大坝安全监测中传感器的发展与应用

[摘 要]大坝安全监测在工程施工与维护中占有重要地位，大坝监测水平的提升与其相关技术的更新密不可分。大坝监测系统要求极高的精密度，从而能够精确检测出大坝微小的物理差，其则需要借助检测仪器，其中传感器技术的先进水平是支持大坝安全监测一体化、自动化、智能化发展的关键技术之一。本篇论文就是针对大坝安全监测中传感器的发展与应用进行探讨。

[关键词]大坝 安全监测 传感器

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0381-01

大坝是一个复杂的建筑工程，其需要投入大量的资金与人力，当然其产生的功效也十分巨大，其过程中一个细微的失误都会造成今后巨大的隐患，因此大坝工程的安全监测至关重要，其随时掌握大坝工程的施工状态，从而确保工程质量水平。

一、 传感器的研究发展

传感器是将物理量、化学量或生物量转化为电信号的器件，其输出有电压、电流、频率等形式的信号。目前传感器是向微型化、智能化、多功能化、综合化和网络化的方向发展，传感器的发展主要体现在以下几个方面：一是利用新现象。传感器的发展需要不断发现新现象，并加以利用，是研究传感器的重要内容;例如高温超导磁性传感器，，其灵敏度仅次于超导量子干涉器件，但是其制作工艺远简易于超导量子;二是利用新材料。传感器技术对新材料的研发是其主要内容之一，研究新型传感器。例如光导纤维能材料制作压力、流量、温度等多种传感器;三是利用微机机械加工技术。利用半导体氧化、光刻、扩散等加工技术制作传感器，例如硅微传感器就是利用半导体加工技术制成;四是集成传感器。集成传感器突破传统传感器的功能，将辅助电路集成，使其具有校准、补偿或网络通讯等辅助功能;五是智能化传感器。智能化传感器是微型处理器与传感器的有机结合，使传感器具有检测、判断和信息处理功能。

二、 大坝安全监测的现状以及发展

目前我国大坝监测主要包括大坝变形监测和大坝渗流监测俩方面的内容，变形监测包括表面变形、内部变形、裂缝和岸坡位移等;渗流监测包括渗流压力、渗流量及浸润线等;压力监测包括孔隙水压力、土压力、扬压力、混凝土应力等。随着科学技术的进步，大坝安全检测技术也逐渐向一体化、智能化的方向发展，利用分布式结构、智能节点技术、遥测遥控技术、工业控制技术、网络通讯技术和计算机技术等综合技术，建立完善的大坝安全检测预警系统，从而实现大坝变化状况的实施监控。

三、 传感器在大坝监测中的应用

1. 传感器在大坝变形监测中的应用

大坝变形主要指大坝整体或局部位置随着时间的流逝而发生一定程度的变化，其监测方法主要分为水平位移监测和垂直位移监测，目前我国工程中主要采用新型步进式变形监测仪STC-50型坐标仪或SWT50型引张线遥测仪，并且还出现GPS水平位移监测或垂直位移监测自动化技术。我们以引线张遥测技术和GPS技术为例简要介绍传感器在变形监测中的应用。

引线张遥测技术测量坝体的水平位移，其设备具有设备简单、测量便捷、效率高、成本低等优势，其被广泛应用于我国大坝安全监测体系中。随着自动化技术的发展与应用，引线张遥测技术引进自动化技术，如电容感应式引张线仪、CCD式引张线仪等。但是该技术不适合温度变化幅度大的北方，其技术已经被真空激光准取代。

GPS技术具有体积小、测量精度高、实时监测、自动化检测等优势，并且该技术不易受到外部环境的影响，例如温度、湿度、粉尘等因素，因此该技术十分受到野外工作者的欢迎。GPS技术在工作过程具有很强的抗干扰能力、较高的监测精度和处理数据水平，能够实现3D变形，其除了监测大坝变形的功效外，还具有防洪减灾的作用。

2. 传感器在大坝渗流监测的应用

渗流是大坝事故的主要原因之一，渗流也是大坝安全监测的重要内容，其中凝土土坝渗流监测主要包括扬压力和渗流量监测两个方面，传感器在大坝渗流监测中起到重要作用。例如压阻传感器的应用，压阻传感器利用硅半导体材料制成做成敏感元件，由于压阻效应，该半导体电阻可以在水体下测量水压变化，该电阻具有高灵敏度、高分辨率、体积小等优势，广泛应用于大坝安全监测工程中。

3. 磁致伸缩传感器在大坝监测中的应用

磁致伸缩传感器的核心材料是帖镍合金材料，利用磁致伸缩现象，铁镍合金的相交点产生应变脉冲，磁致伸缩传感器在大坝监测中的应用主要体现在以下三个方面：一是大坝整移监测的应用。首先是确定大坝两侧相对大地静止的参考点，两点链接为参考线，也是大坝整移的参照物。利用磁致伸缩位移传感器测量两者的相对位移，磁致伸缩传感器固定在箱子内，参考线套管，确保其不受外界的干扰的前提下，套入磁环，但是磁环与参考线不接触。大坝移动时，磁环的相对测杆发生位移，传感器立即加工该信号传递给控制室，检测人员可以随时掌握大坝位移的状态;二是大坝裂缝监测的应用。大坝是由坝柱和水泥墙组合而成，大坝的桩与水泥墙的地基差较大，经过时间的摧残，水泥墙与坝柱之间会形成一定的裂缝。监测大坝裂缝应用中磁致伸缩传感器放置于大坝内部通道，根据实际情况，一个通道可以安装多个传感器进行监测。磁环固定在水泥墙上，传感器固定在坝柱上，发生裂缝时，磁环根据水泥墙发生位移，传感器立即将磁环位移的新位置传递给控制室，为监测人员提供最新数据。因为大坝裂缝的位移十分微小，并且该变化也是十分缓慢的过程，磁致伸缩传感器可以十分精确裂缝的状况。;四是大坝渗流监测的应用。大坝渗流现象是造成大坝事故的主要原因，因此渗流现象是大坝安全监测的重点内容。水库的建立对坝体、坝肩和基石造成一定的负担，特别是大坝蓄水产生水压荷载，在上下游水位差的作用下造成渗流。

结束语：

综上所述，传感器技术的进步是推动大坝安全监测先进水平的主要动力之一，我们主要从大坝变形监测和渗流监测两方面的内容简述传感器在大坝监测系统中的应用，并且以磁致伸缩传感器的具体应用为例实际分析传感器在大坝安全监测中的应用，推动大坝安全监测系统和传感器向一体化、自动化、微型化、智能化、网络化等先进方向发展，从而进一步推动我国大坝工程的施工水平。

参考文献：

[1] 聂洪江，高春林，孙纪华.基于振弦式传感器的大坝安全监测系统的研究[J].河南水利与南水北调.2010（10）.76-77.

[2] 王秀明，张志华，闵辉.基于无线传感器网络的淮河大坝安全监测系统设计[J].治淮.2012（1）.33-34.

[3] 李跃鹏，隆德华.大坝安全监测数据库系统信息源拓展研究[J].人民长江.2015（12）.91-94.

[4] 梁栋汉，张华享.磁致伸缩传感器在大坝监测领域的应用[J]科技风.2013（10）.122-123.