2.2 监测仪器设备

2.2.1 监测仪器设备的基本要求

用于水工安全监测的仪器设备所处的工作环境大都比较恶劣，有的仪器设备暴露在边坡上，常年风吹日晒；有的仪器设备深埋于地下几十米甚至上百米的坝体或地基中；有的仪器设备长期处于潮湿的工作环境或位于较深的水下。大部分监测仪器设备埋设完成后就无法进行修复或更换。因此，除了必须具备良好的技术性能，满足必要的使用功能外，通常设计制造时还需要满足下列基本要求：

（1）高可靠性。监测仪器设备设计时应周密、审慎，生产时采用高品质元器件和材料，期间严格进行质量控制，保证仪器设备安装埋设后具有较高的完好率。

（2）长期稳定性好。监测仪器零漂、时漂与温漂满足设计和使用规定的要求，一般有效使用寿命不低于15年。

（3）精度较高。监测仪器必须满足安全监测实际需要的精度，有较高的分辨力和灵敏度，有较好的直线性和重复性，观测数据可能受到长距离和环境温度变化的影响，但这种影响造成的测值误差应易于消除，仪器设备的综合误差一般应控制在2%F·S以内。

（4）耐恶劣环境。监测仪器可在温度25～80℃，相对湿度95%以上的条件下长期运行，设计有防雷击和过载保护装置，耐酸、耐碱、抗腐蚀。

（5）密封耐压性好。监测仪器防水、防潮密封性良好，绝缘度满足要求，在水下工作时能承受设计规定的水压力。

（6）操作简单。监测仪器埋设、安装、操作方便，容易测读。普通工作人员经过短暂培训就能掌握使用。

（7）结构牢固。能够耐受运输时的振动和在工地现场埋设安装时可能遭受的碰撞、倾倒。在混凝土振捣或土层碾压时不会损坏。

（8）性价比高。在满足相关的技术要求的条件下，仪器设备的采购价格、维护费用、安装费用、配套的测读仪表、传输信号的电缆等直接和间接费用应尽可能低廉。

（9）能够实现自动化测量，自动化监测系统容易配置。

2.2.2 监测仪器设备分类

监测仪器的分类方法目前常用的有：按传感器分类、按监测物理量分类和按型谱分类。

（1）按传感器分类。监测仪器按传感器分类可以分为：钢弦式、差动电阻式、电感式、电容式、压阻式、电位器式、热电耦式、光栅光纤、电阻应变片式、伺服加速度式、电解质式、磁致伸缩式、气压式等。目前，比较常用的是钢弦式和差动电阻式仪器。

（2）按监测物理量分类。监测仪器按监测物理量分类可以分为：变形监测仪器；应力、应变及温度监测仪器；渗流监测仪器；动力学监测仪器；水力学监测仪器等。

1）变形监测仪器主要有：表面变形监测仪器和内部变形监测仪器。表面变形监测仪器主要包括水准仪、全站仪、GPS等；内部变形监测主要包括沉降仪、静力水准仪、引张线式水平位移计、垂线坐标仪、激光准直、高程传递仪、滑动测微仪、多点位移计、测缝计、测斜仪、基岩变形计、裂缝计、位错计、收敛计、倾角计等。与表面变形监测配套的监测设备有变形观测墩、水准点等，变形观测墩上安装有强制对中基座，水准点上安装有水准标芯，便于高精度测量。

2）应力、应变及温度监测仪器主要有：无应力计、应变计（组）、钢筋应力计、锚杆应力计、锚索测力计和土压力计等；温度监测主要为温度计。每一类仪器因使用的传感器不同，可分很多种。如锚杆应力计，又可分为钢弦式锚杆应力计、差动电阻式锚杆应力计、电感式锚杆应力计以及光线光栅式锚杆应力计等。

