簡介
摘要：智慧型識別感測器的出現是大壩監測技術的一次革命，將對儀器的設計和製造提出新的要求，同時給儀器的使用方式帶來了根本的改變。智慧型識別感測器記憶體有儀器的各項參數及編號，並可植入安裝人員、安裝時間、安裝部位、安裝環境，基準值等信息，採集時與讀取系統自動互動，實現監測工作的無紙化，方便數據的快速查詢統計計算。 關鍵字：智慧型感測器；智慧型識別技術；電子標籤ETC；識別晶片；感測器係數
感測器技術、 現代通信技術與計算機技術是構成現代信息技術的三大基礎，它們分別完成對被測量的信息感知、信息傳輸及信息處理，是當代科學發展的重要標誌 。隨著加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷出現，尤其是計算機硬體和軟體技術的滲入，人們把微處理器和感測器相結合，開發出具備一定數據處理能力，並能自檢、自校、自補償的新一代感測器——“智慧型感測器”。智慧型感測器的出現是感測器技術的一次革命，對感測器的發展產生了深遠影響。
智慧型識別技術在我們日常生活中已隨處可見，如身份證、銀行卡、商品識別碼、火車票公交卡、水電費自報收取等都大量使用了身份識別技術 。在高速公路收費站汽車過站收費採用人工操作方式是：過往車輛停車繳費，收費員需要判斷過往車輛的車型及收費標準，並讀卡和收費找零工作。這導致過站時間長，在交通高峰期堵塞現象嚴重，時常因不能識別車輛是否或如何收費而扯皮。隨著智慧型識別技術套用在車輛計費系統中(車載電子標籤ETC)，可以在不停車的情況下在高速公路收費站快速通過自動計費 。
當裝有無線智慧型識別模組的車輛接近收費站時，無線智慧型識別模組將本車輛的繳費賬戶、存款金額、車輛車型、車牌號碼、進路站點等識別信息傳送給收費站智慧型收費系統，收費站的攝像機先對車輛的車牌號進行視頻信息採集識別，並與系統資料庫對比，兩者一致進入收費程式。記錄車輛進路站名、進站時間、出站名、出站時間等信息，並準確收取相應費用，同時將收費情況通過無線智慧型識別系統返回給車輛。當收費站與車輛的識別系統不一致時，將進入報警程式，下閘、向下個收費站發出預警等方式。智慧型識別技術套用在車輛計費系統中可有效緩解高速公路收費堵車問題，實現無人值守不停車自動繳費的工作。
大壩安全監測技術融入了電子、機械、光學、信息等多行業，是個多學科融合的專業。由於水電站大壩所處的重要性和套用環境的嚴酷及不可回收，所以對安全監測感測器的要求比其他行業更高，感測器必須是另部件少、可靠性高、前端少用電子元器件等。由於所限條件大壩監測感測器多數還停留在比較原始的狀態，僅有將物理量轉換為電量的功能。
在大量的工程實踐中發現埋入大壩中的感測器有3個致命的弱點：1）現有的感測器都是通過電纜傳輸信號，在工地現場區分感測器之間的對應關係是依靠電纜尾部的標籤，在建壩施工過程中，施工斷面的變化、大型機械作業、人為的損壞都大量造成電纜線的斷裂。多條成束電纜斷裂後將很難判別每根電纜線與之相連的是那一支感測器，感測器標籤也很容易磨損或丟失，這樣就導致感測器因參數不可知(身份不明)而成為廢品。2）工地現場測量沿用的是傳統筆寫紙記的方式，而測量儀表中也有自帶存儲的功能，可存儲數據都是按時間排序的，多支感測器的測量數據又非常近似，即便人工判別也非常困難，沒有智慧型識別的測量儀表的存貯和通訊功能只能是個擺設。3）大型的水電站的建設施工期都比較長達十多年以上，儀器安裝的數量多、品種多、部位複雜。儀器的生產廠家、安裝人員、安裝時間、安裝部位、儀器類型、儀器名稱、儀器編號、儀器係數以及儀器基準值等原始資料，可能會隨著時間的推移、安裝記錄人員的流動很難追溯，對日後數據整理解析大壩運行狀態帶來不便。
智慧型識別感測器
大壩監測感測器智慧型識別技術就是將感測器的儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標定係數、溫度修正係數等參數寫進智慧型識別晶片，相當每個感測器都攜帶有電子身份證 。附有智慧型識別功能的讀取系統在測量時，首先讀取智慧型識別晶片內的信息，當需要存貯測量數據時，測量數據是自動排列在感測器的編號及係數後。這樣測量數據不管存貯在讀數儀中或傳輸給計算機永遠不會混亂，測量時也不需要再另記錄電纜上的感測器編號，只要將測量數據存入讀數儀就一定與本支感測器是對應的。如遇多支感測器電纜被剪斷，只要將每支感測器測量一遍，就自動識別出了每支感測器所對應編號。
