自动化监测技术在工程监测中应用

自动化监测技术在工程监测中的应用

彭炎华、杨昌斌

（广州市吉华勘测股份有限公司）

摘要：自动化监测技术是集现代电子技术、通讯技术、计算机技术和工程测试技术为一体的高科技工程安全监测手段，可同时完成对远程监测数据的采集、传输、处理和分析。本文第一部分介绍自动化监测技术原理；第二部分简要介绍了广州市吉华勘测股份有限公司研发的自动化监测系统的思路及工程应用；第三部分探讨了自动化监测技术发展愿景。

关键词：自动化监测灾害预警

一、前言

1、自动化监测技术简介

工程监测预警是工程顺利进行的重要环节，做好监测，防微杜渐，可避免事故的发生。传统的监测手段具有间断性、周期性，无法实时监控工程的安全状态，因此解决任意时间、任意条件下的监测问题才能保证工程处于受控状态，实现真正的安全生产。

自动化监测技术是自动化科学技术的一个重要分支科学，是在仪器仪表的使用、研制、生产的基础上发展起来的一门综合性技术。信息和互联网技术，尤其是传统工程监测的数字化、网络化、智能化和平台集成化，给技术、产品和应用方面带来了巨大变革，为我们推进工程灾害的自动化监测技术发展创造了良好的条件。

自动化监测就是在测量和检测过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动进行并完成的。实现自动化监测可以提高自动化水平和程度，减少人为干扰因素和人为差错，可以提高生产过程或仪器设备的可靠性及运行效率。同时，自动化监测技术可以实现在任意时间、任意条件下开展监测工作，实行24小时安全生产监控。

2、自动化监测技术原理

利用电子技术和通讯技术能解决自动化监测的难题。自动测试、自动传输数据、报警数据自动发送，这样就可直观且实时不间断地掌握工程的实际动态，能为在有安全隐患情况下进行处理提供依据，赢得宝贵时间，也为管理者进行决策提供有力支持，提高工程效益，实现安全生产。在工程建设中，应力应变、相对位移、沉降、温度等参数的监测都可应用传感器技术。

工程传感器分为振弦式、电阻式、陶瓷式、光纤式、电感调频式等多种方式。目前在工程监测中应用较广泛的为振弦式传感器。振弦式传感器的工作原理是（见图1），将传感器两端沿变形方向固定在被测物体的两点上，被测物体的变形传递给两端座间的钢弦2，当测试电流通过感应线圈6时激发钢弦2作单向振动，从而切割磁力线，于是在感应线圈6上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，再与标定值相对应，即可变换为所需测量的物理量，温度传感器4可以测量

温度并进行温度补偿。串行存储芯片5用于存储标定系数和测量数据。

图1 振弦式传感器工作原理示意

自动化监测系统是一套对传感器数据进行自动采集、传输并自动报警的软件系统。按照“实时数据、实时分析、实时管理”的理念，实现对系统设备的监测和管理。系统可通过设置时间段或采集时间间隔采集各种性能数据，为监测单位和设计单位提供分析数据，以便对工程项目进行准确的健康检测。

采用智能传感器和监测系统，可实现应力应变、相对位移、孔隙水压力、土压力、温度等数据的自动化监测，以及基于这些项目(原理)的其他项目的监测（如地下水位、静力水准），大大丰富了监测的范畴与领域。

二、自动化监测系统研发思路

针对市场需求，广州市吉华勘测股份有限公司（简称“吉华公司”）对自动化监测技术进行了进一步研究，开发了远程自动化数据采集系统，并对部分传感器进行了改进。以下介绍吉华公司《基于传感器网络的高智能工程监测系统装置》专利原理。