3）渗流监测仪器主要有：测压管、孔隙水压力计（渗压计）、水位计和量水堰等，其中量水堰主要监测渗漏量。

4）动力学监测仪器主要有：加速度计、加速度计和动态电阻应变片等，用于监测水工建筑物在爆破、地震、动载等作用下的振动效应。

5）水力学监测仪器主要有：脉动压力计、水听器和流速仪，用于监测水流流态、时均压力、脉动压力、流速及水工建筑物在高速水流作用下的振动情况。

（3）型谱分类。根据混凝土坝监测仪器型谱可分为变形监测仪器、渗流监测仪器、应力应变及温度监测仪器、测量仪表及数据采集装置。其中变形监测仪器有：测斜仪、倾斜仪、位移计、收敛计、滑动测微计、测缝计（表面）、多点位移计、垂线坐标仪、引张线仪、激光准直位移测量系统、静立水准仪和光学测量仪器等；渗流监测仪器主要有：渗压计、测压管水位计、压力表和量水堰渗流量监测仪等；应力应变及温度监测仪器主要有应变计、温度计、混凝土应力计、钢筋应力计、锚杆应力计和锚索测力计等。

2.2.3 传感器工作原理

以下重点对目前常用的如差动电阻式、振弦式、电感式、电容式及光纤光栅传感器等工作原理进行介绍。

（1）差动电阻式传感器。差动电阻式传感器习惯上又称卡尔逊式仪器。这种仪器利用张紧在仪器内部的弹性钢丝作为传感元件，将仪器受到的物理量转变为模拟量。

当钢丝受到拉力作用而产生弹性变形，其变形与电阻变化之间关系用式（2-1）计算：

式中 R——钢丝电阻，Ω；

ΔR——钢丝电阻变化量，Ω；

L——钢丝长度，m；

ΔL——钢丝长度变化量，m；

λ——钢丝电阻应变灵敏系数。

利用式（2-1），可通过测定电阻变化来求得仪器承受的变形，差动电阻式仪器原理见图2-1。

由图2-1所知，在仪器内部绕着电阻值相近的直径仅为0.04～0.06mm的电阻钢丝R₁和R₂，通过其受力前后两电阻比值，反应仪器的受力情况。其计算见式（2-2）～式（2-4）：

式中 Z₁——受外力作用前电阻比，×10^-6；

R ₁、R₂——仪器电阻，Ω。

式中 Z₂——受外力作用后电阻比，×10^-6；

R ₁、R₂——仪器电阻，Ω；

ΔR₁、ΔR₂——受外力作用后仪器电阻的变化值，Ω。

图2-1 差动电阻式仪器原理示意图

由于R₁≈R₂≈R，|ΔR₁|≈|ΔR₂|≈|ΔR|。因此，电阻比的变化量为：

式中 Z₁、Z₂——受外力作用前后后电阻比，×10^-6；

ΔZ——受外力作用前后后电阻比变化值，×10^-6；

R ₁、R₂——仪器电阻，Ω；

ΔR₁、ΔR₂——受外力作用后仪器电阻的变化值，Ω。

此外，仪器电阻值随温度而变化，一般在-50～100℃范围内，其用式（2-5）计算。

式中 T——温度，℃；

R ₀、R_T——0℃和T℃时仪器电阻，Ω；

α、β——钢丝电阻一次与二次温度系数，一般取2.89×10^-3/℃及2.2×10^-6/℃。

式（2-5）关系为二次曲线，为简化计算，一般采用零上、零下两个近似直线进行拟合，其用式（2-6）、式（2-7）计算：

式中 R₀、R_T——0℃和T℃时仪器电阻，Ω；

a′——0℃以上时的温度系数，℃/Ω；

a″——0℃以下时的温度系数，℃/Ω，a″≈1.09a′。

由上述可知，在仪器的观测数据中，包含着有外力作用引起的Z和由温度变化引起的T两种因数，所要观测的物理量P是Z和T的函数，即P=ψ（Z，T），其计算为式（2-8）：

