基于AVR和振弦式渗压计的大坝监测系统设计

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  • 摘要:设计了一种基于AVR和振弦式渗压计的大坝监测系统,简要介绍了振弦式渗压计的原理、数学模型以及ATmega128单片机的特性,运用单片机的输入捕捉和ADC功能并结合软件设计对系统的激振和测频方法进行了改进,同时提出了一种简单易行的防雷击电路。本洲频系统具有硬件电路简单、信号灵敏度高等特点,提高了测量计算准确度,对大坝安全性监测提供了帮助。
    关键词:振弦式渗压计;ATmega128;防雷击电路;输入捕捉;ADC

        渗流监测是大坝安全监测中的重要项目之一,为了全面地分析大坝在运行期间的安全性,必须进行渗流量的观测,同时还应观测渗水的温度。由于振弦式渗压计具有分辨率高、不受降雨干扰、无淤堵等优点,所以近年来在大坝渗压监测中得到了广泛的应用。文中提出了以AVR单片机为核心的简单有效的大坝渗压监测系统,并对其中部分模块进行了改进。

    1 振弦式渗压计
    1.1 振弦式渗压计结构与原理
        本文采用的是VWP型振弦式渗压计,它由透水板、感应膜、密封壳体、振弦及激振电磁圈等组成。仪器中有一个灵敏的不锈钢膜片,在它上面连接振弦,如图1所示。当被测水压作用膜片上时,将引起弹性膜板的变形,其变形带动振弦转变成振弦应力的变化,从而改变振弦的振动频率。使用时,通过对电磁线圈加载适当的电流实现激振过程,激振完成后,切断对线圈的供电,同时将线圈接入测量电路中,通过拾取线圈中的感生电动势来获得振弦的固有频率,频率信号经电缆传输至读数设备,即可测出水荷载的压力值,同时可测出埋设点的温度值。

    a.JPG


    1.2 振弦式渗压计的数学模型
        对于图1所示的振弦式渗压计,当振弦受张力T作用时,其等效刚度发生变化,振弦的谐振频率f为:
        b.JPG
        式中,p-振弦的线密度(tex,ltex=g/km);l-振弦的有效振动长度(m)。
        本文采用的是单根振弦的渗压计,根据其输出特性,计算公式如下:
        c.JPG
        式中,Pm为渗透压力;k为渗压计的测量灵敏度;fo为基准频率值;f实测频率值;b为温度修正系数;T为实时测量的温度值;T0为温度的基准值;Q为大气压修正系数,对于密封腔与大气压沟通的仪器,Q恒为0。
        假设不考虑大气压力影响,当外界温度恒定时,渗透压力与频率平方差成正比;当渗压增量恒定时,渗透压力与频率平方差成正比,这个输出量仅仅是由温度变化而造成的,与温度增量成线性关系,即

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