硕士学位论文大坝安全监测自动化测控装置的研制.doc
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1、分类号 密级 UDC 编号 10486 武 汉 大 学硕 士 学 位 论 文大坝安全监测自动化测控装置的研制研究生姓名:指导教师姓名、职称:学科专业名称:电力系统及其自动化研究方向:电力系统在线监测The Research and Development of New Automation Measurement and Control Equipment for Dam Safety MonitoringLI Hongling武汉大学电气工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的申请硕士学位的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文
2、不包括任何其他人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密 ,在 年解密后适用本授权书。不保密。(请在以上相应方框内打“”)作者签名: 日期: 年 月 日导师签名: 日
3、期: 年 月 日摘要大坝失事将造成不可挽回的损失,直接危及大坝下游人民生命财产的安全,因此,确保大坝安全运行十分重要。大坝安全自动化监测系统是监测大坝工程安全、提高设计水平和改进施工方法的行之有效的手段,对大坝安全实行自动化监测势在必行。本文进行了大坝安全自动化监测系统的研究,设计研制了一种新型的大坝安全自动化测控装置。本大坝安全监测自动化系统设计采用分布式数据采集方式,主要由监测传感器、测控装置及监控主机三部分组成。监测传感器用于实时监测大坝的各种应力、渗流、变形以及环境量等的变化。测控装置则完成对所连接的各类监测传感器的输出信号进行采集、处理和存储,并实现与监控主机的通信等。监控主机对测控
4、装置上传的资料进行运算处理,进一步分析大坝的运行状态,以有效地评估大坝的安全状况。大坝安全监测自动化系统的监测项目和监测传感器繁多,为满足通用性的要求,本测控装置选取了具有代表性的几种监测传感器或仪器进行监测,主要有:差动电阻式传感器、振弦式传感器、静力水准仪、垂线坐标仪以及压阻式水位传感器等。文中详细介绍了所选传感器或仪器的监测项目及工作原理,并针对所选监测传感器的输出信号,设计了相应的接口电路及信号处理方法。在此基础上,从工程应用的角度对测控装置进行了总体设计,包括硬件处理电路和测量运算程序。大坝安全监测系统分布范围广,测控装置工作环境恶劣,易受多种干扰的影响。因此,在测控装置的开发过程中
5、,对测控系统可能受到的干扰和干扰的途径进行了分析,设计在装置的硬件和软件方面采取了防雷、抗干扰、防潮、温度补偿等多种有效措施,全面提高装置的可靠性和精确性。关键词:传感器;大坝;安全监测;自动化;抗干扰AbstractDam wreckage will cause tremendous damage, doing harm to peoples life and property, so it is very important to keep dam safely running. The automation system for dam safety monitoring is effe
6、ctive method, which can supervise dam security, improve the level of design, and advance construction technique, so it is imperative to carry out dam safety monitoring under the situation. The automation system for dam safety monitoring is researched in this paper, and new automation measurement and
7、 control equipment is researched and developed.The automation system for dam safety monitoring, which is adopted the principal and subordinate distributed network, is composed of the transducers, the intelligent measurement and control equipments, and the host computer. The transducers are used to m
8、onitor the change of stress, seepage, distortion, surroundings and etc. The measurement and control equipments are used to sample and process the signal of the transducers, and memorize the results, then communicate with the host computer, and etc. The host computer processes the measurement data, a