研製技術要點
智慧型識別感測器有4部分組成：感測器本體及密封系統部件、物理量轉換為電量的敏感元件、智慧型識別電路、信號傳輸部件。感測器本體及密封系統部件、物理量轉換為電量的敏感元件及信號傳輸部件在長期的生產使用過程中已經非常成熟，智慧型識別感測器就是在原有感測器中加裝智慧型識別電路。經調研發現已有的智慧型識別感測器在信號讀取中需要2芯電纜，加上原有的物理量轉換為電量的信號電纜需要6(振弦式) 芯或7(差阻式)芯電纜線才能滿足其信號的讀取；通用的識別電路複雜，線路板大無法植入現有感測器狹小的空間，信號電纜傳輸距離近等問題，智慧型識別技術要用在大壩監測感測器上必須解決以上問題。
3.1線纜芯數不變
智慧型識別感測器必須使原有的測量線纜芯數不變，因為許多工程在土建施工中都大量預埋了電纜，如果電纜芯數不對應，將需要重新敷設電纜增大成本。葛南公司研製的智慧型識別電路並接在感測器的溫度電阻上，所以讀取時與溫度測量共用兩芯線，解決了智慧型識別晶片讀取需要多加電纜芯數的問題。
3.2識別電路可靠性
大壩監測感測器設計必須遵循組成部件在滿足其使用性能的條件下元器件和機械另件越少越可靠的原則，葛南公司研製的感測器智慧型識別電路專為植入小巧感測器而設計的，面積大小約為0.4平方厘米，電路大量減化了外部元件的數量，提高了識別電路的可靠性。 智慧型識別電路圖1。
大壩監測智慧型識別系統Fig. 1 Read/Writecircuit schematic diagram ofintelligent identification
圖1智慧型識別讀寫電路原理圖.
3.3 數據存儲
智慧型識別電路採用進口晶片綁定，讀寫次數≥100000次，可植入儀器名稱、儀器類型、出廠編號、標定係數、溫度修正係數等參數，植入數據可保存時間≥10年，可在惡劣的環境中使用，數據讀取穩定不丟失，滿足大壩長期監測的使用要求。
3.4 連續識別
智慧型識別晶片喚醒時間≤3ms，寫讀間隔≤8ms，可進行單次識別、連續識別，解決了自動或手動數據採集系統讀取時快速切換的問題。
3.5 電纜距離長
特設的暫存器對前端儀器參數進行控制，使得每一次套用的讀取距離最大化。由於有專設的讀取程式(下行鏈路，從讀取器到智慧型識別晶片)，讀取距離達到800米以上，基本滿足大型水電工程感測器長電纜傳輸的要求。
3.5 可重複寫入
用戶可以將自己重新檢驗的感測器標定係數、溫度修正係數以及設計編號等寫入智慧型識別晶片，有效解決了一次寫入無法修改的問題，方便用戶隨時更新儀器參數，提高了智慧型識別功能的使用互動性。
智慧型識別讀取系統
智慧型識別採集系統就是在原有採集系統中增加讀取識別晶片中的感測器各項參數及編號的功能，將讀取到的感測器參數及識別出的感測器類型進行公式對應，並根據該感測器的各項參數、對應的計算公式、感測器輸出的電量直接可以計算出實際物理工程值。
4.1讀取識別晶片
大壩監測智慧型識別系統智慧型識別採集系統在單支儀器逐個測量時，首先讀取智慧型感測器識別晶片內感測器的各項參數及編號。智慧型識別振弦讀數儀測量顯示如圖2：A為存貯單元、0048為序號、SA5121為感測器類型及編號、2008/10/18 10:28為日期和時間、K=0.4897με/F為感測器的標定係數、b=13.5με/℃為感測器的溫度修正係數、【【】 為讀數儀的線上電壓、200-4840F為掃頻激勵範圍、4500.5F為被測感測器的頻率摸數值、R=3k為被測感測器溫度計的類型、25.5℃為被測感測器的溫度值。
大壩監測智慧型識別系統Fig.2Display interface of the intelligent identification vibrating wire readoutinstrument.