式中 f——仪器最小读数，10^-6/0.01%；

b——仪器温度补偿系数，10^-6/℃；

ΔT——仪器温度变化量，℃；

ΔZ——仪器电阻比变化量。

（2）振弦式传感器。振弦式仪器中的关键部件为一张紧的钢弦，它与传感器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量，钢弦式仪器原理见图2-2。

图2-2 钢弦式仪器原理图

1—夹线器；2—钢弦；3—电磁铁

钢弦自振频率与钢弦所受应力的关系为式（2-9）：

式中 f——钢弦自振频率，Hz；

L——钢弦长度，m；

σ——钢弦所受的应力，MPa；

ρ——钢弦材料的密度，kg/m³。

由式（2-9），若以钢丝的应变表示，其计算为式（2-10）：

式中 E——钢弦材料的弹性模量，MPa；

ε——钢弦的应变，×10^-6；

f——钢弦自振频率，Hz；

L——钢弦长度，m；

ρ——钢弦材料的密度，kg/m³。

由此可以简化为式（2-11）：

式中 E——钢弦材料的弹性模量，MPa；

ε——钢弦的应变，MPa；

f——钢弦自振频率，Hz；

L——钢弦长度，m；

ρ——钢弦材料的密度，kg/m³。

当仪器材料、钢丝长度确定后，K=4L²ρ/E为常数，所以钢弦式仪器所测应变量与弦的自振频率的平方呈线性关系。由于钢弦式传感器的钢弦是在一定初始应力下张紧，其初始自振频率为f₀，发生应力变化后的自振频率为f，可得出式（2-12）：

式中 ε——钢弦的应变，MPa；

f——钢弦自振频率，Hz；

f ₀——钢弦初始自振频率，Hz。

（3）电感式传感器。电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈的电感变化来实现非电量电测的传感器，它可以把输入的各种机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、相对密度等参数转换成电量输出，实现信息的远距离传输、记录、显示和控制。根据工作原理的不同，电感式传感器可分为变磁阻式（自感式）传感器、差动变压器式或涡流式（互感式）传感器等。

1）变磁阻式（自感式）传感器。电感式传感器的结构形式多种多样，包括线圈、铁芯和衔铁3部分，变磁阻式传感器结构见图2-3。

电感式传感器的铁芯和活动衔铁均由导磁材料如硅钢片或镀膜合金制成，可以是整体的或者叠片的，衔铁或铁芯之间有空气间隙δ。当衔铁移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化，这种电感的变化与衔铁位置即气隙大小相对应。因此，只要能测出这种电感量的变化，就能判定出衔铁位移量的大小。电感式传感器就是具有这种原理设计制作的。

图2-3 变磁阻式传感器结构示意图

根据电感的定义，设电感传感器的线圈匝数为W，则线圈的电感量L为，其关系按式（2-13）、式（2-14）计算：

式中 Ф——磁通，Wb；

I——线圈中的电流，A；

R_F——铁芯磁阻，H^-1；

R_δ——空气间隙磁阻，H^-1。

R_F和R_δ按式（2-15）、式（2-16）计算：

式中 l₁——磁通通过铁芯的长度，m；

l ₂——磁通通过衔铁的长度，m；

S ₁——铁芯横截面积，m²；

S ₂——衔铁横截面积，m²；

μ ₁——铁芯在磁感应值为B₁时的导磁率，H/m；

μ ₂——衔铁在磁感应值为B₂时的导磁率，H/m；

δ——气隙长度，m；

S——气隙截面积，m²；

μ ₀——空气导磁率，4π×10^-7H/m。

其中，μ₁、μ₂的计算为式（2-17）：

式中 B——磁感应强度，T；

H——磁场强度，A/m；

μ ₁——导磁率，H/m。

由于电感式传感器采用的道磁材料一般都工作在非饱和状态下，其导磁率μ₀数千倍甚至数万倍，因此导磁率R_F和空气隙磁阻率R_δ相比非常小，常常可以忽略不计。这样，电感量L按式（2-18）计算：