9、nalyzes the state of the dam running, so as to evaluate the status of dam safety.There are many monitoring items and transducers in the automation system for dam safety monitoring. In order to improve the compatibility of the equipment, several representational transducers are chosen to be connected
10、 with the equipment, such as, the differential resistance transducer, the vibrating wire transducer, the water level instrument, the coordinate instrument, the piezoresistive transducer and etc. The supervising and measuring items and working principles of the choosing transducers are particularly i
11、ntroduced, and the corresponding signal processing interfaces circuits of the transducers are designed. Then the measurement and control equipment is generally designed, including the hardware and software.The full extent of the dam safety monitoring system is very wide, and the field environment wh
12、ere the equipment is working is abominable, so the equipment is easy to be affected by much interference. On devising the equipment, the interfere and its passes are analyzed, then many measures, such as lightning proof, anti-interference, damp proof, temperature compensation, and etc. are took to a
13、ssure the currency and reliability of the equipment.Key Words: transducer; dam; safety monitoring; automation; anti-interference目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 问题的提出11.2 大坝安全监测的发展21.2.1 大坝监测传感器的发展状况21.2.2 大坝安全监测自动化系统的发展状况31.3 本文所做的主要工作6第二章 大坝安全监测自动化系统简介82.1 大坝安全监测自动化系统的特点82.2 大坝安全监测自动化系统的设计原则82.3 大坝安全监测自
14、动化系统简介9第三章 本大坝安全监测自动化系统的构成113.1 系统选型113.1.1 系统数据采集方式选型113.1.2 系统通信方式133.2 系统硬件133.3 系统软件14第四章 大坝安全监测传感器164.1 差动电阻式传感器174.1.1 差动电阻式传感器基本原理174.1.2 差动电阻式传感器的接线方式及测量原理194.2 振弦式传感器204.2.1 振弦式传感器原理204.2.2 振弦式传感器的激振方式214.2.3 振弦式传感器的温度补偿234.3 静力水准仪234.3.1 差动变压器式位移传感器结构及工作原理244.3.2 差动变压器式位移传感器的信号处理254.3.3 静力
15、水准仪工作原理274.4 垂线坐标仪274.4.1 差动电磁式传感器工作原理284.4.2 垂线坐标仪工作原理294.2.3 垂线坐标仪的标定304.5 压阻式水位传感器314.5.1 压阻效应314.5.2 压阻式水位传感器原理324.5.3 压阻式水位传感器信号处理34第五章 测控装置(MCU)355.1 测控装置的主要功能355.2 测控装置的组成及工作原理355.2.1 差动电阻式传感器组的测量365.2.2 振弦式传感器组的测量375.2.3 静力水准仪组的测量385.2.4 垂线坐标仪组的测量395.2.5 压阻式水位传感器组的测量405.3 测控系统的电磁兼容性设计405.3.1
