基于AVR和振弦式滲壓計(jì)的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于AVR和振弦式滲壓計(jì)的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)要介紹了振弦式滲壓計(jì)的原理、數(shù)學(xué)模型以及ATmega128單片機(jī)的特性，運(yùn)用單片機(jī)的輸入捕捉和ADC功能并結(jié)合軟件設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的激振和測(cè)頻方法進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)提出了一種簡(jiǎn)單易行的防雷擊電路。本洲頻系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、信號(hào)靈敏度高等特點(diǎn)，提高了測(cè)量計(jì)算準(zhǔn)確度，對(duì)大壩安全性監(jiān)測(cè)提供了幫助。
關(guān)鍵詞：振弦式滲壓計(jì)；ATmega128；防雷擊電路；輸入捕捉；ADC

滲流監(jiān)測(cè)是大壩安全監(jiān)測(cè)中的重要項(xiàng)目之一，為了全面地分析大壩在運(yùn)行期間的安全性，必須進(jìn)行滲流量的觀測(cè)，同時(shí)還應(yīng)觀測(cè)滲水的溫度。由于振弦式滲壓計(jì)具有分辨率高、不受降雨干擾、無淤堵等優(yōu)點(diǎn)，所以近年來在大壩滲壓監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。文中提出了以AVR單片機(jī)為核心的簡(jiǎn)單有效的大壩滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其中部分模塊進(jìn)行了改進(jìn)。

1 振弦式滲壓計(jì)
1．1 振弦式滲壓計(jì)結(jié)構(gòu)與原理
本文采用的是VWP型振弦式滲壓計(jì)，它由透水板、感應(yīng)膜、密封殼體、振弦及激振電磁圈等組成。儀器中有一個(gè)靈敏的不銹鋼膜片，在它上面連接振弦，如圖1所示。當(dāng)被測(cè)水壓作用膜片上時(shí)，將引起彈性膜板的變形，其變形帶動(dòng)振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。使用時(shí)，通過對(duì)電磁線圈加載適當(dāng)?shù)碾娏鲗?shí)現(xiàn)激振過程，激振完成后，切斷對(duì)線圈的供電，同時(shí)將線圈接入測(cè)量電路中，通過拾取線圈中的感生電動(dòng)勢(shì)來獲得振弦的固有頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)設(shè)備，即可測(cè)出水荷載的壓力值，同時(shí)可測(cè)出埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。

1．2 振弦式滲壓計(jì)的數(shù)學(xué)模型
對(duì)于圖1所示的振弦式滲壓計(jì)，當(dāng)振弦受張力T作用時(shí)，其等效剛度發(fā)生變化，振弦的諧振頻率f為：

式中，p-振弦的線密度(tex，ltex=g／km)；l-振弦的有效振動(dòng)長(zhǎng)度(m)。
本文采用的是單根振弦的滲壓計(jì)，根據(jù)其輸出特性，計(jì)算公式如下：

式中，Pm為滲透壓力；k為滲壓計(jì)的測(cè)量靈敏度；fo為基準(zhǔn)頻率值；f實(shí)測(cè)頻率值；b為溫度修正系數(shù)；T為實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度值；T0為溫度的基準(zhǔn)值；Q為大氣壓修正系數(shù)，對(duì)于密封腔與大氣壓溝通的儀器，Q恒為0。
假設(shè)不考慮大氣壓力影響，當(dāng)外界溫度恒定時(shí)，滲透壓力與頻率平方差成正比；當(dāng)滲壓增量恒定時(shí)，滲透壓力與頻率平方差成正比，這個(gè)輸出量?jī)H僅是由溫度變化而造成的，與溫度增量成線性關(guān)系，即，于是溫度修正系數(shù)，如果不考慮溫度增量的影響，這個(gè)輸出的變化就是溫度變化引起的系統(tǒng)誤差。本系統(tǒng)中采用的滲壓計(jì)k=0．1105，b=0．3042。