圖2智慧型識別振弦讀數儀的顯示界面
智慧型識別讀數儀在連線自動或手動集線箱快速切換時可以設定連續快速識別，其讀寫間隔≤8ms的反應速度完全可以滿足要求。
4.2 快速查詢
智慧型識別採集系統在存貯測量數據時數據是自動排列在感測器的編號及係數後，與計算機通信後數據排列為：存貯單元及序號、儀器名稱、儀器編號、標定係數、係數單位、溫度修正係數、存貯日期及時間、頻率模數值、頻率值、溫度值(如圖3)，這樣排列測量數據不管存貯在智慧型識別讀數儀中或傳輸給計算機永遠不會混亂，在大壩監測海量的數據中分析時可以任意按儀器名稱、儀器編號、最小讀數b···進行排序並查詢，節約了查詢的時間，解決了因數據量過大無法快速排序查詢的難題。
智慧型識別採集系統可以判別出儀器類型，如：P08320為滲壓計，SA7300為150mm標距的應變計，RF0091為配筋25mm的鋼筋計(該鋼筋計溫度修正係數為0)··· ，並自動將判別出的儀器顯示在儀器名稱欄里，讓觀測人員一目了然，實現了數據排序的智慧型化。
大壩監測智慧型識別系統Fig.3Snapshot shown in the computer of the data collected from the intelligentidentification readout instrument.
圖3智慧型識別讀數儀存貯數據上傳計算機排列截屏
4.3 統計計算
智慧型識別採集系統先讀取識別晶片中的感測器參數及編號，即可根據識別到的感測器類型調用與其對應的計算公式，根據感測器參數、計算公式、感測器測出的電量直接計算出實際物理工程值。
測斜儀智慧型識別讀數儀測量顯示如圖4：29-X001為編號29號測孔-X方向第一個測點，GN6158為測斜儀的編號；99.5m為在測點高程孔深米數；+X +145.05mm為+X方向測值經計算後的位移量，單位為mm；-X -148.05mm為-X方向測值經計算後的位移量，單位為mm；-/2=+146.55mm為測量值差的一半，有效位移值；+/2=-1.5mm為測量值和的一半，理論鉛垂線值。由下至上進行測量，每按一次線控開關(或存貯鍵)當前測量數據存貯一次，同時孔深遞減一個設定的測量標距，存貯器序號加1(測點數)。將讀數儀存儲數據傳輸給計算機，計算機根據位移值數據繪製管形圖，實現了測量工作無紙化，也方便測量數據的快速查詢統計計算。
大壩監測智慧型識別系統Fig.4Display interface of the intelligent identification inclinometer readoutinstrument
.圖4智慧型識別測斜儀讀數儀的顯示界面
大壩監測儀器使用智慧型識別系統技術後，已在全國葛南幾百個實際工程中使用，得到了現場使用人員的肯定和好評，解決了用戶在測量時因測量數據不能隨意快速存貯，而無法實現無紙化操作的困難，給大壩監測儀器的使用方式帶來了根本的變革。
結語
大壩及岩土工程監測儀器大多都使用在國計民生的大型重點工程上，要使測量工作真正做到無紙化的快速測量存貯，減輕測量人員的負擔和減少記錄失誤，使用感測器智慧型識別技術將是時代發展的必然趨勢。採用智慧型識別技術的感測器，可以省去大量的人工操作，解決了因感測器標籤磨損、丟失、電纜被剪斷導致感測器因參數不可知、身份不明而成為廢品的難題。
隨著時代的進步和科技的發展，計算機技術與網路技術大量套用到感測器中，加快了智慧型感測器的發展和普及，這將會是大壩監測技術的一次革命。