16、 测控系统的防雷405.3.2 测控系统的抗干扰415.3.3 测控系统的电磁兼容设计435.4 测控装置的防潮435.5 测控装置的软件445.5.1 测控装置主程序455.5.2 传感器组测量子程序465.6 测量结果及误差分析525.6.1 差阻式传感器组测量误差分析525.6.2 振弦式传感器测量结果及分析525.6.3 位移传感器组测量误差分析565.6.4 压阻式水位传感器测量结果及分析565.7 测控装置的高性能57第六章 结论与展望586.1 结论586.2 展望59参考文献60致 谢63第一章 绪论1.1 问题的提出二十世纪初以来,随着经济的发展和科技的进步,世界各国的水利水
17、电事业得到蓬勃发展,修建了众多规模不一、形式各异的大坝。就我国而言,目前共建成各类大坝约8.7万座,其中,坝高高于15米的就有2万多座,数量居世界首位1。这些大坝工程为我国的水电建设打下了坚实的基础,对国民经济建设发挥了重要作用。但随着大坝数量的增加,高度的增大以及地形地质条件的复杂化,大坝失事的几率也逐渐上升。上个世纪,由于各种原因,世界各国几乎都发生过溃坝事故,对大坝下游人民生命财产的安全造成极大的危害。1959年法国的马尔巴塞双曲拱坝和1963年意大利的瓦依昂拱坝先后失事均造成了惨重的损失。我国1975年8月河南省板桥、石漫滩两座大型水库垮坝夺走了数以万计的生命,造成了不可估量的经济损失
18、。2在大量惨痛事实的教育下,人们逐渐认识到大坝安全的重要性,开始研究大坝失事实例,分析影响大坝安全的具体因素。结果表明,大坝失事的原因从形成时期上主要分为三类:一类是由设计施工的不完善造成的,在大坝建成时就已确定;另一类是在运行、管理过程中逐步形成的,有一个从量变到质变的过程;还有一类是前面两种情况的混合,即设计施工中的不完善在运行中没有得到及时有效的纠正,使设计、施工中的隐患发展为破坏事故3。由此可以看出要确保大坝安全,除了保证工程质量以外,更重要的就是对大坝的实际运行状态进行监视,及时发现安全隐患,采取有效措施。大坝安全监测是人们了解大坝运行状态和安全状况的有效手段。其目的就是及时获取第一
19、手观测资料来了解大坝在正常情况下各种物理量的变化范围和变化规律,在遇到测量值异常或出现不利的发展趋势时,就能发现问题并做出判断,及时采取有效措施防止问题进一步恶化。其次,借助监测设备所反馈的信息能检验理论,修正设计。由于大坝的实际地质、环境条件复杂,且坝工设计水平不高,至今大坝设计理论还不够成熟和完善,设计中存在某种程度的假定性,坝体和坝基的物理力学模型和参数很难精确给定。而大坝监测项目广、测点多、观测频次密,能反映出大坝的真实状态,有效地修正设计中的不完善,指导大坝的合理施工和运行。此外,根据长期积累的观测资料可制订出适当的水库控制运用计划以及大坝的维护措施,在保障大坝安全运行的同时,更好地
20、发挥工程效益、节约工程投资。大量的工程实例说明,大坝的监测资料蕴藏着丰富宝贵的信息,因此,积极做好大坝监测工作,既有实际应用价值又有科学研究意义。45从20世纪30年代开始,国外已经开始开展大坝安全监测工作,但由于当时监测仪器及自动化发展水平的限制,人们通常只能对大坝进行人工观测。这种方法是由观测人员对大坝结构和基础进行直接目测,并对监测仪器进行人工读数,然后再将观测资料交由专职部门去分析。人工观测受外界环境条件以及观测人员的主观因素影响很大,且监测频次有限6。这种方法不仅耗时费力、精度低,而且效率低,不利于及时有效地掌握大坝性态和进行最优运行调度控制。随着微电子技术、计算机技术以及通讯技术的
21、发展,我国自动化水平逐步提高,实施大坝安全的自动化监测成为可能。大量新型精密监测传感器和先进的自动化数据采集装置逐渐应用到大坝安全监测系统中,从而克服了传统的人工观测的诸多弊端,能更客观地反映大坝实际安全状况。因此,为了能够迅速、准确、实时地采集监测数据,及时提供大坝安全信息,同时减轻体力劳动,增加劳动安全,提高效率,全面提高水电站及水库大坝安全管理水平,进行大坝安全自动化监测势在必行。1.2 大坝安全监测的发展大坝安全监测是监视大坝工程安全、提高设计水平和改进施工方法的行之有效的手段。为了提高大坝运行的安全性和经济运行性,各国投入了大量的人力物力研制开发新型监测传感器、数据采集装置,并提出了
22、多种监测资料分析方法,有力地了推动大坝安全监测技术的发展。大坝监测系统包括监测传感器、数据采集系统、传输介质和中央数据分析处理系统等,每一系统部件都在很大程度上受科学技术发展的影响,作为一个整体,各部件的发展相辅相成、相互促进。1.2.1 大坝监测传感器的发展状况大坝监测传感器(或仪器)是可靠获取大坝安全信息的关键手段,监测工作的实施与监测传感器的发展和进步密切相关。大坝监测项目众多,要求监测传感器的类型多样化,能检测出大坝各种微小物理量的变化。同时,大坝现场环境恶劣,要求监测传感器具有高的可靠性。因此,进行高性能的各类大坝监测传感器的研制迫在眉睫。在传感器的发展过程中,传感器的工艺发展起着最
23、重要的作用。二十世纪六十年代以前主要采用坝面标点、横臂式沉降仪及测压管等简单仪器对大坝进行变形和渗流观测,这些大坝监测仪器需人工进行读数。由于传感器自身精度不高,再加上读数也会产生误差,因此,总体精度相当低。六十年代后,由于电子技术的进步,电测传感器开始应用于大坝观测。传感器可以通过电量信号进行通信,这样传感器输出的电流、电压、阻抗和电容以及状态、脉动等测量信号开始发送给数据采集装置进行处理,有效地提高了传感器的精度78,同时数据采集和处理系统也随之得到发展。但这些监测传感器的精度和自动化程度都还不高,不能满足大坝工程实际的需要。为了提高大坝监测传感器的性能,促进大坝自动化监测的发展,专业技术
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