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無線傾角傳感器在地下隧道變形檢測的應(yīng)用

發(fā)布時間:2018-10-12 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】本文根據(jù)地下隧道環(huán)境復(fù)雜的特點,設(shè)計了一種結(jié)合MEMS技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傾角傳感器。分析各種環(huán)境參數(shù)對傳感器精度的影響,通過對傳感器數(shù)據(jù)噪聲頻譜分析,選擇軟件濾波方法,充分抑制振動對傳感器的影響,進一步提升無線傾角傳感器的測量精度。
 
一、監(jiān)測的必要性
 
目前,我國軌道交通發(fā)展迅猛,軌道交通的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要性日漸突出。軌道交通地下隧道一般建在軟土層中,多處于地質(zhì)復(fù)雜、地下管道密集的鬧市中心。加上地鐵沿線區(qū)域的城市建設(shè)和不均勻沉降等原因,會造成地下隧道結(jié)構(gòu)變形,給地鐵的正常運行帶來安全隱患,甚至?xí)χ苓叚h(huán)境或建筑造成沉降和位移等。當(dāng)變形超出安全范圍,隧道會發(fā)生塌方、透水等危及人身和財產(chǎn)安全的重大事故。因此,對地下隧道結(jié)構(gòu)變形的安全狀況實時監(jiān)控越來越重要。由于地下隧道監(jiān)控數(shù)據(jù)點種類多、環(huán)境復(fù)雜,并且分布分散,對地下隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布置及傳感器提出了更高的要求。傳統(tǒng)的地下隧道變形監(jiān)測技術(shù)只能用于隧道施工和隧道建成非運營時段的監(jiān)測,卻不能對隧道內(nèi)正常運營的高密度行車區(qū)間進行全天候?qū)崟r監(jiān)測,也不能對采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)實時分析,這樣就不能全面地了解地下隧道運營期間的結(jié)構(gòu)形變,造成很多隧道病害事故得不到及時的預(yù)警。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布局靈活、結(jié)構(gòu)易變、生命力較強等特點;MEMS傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、易于集成以及耐惡劣工作環(huán)境等優(yōu)勢,極大地促進了傳感器的微型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化。將MEMS技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,用于結(jié)構(gòu)安全健康檢測,已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域的前沿方向。本文根據(jù)地下隧道環(huán)境復(fù)雜的特點,設(shè)計了一種結(jié)合MEMS技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傾角傳感器。
 
二、產(chǎn)品介紹
 
1、無線傾角傳感器
 
 
wuxiiot傳感的無線傾角傳感器采用最先進的無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——LORA技術(shù),同時具有低功耗和長距離通信的特性,通信距離可達(dá)5km,傳感器內(nèi)置單/雙通道地球引力傾斜單元,通過測量靜態(tài)重力加速度,轉(zhuǎn)換成傾角變化。從而可以測量傳感器輸出相對于水平面的傾斜角度。能實時輸出當(dāng)前的姿態(tài)傾角。無線傾角傳感器使用簡單,是角度物理量檢測和監(jiān)測的理想選擇,抗外界電磁干擾能力強、可適應(yīng)在工業(yè)惡劣環(huán)境中長期工作。
 
產(chǎn)品特點
 
●  超低功耗,使用壽命>10年@每小時采集并發(fā)送一組數(shù)據(jù)
 
●  長距離通信,相鄰?fù)ㄐ殴?jié)點距離可達(dá)5km以上
 
●  無線自組網(wǎng)功能,傳感器能夠與LORA數(shù)據(jù)接收器自動完成組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)連通率高
 
●  外形小巧,重量輕,方便安裝
 
產(chǎn)品參數(shù)
 
 
2、LoRa數(shù)據(jù)接收器
 
 
wuxiiot傳感的MMS-F-1000型LoRa數(shù)據(jù)接收器能為各種LoRa無線傳感器提供網(wǎng)絡(luò)路由,接收網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)所有傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù),同時把接收到數(shù)據(jù)進行打包并通過USB接口傳輸給后臺的解調(diào)軟件,MMS-F-1000型LoRa數(shù)據(jù)接收器采用USB供電,使用方便,配合筆記本電腦和解調(diào)軟件,非常適用于工程現(xiàn)場的臨時數(shù)據(jù)采集和分析。
 
