基于AVR和振弦式渗压计的大坝监测系统设计

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。

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：

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：

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，于是温度修正系数，如果不考虑温度增量的影响，这个输出的变化就是温度变化引起的系统误差。本系统中采用的渗压计k=0．1105，b=0．3042。