式（2-18）中，线圈匝数W和空气隙率μ₀是固定的，当气隙截面积S或者气隙长度δ发生变化时，会引起电感量L的变化，从而可以测得位移量或角位移量。

2）差动变压器式或涡流式（互感式）传感器。通过利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。差动变压器式传感器的结构型式有变隙式、变面积式和螺线管式等。

传感器由初级线圈ω和两个参数完全相同的次级线圈ω₁、ω₂组成。线圈中心插入圆柱形铁芯p，次级线圈ω₁、ω₂反极性串联。当初级线圈ω加上交流电压时，如果e₁=e₂，则输出电压e₁=0；当铁芯向上运动时，e₁>e₂；当铁芯向下运动时，e₁<e₂。铁芯偏离中心位置愈大，e₀愈大。差动变压器式传感器结构见图2-4。

图2-4 差动变压器式传感器结构示意图

图2-5 平板电容器示意图

（4）电容式传感器。电容式传感器是指能将被测物理量转化为电容变化的一种传感元件。众所周知，电容器的电容是构成电容器的两极板形状、大小、相互位置、电介质的介电常数的函数。

对于最简单的平板电容器见图2-5，其电容量C计算为式（2-19）：

式中 ε——介质的介电常数，F/m；

S——极板的面积，m²；

d——极板间距离，m。

如将一侧极片固定；另一侧极片与被测物体相连，当被测物体发生位移时，将改变两极片间电容的大小。通过一定测量线路将电容转换为电信号输出，即可测定物体位移的大小。将两个结构完全相同的电容式传感器共用一个活动电极，即组成差动电容式传感器。

对于圆筒形电容器见图2-6，其电容量C计算为式（2-20）：

式中 L——圆筒长度，m；

R_A、R_B——半径，m。

图2-6 圆筒形电容器示意图

图2-7 光纤光栅传感器工作原理图

（5）光纤光栅传感器。光纤光栅式传感器（optical grating transducer）指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。其主要原理如下：光栅是在一块长条形的光学玻璃（或光纤）上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/mm。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图2-7）。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。

光纤光栅主要分两大类：一是Bragg光栅（也称反射或短周期光栅，布拉格光栅）；二是透视光栅（也称长周期光栅）。光纤光栅从结构上可以分为周期性结构或费周期性结构，从功能上还可以分为滤波形光栅和色散补偿形光栅，色散补偿形光栅是非周期光栅，又称光栅（Chirp光栅）。

Bragg光栅条件：满足λB=2nΛ的波长就被光纤光栅所反射回去（其中λB为光纤光栅的中心波长；Λ为光栅周期；n为纤芯的有效折射率），见图2-8。

图2-8 Bragg光栅示意图

当光波传输通过Bragg光栅时，满足Bragg条件的光波将被反射回来，这样入射光就分成透射光和反射光。Bragg光栅的反射波长或透射波长取决于反向耦合模的有效折射率n和光栅周期Λ，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移，测量此漂移量就可直接或间接地感知外界物理量的变化，其原理见图2-9。

图2-9 Bragg光栅原理图

在只考虑光纤受到轴向应力的情况下，应力对光纤光栅的影响主要体现在两方面：热光效应使折射率改变，热膨胀效应使光栅周期改变。当同时考虑应变与温度时，弹光效应与热光效应共同引起折射率的改变，应变和热膨胀共同引起光栅周期的改变。假设应变和温度分别引起Bragg波长的变化是相互独立的，则两者同时变化时，光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为式（2-21）：

式中 α_f——光纤的热膨胀系数，m/K；

ξ——光纤材料的热光系数，m/K；

P_e——光纤材料的弹光系数，m/K。

理论上只要测到两组波长变化量就可同时计算出应变和温度的变化量。对于其他的一些物理量，如加速度、振动、浓度、液位、电流、电压等，都可以设法转换成温度或应力的变化，从而实现测量。