测控技术在水利水电工程中的应用及研究
【摘要】随着我国水利建设工程的发展，水利水电设施在发电、泄洪、发电和水运等方面有着举足轻重的地位，但是由于工程设置所处环境，各工程都存在轻重不一的质量问题，存在着不同程度的安全隐患，文中对测控技术在水利水电工程中所起的作用进行了分析。
【关键词】测控技术；水利水电工程；分析评价
我国已建堤坝水利水电工程在防洪、发电、灌溉、供水和航运等方面 ，发挥了巨大的社会效益和经济效益，是我国国民经济的重要基础设施。然而 ，由于工作和运行条件极其复杂， 并随着时间的增长 ，堤坝的病害和老化日趋严重。据不完全统计，在 3 100 座大、中型水库大坝中，病险大坝有1248 座；8 万多座小型水库中，病险坝约占 36%，堤防的安全状况也相当严峻。随着西部大开发和西电东送战略目标的逐步实施，高坝大库也越来越多 ，工程的安全重要性显得越来越突出。并且，大中型水利水电工程规模大、投资多 ，造价高， 少则几亿、几十亿元，多则几百亿元，甚至上千亿元。因此，工程质量的好坏和能否安全运行，不仅会影响工程效益的充分发挥，还将直接关系到下游或两岸人民的生命财产安全。
1、测控技术的基本要素及其功能
现代化的测控技术，应该具有采集数据 、科学管理数据， 及时或实时对水利水电工程的安全状况作出分析和评价，并对其异常或险情作出辅助决策等功能。因此 ，测控技术的基本要素包括数据采集系统 、数据管理系统和分析评价系统及其计算机通讯网络支撑等。
1.1数据采集系统
通过测控单元（MCU）自动采集、笔记本电脑现场采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器采集的监测效应量（大坝的变形 、渗流 、应力应变和温度等）和影响量（水位、气温 、降雨和地震等），并输入计算机的数据库。其中，自动化数据采集系统可以实现实时采集，半自动化和人工采集为定期采集。
1.2数据管理系统由数据采集系统采集的数据进入计算机数据库后，由数据管理系统对其进行科学有序的管理。包括将电容、电感、电阻、电压 、频率等转换为位移、扬压力、渗流量、应力应变、裂缝开合度以及温度等，及它们的误差识别和处理，并将监测量按有关监测规范进行整编和初分析；编制月报和年报等。
1.3分析评价系统分析评价系统根据监测到的数据， 进行观测资料的分析和反分析 ，结构和渗流正 、反分析 ，建立各类监控模型和拟定监控技术指标等；将收集到的工程设计 、施工、运行管理、有关法规和规范等方面的专家知识进行编辑 ，构成分析 、评价 、辅助决策等方面的知识库和推理分析知识 。
1.4计算机通讯网络为完成数据采集 、信息管理和安全分析评价等功能 ，以及它们之间异地或远程网络的频繁信息交互 ，本系统必须采用现代计算机和通讯网络技术，使之能实时或及时完成数据采集、数据管理及安全分析评价等。
2、现代测控的主要技术
2.1采集系统的高新技术
2.1.1传感器技术 水利水电工程的监测传感器按观测类别分 ，主要有变形传感仪和渗流、应力应变、温度类传感器等。其中，变形传感仪主要有垂线和引张线坐标仪、静力水准仪、伸缩仪、多点位移计、真空激光准直仪、测缝计等；渗流传感器主要有渗压计、渗流量计、水位计等；应力应变和温度类传感器主要有应变计、应力计、钢筋计和温度计等。按工作原理又可分为差动电阻式、振弦式以及差动电容式、电感式、步进马达式等。其中，前两种为应力应变和温度类传感器，后几种为变形类传感仪。
现简述几种传感器的主要工作原理及其应用情况 。
（1）差动电阻式传感器 该传感器为美国加州大学卡尔逊教授所研制。置于其内腔的两根弹性钢丝作为传感元件 ，受力后一根受拉、一根受压。当环境量发生变化时， 两者的电阻值向相反方向变化 ，根据两个元件的电阻值比值， 测出物理量的数值。
（2）振弦式传感器 由前苏联的达维金可夫发明。其核心元件是一根钢弦，钢弦的一端固定，另一端则固定在测量元件（受压膜片或测量端块）上。当受力后，钢弦长度将产生微小变化，引起固定频率的变化，从而测出物理量的数值 。
（3）差动电容式传感器 由我国南京电力自动化研究院研制。其工作原理是 ，将垂线或引张线穿过由 4块组成矩形的电容极板中 ，当测线发生位移时 ，电容极板的电容产生变化，从而测出位移量。
（4）差动电感式传感器 首先由原法国的Telemac 公司研制 。其工作原理是，当高频交变电流通过垂线坐标仪时，在周围产生交变磁场，接收点的磁感应强度与导线距离成反比；当垂线产生位移时，接收点测得的感应电势发生变化，其变化量的大小反映位移量的大小。
（5）步进马达式传感器 由原法国Telemac 和意大利 ISMS 公司研制 。其工作原理是，由步进电机驱动光电探头，探头中的光照准器先后对准基准杆和垂线钢丝，然后返回原点，在此过程中，测量电路记录探头前进及返回基准点和垂线钢丝的脉冲数，经计算得到位移量 。
2.1.2 数据采集装置 数据采集装置将各类传感器测出的物理量转化为数字量，即 A/D 转换，以便远程输送。当距离超过 100 m 以后，传感器输出的电量和频率等信号，随距离的增大急剧衰减，以至无法测出物理量，但数字量可远距离输送。因此，一般将几十个传感器按部位接入数据采集装置，使传感器观测的物理量转换为数字量。
2.2 数据管理系统水利水电工程大坝可埋有几百个、几千个甚至上万个传感器 。如长江三峡水利枢纽建筑物就埋设约一万多个传感器，其采集数据每年达几百万个，并随着观测年限的增加，数据将越来越多 ，对这些海量数据必须进行科学有序地管理， 以便为分析评价系统提供可靠的信息。
2.3 分析评价系统[ 3]对水利水电工程监测和监控的目的是，依据监测资料和相应的专家知识，对工程的安全状况作出综合分析和评价。因此，完整的现代测控系统必须包括分析评价系统。其功能是依据监测资料、结构 、渗流等分析和反分析成果，以及与工程安全有关的设计、施工、运行管理 、法规和规划等专家知识 ，对监测资料进行分析和评价 ，从中寻找异常值或不安全因素，并对此进行成因分析和辅助决策等。因此 ，分析评价系统应包括资料评价、综合检查分析、观测检查、物理成因分析、专家综合诊断和辅助决策等部分 ，
2.4 计算机及通讯网络技术由于测控技术是将数据采集、信息管理和分析评价融汇在一起的庞大系统工程 ，必须在现代计算机及通讯网络技术的支持下才能实现 。
3 、结语
①现代化大坝安全运行测控技术包含多种功能，例如原始信息搜集、数据处理、分析评价等，同时还包括提供这些技术服务的各种软硬件环境。
②数据采集工作主要由传感系统和传输系统完成，以保证现场监测信息能够及时传输到数据库系统。
③信息管理系统具有采集原始信息、数据传输和存储等功能，能够为技术人员提供强大的信息数据处理功能，以提高大坝安全分析工作效率。
④分析评价系统主要对各种异常数据进行分析，找出其背后的原因，并提供决策参考。
参考文献
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