產(chǎn)品特點
 
●  長距離通信,網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑可達(dá)5km以上
 
●  自動組網(wǎng),無需現(xiàn)場配置
 
●  外形小巧,重量輕,使用方便
 
產(chǎn)品參數(shù)
 
 
三、產(chǎn)品應(yīng)用
 
無線傾角傳感器采用電池供電,將MEMS無線傾角傳感器安裝在盾構(gòu)隧道內(nèi)襯砌圓環(huán)的管片上,包括封頂塊、鄰接塊、標(biāo)準(zhǔn)塊、封底塊和塊與塊間以環(huán)向螺連接構(gòu)成的縱向接頭等不同部位;實時測量隧道管片內(nèi)各部位的傾斜角度,通過組合計算得出管片的實際形變,實現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)變化準(zhǔn)確、有效地實時監(jiān)測,應(yīng)用示意如圖(c)所示。
 
 
四、環(huán)境干擾分析
 
地下隧道環(huán)境復(fù)雜,主要存在兩種因素:溫度擾動和振動干擾會對傾角傳感器的測量精度造成影響,影響測量角度的準(zhǔn)確性。
 
4.I溫度干擾
 
地鐵系統(tǒng)的地下隧道是一個由車站、隧道和通風(fēng)豎井組成的復(fù)雜三維網(wǎng)絡(luò),空氣的流通狀態(tài)會造成地下隧道不同節(jié)點處溫度的變化。隧道土層對熱量的吸收和傳導(dǎo)也會影響溫度場的分布規(guī)律。因此,地下隧道是一個復(fù)雜的溫度梯度場,溫度的變化會對傳感器的精度造成一定影響。
 
SCAl00T是一種靜態(tài)加速度的傾角傳感器,重力和傳感器加速度靈敏軸之間的夾角就是傾斜的角度,其傾斜角度的轉(zhuǎn)換模型為
 
 
式中:a為傾斜角度,Uout為SCA100T的輸出電壓,V0為傳感器在角度為O°時的輸出電壓,S為芯片的靈敏度。由于溫度變化會引起輸出電壓的偏移,考慮到地下隧道溫差的實時變化,需要提取隧道中的溫度信息,補償傾角傳感器的偏移電壓,從而減小溫度干擾對傳感器精度的影響。
 
4.2振動干擾
 
地下隧道環(huán)境內(nèi)振動噪聲主要來源于機車行駛過程中產(chǎn)生的振動。文獻(xiàn)指出,當(dāng)前地鐵產(chǎn)生的振動噪聲的頻率一般在20---200 Hz,峰值一般出現(xiàn)在20~80HZ。
    
在上海地鐵11號線昌吉東路站對振動信號進行檢測,利用加速度傳感器對振動信號進行采樣,采樣頻率為5 kHz,采樣點數(shù)為32678,得到實測地鐵振動信號時域曲線如圖4(a)所示,通過Matlab利用FFT變換得到其頻域曲線,如圖4(b)所示。
    
從圖(4)看出,地鐵振動噪聲頻率主要集中在20---160Hz,其他頻段的分量很小。地鐵振動在隧道結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的噪聲幅值一般是0.029左右。由于SCAl00T分辨率非常高,可以識別出40ug左右的微加速度信號,在傾角測量過程中很容易受到地鐵振動噪聲的干擾。因此需要給控制器選擇合適的數(shù)字濾波算法,消除地鐵振動噪聲對傳感器精度的影響。
 
 
 
 
五、結(jié) 論
 
為實現(xiàn)軌道交通地下隧道的實時變形監(jiān)測和數(shù)據(jù)的及時反饋分析,結(jié)合MEMS技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),設(shè)計了一種高精度的無線傾角傳感器,分析各種環(huán)境參數(shù)對傳感器精度的影響,通過對傳感器數(shù)據(jù)噪聲頻譜分析,選擇軟件濾波方法,充分抑制振動對傳感器的影響,進一步提升無線傾角傳感器的測量精度。實驗結(jié)果證明:無線傾角傳感器在±30°內(nèi)的測量精度為0.05°,符合地下隧道變形檢測的功能需求。
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