第一节 安全监测仪器的基本要求
用于岩土工程的安全监测仪器所处的环境条件十分恶劣，有的暴露在100～200m的高边坡上，有的又要深埋在200～300m的坝体或基础中，有的长期在潮湿的廊道或水下工作，有的要在-30～50℃ 的交变温度场中工作。建筑物开始施工时仪器随同埋设，直到工程运行施工期就会长达十年以上。一般地说，仪器一旦埋进去就无法修理和更换。甚至观测人员都难以到达仪器布设的地方。因此，对仪器除了技术性能和功能符合使用要求外，通常设计制造要满足以下要求： （1） 高可靠性。设计要周密，要采用高品质的元器件和材料制造，并要严格地进行质量控制，保证仪器埋设后完好率满足要求。
（2） 长期稳定性好。零漂、时漂和温漂满足设计和使用所规定的要求，一般有效使用寿命在10年以上。核反应堆的慢化剂
（3） 精度较高。必须满足监测实际需要的精度，有较高的分辨率和灵敏度，有较好的直线
性和重复性，观测数据不受长距离测量和环境温度变化的影响，如果有影响所产生的测值误差应易于消除。仪器的综合误差一般应控制在2%F·S以内。
（4） 耐恶劣环境性。可在温度-25～+60cd4543℃ ，湿度95％的条件下长期连续运行，设计有防雷击和过载冲击保护装置，耐酸、耐碱、防腐蚀。
（5） 密封耐压性良好。防潮密封性良好，绝缘度满足要求，在水下工作要能承受设计规定耐水压能力。
（6） 操作简单。埋设、安装、操作方便，容易测读，最好是直接数显。中等文化水平的人员经过短期培训就应能独立使用。
（7） 结构牢固。能够耐受运输时的振动以及在工地现场埋设安装可能遭受的碰撞、倾倒。在混凝土或土层振捣或碾压时不会损坏。
（8） 维修要求不高。选用通用易购的元器件，便于检修和定时更换，局部故障容易排除。
（9） 适于施工。埋设安装时与工程施干扰要小，能够顺利安装的可能性要大，不需要交流电源和特殊的影响施工的手段。
（10） 费用低廉。包括仪器购价、维修费用和施工费用、配套的仪表，传输信号的电缆等直接和间接费用应尽可能低。
（11） 能遥测。自动监测系统容易配置。
以上这些要求构成了比较理想的监测仪器，实际上十全十美的仪器是很难实现的，还得根据实际需要和技术设计可能性、制造工艺性的保证程度，以及质量控制手段来共同创造。
第二节 常用传感器的类型和工作原理
差动电阻式传感器是美国人卡尔逊研制成功的。因此，又习惯被称为卡尔逊式仪器。这种仪器利用张紧在仪器内部的弹性钢丝作为传感元件将仪器受到的物理量转变为模拟量，所以国外也称这种传感器为弹性钢丝式（Elastic Wire）仪器。
由物理学知道，当钢丝受到拉力作用而产生弹性变形，其变形与电阻变化之间有如下关系式：
（2-2-1）
式中 ——钢丝电阻变化量；
——钢丝电阻；
——钢丝电阻应变灵敏系数：
——钢丝变形增量；
——钢丝长度。
由图2-2-1可见仪器的钢丝长度的变化和钢丝的电阻变化是线性关系，测定电阻变化利用式2-2-1可求得仪器承受的变形。钢丝还有一个特性，当钢丝感受不太大的温度改变时，钢丝电阻随其温度变化之间有如下近似的线性关系： 图2-2-1 钢丝变形
1—钢丝；2—钢丝固定点
（2-2-2）
式中 RT——温度为T℃的钢丝电阻；
R0——温度为O℃的钢丝电阻；
——电阻温度系数，一定范围内为常数；
——钢丝温度。
只要测定了仪器内部钢丝的电阻值，用式2-2-2就可以计算出仪器所在环境的温度。
差动电阻式传感器基于上述两个原理，利用弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特性设计而成，把经过预拉长度相等的两根钢丝用特定方式固定在两根方形断面的铁杆上，钢丝电阻分别为R1和R2，因为钢丝设计长度相等，R1无心磨床自动上料机和R2近似相等，如图2-2-2所示。电子台历
重复数据删除图2-2-2 差动电阻式仪器原理
当仪器受到外界的拉压而变形时，两根钢丝的电阻产生差动的变化，一根钢丝受拉，其电阻增加，另一根钢丝受压，其电阻减少，两根钢丝的串联电阻不变而电阻比R1/R2发生变化，测量两根钢丝电阻的比值，就可以求得仪器的变形或应力。
当温度改变时，引起两根钢丝的电阻变化是同方向的，温度升高时，两根钢丝的电阻则都减少。测定两根钢丝的串联电阻，就可求得仪器测点位置的温度。
差动电阻式传感器的读数装置是电阻比电桥（惠斯通型），电桥内有一可以调节的可变电阻R，还有两个串联在一起的50Ω固定电阻M/2，其测量原理见图2-2-3，将仪器接人电桥，仪器钢丝电阻R1和R2就和电桥中可变电阻R，以及固定电阻M 构成电桥电路。
图2-2-3 电桥测量原理
图2-2-3()是测量仪器电阻比的线路，调节R使电桥平衡，则：
R/M = R1/R2 （2-2-3）
因为M＝100Ω，故由电桥测出之R值是R1和R2之比的100倍，R/100 即为电阻比。电桥上电阻比最小读数为0.01％。
图2-2-3(b)是测量串联电阻时，利用上述电桥接成的另一电路，调节R达到平衡时，则：
（M/2)/R=（M/2)/(R1+R2) (2-2-4)
简化式（调盘2-2-4）得:
R=(R1+R2) (2-2-5)
这时从可变电阻R读出的电阻值就是仪器的钢丝总电阻，从而求得仪器所在测点的温度。
综上所述，差动电阻式仪器以一组差动的电阻R1和R2，与电阻比电桥形成桥路从而测出电阻比和电阻值两个参数，来计算出仪器所承受的应力和测点的温度。
二、钢弦式传感器的基本原理
钢弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦（一般称为钢弦，振弦或简称“弦”）。常用高弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成，它与传感器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量。
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