。目前傳感器是向微型化、智能化、多功能化、綜合化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，傳感器的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是利用新現(xiàn)象。傳感器的發(fā)展需要不斷發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，并加以利用，是研究傳感器的重要內(nèi)容;例如高溫超導(dǎo)磁性傳感器，，其靈敏度僅次于超導(dǎo)量子干涉器件，但是其制作工藝遠(yuǎn)簡(jiǎn)易于超導(dǎo)量子;二是利用新材料。傳感器技術(shù)對(duì)新材料的研發(fā)是其主要內(nèi)容之一，研究新型傳感器。例如光導(dǎo)纖維能材料制作壓力、流量、溫度等多種傳感器;三是利用微機(jī)機(jī)械加工技術(shù)。利用半導(dǎo)體氧化、光刻、擴(kuò)散等加工技術(shù)制作傳感器，例如硅微傳感器就是利用半導(dǎo)體加工技術(shù)制成;四是集成傳感器。集成傳感器突破傳統(tǒng)傳感器的功能，將輔助電路集成，使其具有校準(zhǔn)、補(bǔ)償或網(wǎng)絡(luò)通訊等輔助功能;五是智能化傳感器。智能化傳感器是微型處理器與傳感器的有機(jī)結(jié)合，使傳感器具有檢測(cè)、判斷和信息處理功能。

二、 大壩安全監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀以及發(fā)展

目前我國(guó)大壩監(jiān)測(cè)主要包括大壩變形監(jiān)測(cè)和大壩滲流監(jiān)測(cè)倆方面的內(nèi)容，變形監(jiān)測(cè)包括表面變形、內(nèi)部變形、裂縫和岸坡位移等;滲流監(jiān)測(cè)包括滲流壓力、滲流量及浸潤(rùn)線等;壓力監(jiān)測(cè)包括孔隙水壓力、土壓力、揚(yáng)壓力、混凝土應(yīng)力等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大壩安全檢測(cè)技術(shù)也逐漸向一體化、智能化的方向發(fā)展，利用分布式結(jié)構(gòu)、智能節(jié)點(diǎn)技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合技術(shù)，建立完善的大壩安全檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)大壩變化狀況的實(shí)施監(jiān)控。

三、 傳感器在大壩監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1. 傳感器在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

大壩變形主要指大壩整體或局部位置隨著時(shí)間的流逝而發(fā)生一定程度的變化，其監(jiān)測(cè)方法主要分為水平位移監(jiān)測(cè)和垂直位移監(jiān)測(cè)，目前我國(guó)工程中主要采用新型步進(jìn)式變形監(jiān)測(cè)儀STC-50型坐標(biāo)儀或SWT50型引張線遙測(cè)儀，并且還出現(xiàn)GPS水平位移監(jiān)測(cè)或垂直位移監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)。我們以引線張遙測(cè)技術(shù)和GPS技術(shù)為例簡(jiǎn)要介紹傳感器在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

引線張遙測(cè)技術(shù)測(cè)量壩體的水平位移，其設(shè)備具有設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量便捷、效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，其被廣泛應(yīng)用于我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)體系中。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，引線張遙測(cè)技術(shù)引進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)，如電容感應(yīng)式引張線儀、CCD式引張線儀等。但是該技術(shù)不適合溫度變化幅度大的北方，其技術(shù)已經(jīng)被真空激光準(zhǔn)取代。

GPS技術(shù)具有體積小、測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，并且該技術(shù)不易受到外部環(huán)境的影響，例如溫度、濕度、粉塵等因素，因此該技術(shù)十分受到野外工作者的歡迎。GPS技術(shù)在工作過程具有很強(qiáng)的抗干擾能力、較高的監(jiān)測(cè)精度和處理數(shù)據(jù)水平，能夠?qū)崿F(xiàn)3D變形，其除了監(jiān)測(cè)大壩變形的功效外，還具有防洪減災(zāi)的作用。

2. 傳感器在大壩滲流監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

滲流是大壩事故的主要原因之一，滲流也是大壩安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，其中凝土土壩滲流監(jiān)測(cè)主要包括揚(yáng)壓力和滲流量監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面，傳感器在大壩滲流監(jiān)測(cè)中起到重要作用。例如壓阻傳感器的應(yīng)用，壓阻傳感器利用硅半導(dǎo)體材料制成做成敏感元件，由于壓阻效應(yīng)，該半導(dǎo)體電阻可以在水體下測(cè)量水壓變化，該電阻具有高靈敏度、高分辨率、體積小等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測(cè)工程中。

3. 磁致伸縮傳感器在大壩監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

磁致伸縮傳感器的核心材料是帖鎳合金材料，利用磁致伸縮現(xiàn)象，鐵鎳合金的相交點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)變脈沖，磁致伸縮傳感器在大壩監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是大壩整體位移監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。首先是確定大壩兩側(cè)相對(duì)大地靜止的參考點(diǎn)，兩點(diǎn)鏈接為參考線，也是大壩整體位移的參照物。利用磁致伸縮位移傳感器測(cè)量?jī)烧叩南鄬?duì)位移，磁致伸縮傳感器固定在箱子內(nèi)，參考線套管，確保其不受外界的干擾的前提下，套入磁環(huán)，但是磁環(huán)與參考線不接觸。大壩移動(dòng)時(shí)，磁環(huán)的相對(duì)測(cè)桿發(fā)生位移，傳感器立即加工該信號(hào)傳遞給控制室，檢測(cè)人員可以隨時(shí)掌握大壩位移的狀態(tài);二是大壩裂縫監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。大壩是由壩柱和水泥墻組合而成，大壩的樁與水泥墻的地基差較大，經(jīng)過時(shí)間的摧殘，水泥墻與壩柱之間會(huì)形成一定的裂縫。監(jiān)測(cè)大壩裂縫應(yīng)用中磁致伸縮傳感器放置于大壩內(nèi)部通道，根據(jù)實(shí)際情況，一個(gè)通道可以安裝多個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。磁環(huán)固定在水泥墻上，傳感器固定在壩柱上，發(fā)生裂縫時(shí)，磁環(huán)根據(jù)水泥墻發(fā)生位移，傳感器立即將磁環(huán)位移的新位置傳遞給控制室，為監(jiān)測(cè)人員提供最新數(shù)據(jù)。因?yàn)榇髩瘟芽p的位移十分微小，并且該變化也是十分緩慢的過程，磁致伸縮傳感器可以十分精確裂縫的狀況。;四是大壩滲流監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。大壩滲流現(xiàn)象是造成大壩事故的主要原因，因此滲流現(xiàn)象是大壩安全監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容。水庫的建立對(duì)壩體、壩肩和基石造成一定的負(fù)擔(dān)，特別是大壩蓄水產(chǎn)生水壓荷載，在上下游水位差的作用下造成滲流。

結(jié)束語：

綜上所述，傳感器技術(shù)的進(jìn)步是推動(dòng)大壩安全監(jiān)測(cè)先進(jìn)水平的主要?jiǎng)恿χ?，我們主要從大壩變形監(jiān)測(cè)和滲流監(jiān)測(cè)兩方面的內(nèi)容簡(jiǎn)述傳感器在大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且以磁致伸縮傳感器的具體應(yīng)用為例實(shí)際分析傳感器在大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，推動(dòng)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳感器向一體化、自動(dòng)化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等先進(jìn)方向發(fā)展，從而進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)大壩工程的施工水平。

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