基于倾角、位移、压力、γ辐射测量的震后综合信息监测仪研制

摘要

地震灾害是全球共同面临的一种重大自然灾害，它往往以突发性强、无法抗拒和无法避免的特点造成重大人员伤亡和经济损失。2008年5月12日，发生在我国四川汶川的8.0 级特大地震，其影响波及大半个中国，直接严重受灾地区达10 万平方公里，地震造成了大量的人员伤亡与财产损失。在地震的背后，不可估量的损失将更大，本文针对地震造成的潜在危害开展工作，重点研究了以下4个方面的内容： （1）地震造成了诸多建筑设施，如水库大坝、厂房等结构性损伤。有的只是出现了表面裂缝，但不排除因某种原因裂缝继续扩大或产生新的裂缝，存在极大的安全隐患，加大了震后灾害调查评估工作的难度。 （2）地震所在山区，地形复杂，由地震和强余震诱发的次生地质灾害极为严重，潜在滑坡、泥石流等一旦爆发，将对灾区造成二次打击，时刻威胁着灾区人民的生活和重建工程。 （3）地震对我国核工业生产单位的生产厂房及某些重要核设施带来了一定程度的影响，特别是用于核废物处置的地下填埋罐体，一旦外界对其压力大到一定程度，将造成罐体的破裂甚至核废物的泄露，直接导致核安全事故。 （4）地震灾区的工作用放射源分布较多，地震或许已经造成了储存设备的不稳定安全隐患，在长期的余震期内，很可能发生放射源装置倾倒或滑落，危及工作人员的人身安全。如何对轻度受损或目前还无法定位破坏程度的建筑设施进行长期的监测，如何对潜在滑坡、泥石流等次生地质灾害进行长期的监测，如何对核废物处置场地下填埋罐体进行安全监测，如何对工作用放射源进行长期监测，对偶然事件所造成的放射源倾倒泄漏进行第一时间的危害评估，成为目前亟待解决的问题。事实上，这些地震次生灾害的发生，与地震类似，在发育期间都会伴随着种种异常，如建筑设施某两点的相对位移变化、倾斜度变化、某点受力变化等。能否研制一种仪器设备来探测、感知这些异常信息，并根据探测结果自动发出报警信号？对次生灾害进行及时有效的安全评估。 本文主要完成了以下几方面的工作： （1）研究了次生灾害监测预警方法。提出了基于倾角、位移、压力及γ辐射测量的震后综合信息监测系统，采用倾角、位移传感器监测建筑体等大型设施，采用倾角、位移、压力传感器监测滑坡等次生地质灾害，采用压力传感器监测核废物处置场地下填埋罐体所受外界挤压情况，采用γ辐射探测器监测放射源的安全状况，通过自组网的传感器网络采集被监测对象的异常信息，结合终端监控系统实时发布预警。 （2）研制了异常信息采集节点。完成了基于倾角、位移、压力及γ辐射测量的异常信息采集设备的硬件、软件设计。采用高精度双轴倾角传感器SCA100T采集倾角异常信息，采用霍尔传感器A3144 采集表面裂缝位移异常信息，采用KPC-700 大量程位移传感器采集山体大裂缝位移异常信息，采用Honeywell 压力传感器FSG-15N1A 采集压力异常信息，采用盖革计数管J4401 采集γ辐射强度信息。 （3）组建了监测系统数据传输网络。针对实际应用的特点，组建了“无线+有线”的综合数据传输体系。监控主机通过近距离无线方式管理各个异常信息采集节点，终端监控系统采用RS485 有线方式管理各个监控主机，形成一个分布式集散型的数据监测网络。无线方案便于传感器节点的灵活安装；有线方案便于实现远距离数据传输。 （4）研制了监控主机，开发了终端监控软件。监控主机具有人机接口（包括LCD 显示、键盘）、无线传输接口、RS485接口，同时具备现场声、光报警功能；终端监控软件实时动态显示当前异常信息值，并绘制异常信息曲线图，具备终端报警阈值设定、现场报警功能。 本文的创新与价值之处在于： （1）紧密结合本次大地震这一特殊事件，运用专业技术，研制震后综合信息监测系统，对地震引发的次生灾害进行监测预警，为科技减灾收集第一手资料，具有很强的现实性和实用性。 （2）将倾角、位移、压力与γ辐射测量有机地结合起来，为我国核工业生产单位这一特殊行业研制安全监测系统，在国内外尚未见到相关报道，是一种集成创新。 （3）相关技术为大型安全监测系统的开发打下了基础，可以应用到地质灾害预警、设施稳定性监测及环境监测等领域，具有一定的科学价值。