基于AVR和振弦式滲壓計的大壩監測系統設計

摘要：設計了一種基于AVR和振弦式滲壓計的大壩監測系統，簡要介紹了振弦式滲壓計的原理、數學模型以及ATmega128單片機的特性，運用單片機的輸入捕捉和ADC功能并結合軟件設計對系統的激振和測頻方法進行了改進，同時提出了一種簡單易行的防雷擊電路。本洲頻系統具有硬件電路簡單、信號靈敏度高等特點，提高了測量計算準確度，對大壩安全性監測提供了幫助。
關鍵詞：振弦式滲壓計；ATmega128；防雷擊電路；輸入捕捉；ADC

滲流監測是大壩安全監測中的重要項目之一，為了全面地分析大壩在運行期間的安全性，必須進行滲流量的觀測，同時還應觀測滲水的溫度。由于振弦式滲壓計具有分辨率高、不受降雨干擾、無淤堵等優點，所以近年來在大壩滲壓監測中得到了廣泛的應用。文中提出了以AVR單片機為核心的簡單有效的大壩滲壓監測系統，并對其中部分模塊進行了改進。

1 振弦式滲壓計
1．1 振弦式滲壓計結構與原理
本文采用的是VWP型振弦式滲壓計，它由透水板、感應膜、密封殼體、振弦及激振電磁圈等組成。儀器中有一個靈敏的不銹鋼膜片，在它上面連接振弦，如圖1所示。當被測水壓作用膜片上時，將引起彈性膜板的變形，其變形帶動振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。使用時，通過對電磁線圈加載適當的電流實現激振過程，激振完成后，切斷對線圈的供電，同時將線圈接入測量電路中，通過拾取線圈中的感生電動勢來獲得振弦的固有頻率，頻率信號經電纜傳輸至讀數設備，即可測出水荷載的壓力值，同時可測出埋設點的溫度值。

1．2 振弦式滲壓計的數學模型
對于圖1所示的振弦式滲壓計，當振弦受張力T作用時，其等效剛度發生變化，振弦的諧振頻率f為：

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

式中，Pm為滲透壓力；k為滲壓計的測量靈敏度；fo為基準頻率值；f實測頻率值；b為溫度修正系數；T為實時測量的溫度值；T0為溫度的基準值；Q為大氣壓修正系數，對于密封腔與大氣壓溝通的儀器，Q恒為0。
假設不考慮大氣壓力影響，當外界溫度恒定時，滲透壓力與頻率平方差成正比；當滲壓增量恒定時，滲透壓力與頻率平方差成正比，這個輸出量僅僅是由溫度變化而造成的，與溫度增量成線性關系，即，于是溫度修正系數，如果不考慮溫度增量的影響，這個輸出的變化就是溫度變化引起的系統誤差。本系統中采用的滲壓計k=0．1105，b=0．3042。