1、基于传感器网络的高智能工程监测系统装置原理

图2为高智能工程监测系统组成结构示意图。该系统包括用于采集数据的传感器单元1、无线传输单元2和测量监控主机3。传感器单元1的输出端接入所述无线传输单元2的信号输入端，无线传输单元2的输出端连接所述测量监控主机3。其特征在于，传感器单元1包括分布于各待测点的传感器节点，该传感器节点内部设置传感器模块4，传感器模块4包括应变片桥式电路5和单片机6，其中应变片桥式电路5的输出端通过模数转换器7接入单片机6的信号输入端，单片机6连接有存储芯片8以及温度芯片9，可以同时检测该测点的温度以及存储数据。无线传输单元2内部包括TC35模块（该模块运行稳定，且该模块有休眠功能，可以在野外恶劣环境下节省电量），还包括：温度采集电路、存储电路、防雷电路、输入输出电路和时钟同步电路等外围电路，所述单片机6设置有RS232通讯接口10，该RS-232通讯接口10与TC35模块建立物理连接，采用AT命令通过短消息的形式实现数据的传送。

图2 高智能工程监测系统组成结构示意图

图3为传感器模块的工作原理示意图；应变片采集的电压接入到电路中，双极性信号加到单电源模数转换器AD623上，而输入单源电压，AD623 可以去除共模电压并且对输入有用信号放大100 倍。信号再通过AD0的模数转换，通过IIC通信协议与单片机通信将应变电压输入单片机，温度计也通过单片机的一个I/0输入。当单片机采集到应变电压，单片机可以存储芯片上读取标定表，从而计算出形变量。在应变片上的的IN-输入端有接入一个电子电位器,调整其电阻，从而达到调整电桥平衡的效果，保证初始读取电压为零，调零作用。温度计芯片主要提供温度，对监测点上多一个分析的数据。通过监控主机与信号采集单元通信，把标定表给存储在模块的存储芯片呢，每次读取到电压UBD模块的MCU再根据标定计算出物体的微应变。从而可以测量出物体所受的力，或者是所受的压强或者直接测微应变。

图3 传感器模块的工作原理示意图

2、高智能监测系统研发进展

吉华公司研发的自动化监测系统可兼容传感器特点如下：

（1）内置数据存储器

传感器内置1600条以上数据存储空间，数据循环记录，可随时从传感器中下载相关纪录。在其他载体的数据资料丢失时，确保原始资料的安全。

（2）内置电子标签

传感器内置电子标签，包含产品规格、型号、参数、生产日期等信息。用户还可自行设置传感器的自编号（如安装位置）等内容，方便用户快捷、准确地识别和定位传感器。

（3）环境适应性强

产品进行严格的防潮、防霉处理，可耐冷热冲击、耐老化、耐振动。

吉华公司研发的远程自动化数据采集系统、自动化监测系统可兼容传感器符合当前形势发展，其他厂家传感器可通过外接处理器的方式与吉华公司研发的自动化监测系统兼容（见表1）。

表1 采集系统可兼容的传感器类型

吉华公司开发的高智能监测系统见下图：

图4 高智能监测系统

3、自动化监测技术发展主要面临的变局

目前自动化监测技术发展主要面临如下三大环境变局。

（1）标准缺位：自动化监测技术涉及远程自动化数据采集和处理。远程自动化数据采集和处理一般包括前端、传输和后台存储管理等三部分，目前尚未有统一的标准和规范出台为远程自动化数据采集手段正名。此外，各厂商生产的产品间对接还远不顺畅。

（2）数模混搭：远程数据采集系统应用在新项目中成长很快，但很多改造项目还处在传统模数混合监测与基于IP 的网络监控并存的状态。虽然监测网络化已是大势所趋，但我国许多传统的模拟监测还会存在一段时间。模拟与数字混搭，并不是简单地将两个监控网络联接到一起。如果模拟不能够与网络进行无缝联接，对新老系统都将产生破坏。在行业应用方面，由于各个行业应用和业务需求不同，导致差别比较大。

（3）应用滞后：数字内容管理和智能技术的发展，给远程自动化数据采集系统的应用提供了广阔的范围，如对多媒体内容的搜索，可以更快速地对内容和时间进行定位。利用智