基于適用于地下隧道環(huán)境復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)傾角傳感器介紹

一、監(jiān)測(cè)的必要性

目前，我國(guó)軌道交通發(fā)展迅猛，軌道交通的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(xiàn)區(qū)域的城市建設(shè)和不均勻沉降等原因，會(huì)造成地下隧道結(jié)構(gòu)變形，給地鐵的正常運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，甚至?xí)?duì)周邊環(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(huì)發(fā)生塌方、透水等危及人身和財(cái)產(chǎn)安全的重大事故。因此，對(duì)地下隧道結(jié)構(gòu)變形的安全狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控越來(lái)越重要。由于地下隧道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)種類(lèi)多、環(huán)境復(fù)雜，并且分布分散，對(duì)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(cè)技術(shù)只能用于隧道施工和隧道建成非運(yùn)營(yíng)時(shí)段的監(jiān)測(cè)，卻不能對(duì)隧道內(nèi)正常運(yùn)營(yíng)的高密度行車(chē)區(qū)間進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，也不能對(duì)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，這樣就不能全面地了解地下隧道運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)形變，造成很多隧道病害事故得不到及時(shí)的預(yù)警。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布局靈活、結(jié)構(gòu)易變、生命力較強(qiáng)等特點(diǎn)；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(shì)，極大地促進(jìn)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(wú)線(xiàn)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(cè)，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(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合MEMS技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)傾角傳感器。

二、產(chǎn)品介紹
1、無(wú)線(xiàn)傾角傳感器

wuxiiot傳感的無(wú)線(xiàn)傾角傳感器采用最先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——LORA技術(shù)，同時(shí)具有低功耗和長(zhǎng)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(guò)測(cè)量靜態(tài)重力加速度，轉(zhuǎn)換成傾角變化。從而可以測(cè)量傳感器輸出相對(duì)于水平面的傾斜角度。能實(shí)時(shí)輸出當(dāng)前的姿態(tài)傾角。無(wú)線(xiàn)傾角傳感器使用簡(jiǎn)單，是角度物理量檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的理想選擇，抗外界電磁干擾能力強(qiáng)、可適應(yīng)在工業(yè)惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期工作。

產(chǎn)品特點(diǎn)

●? 超低功耗，使用壽命＞10年@每小時(shí)采集并發(fā)送一組數(shù)據(jù)

●? 長(zhǎng)距離通信，相鄰?fù)ㄐ殴?jié)點(diǎn)距離可達(dá)5km以上

●? 無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)功能，傳感器能夠與LORA數(shù)據(jù)接收器自動(dòng)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(wú)線(xiàn)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(shí)把接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并通過(guò)USB接口傳輸給后臺(tái)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(chǎng)的臨時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析。

產(chǎn)品特點(diǎn)

●? 長(zhǎng)距離通信，網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑可達(dá)5km以上

●? 自動(dòng)組網(wǎng)，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線(xiàn)傾角傳感器采用電池供電，將MEMS無(wú)線(xiàn)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(shí)時(shí)測(cè)量隧道管片內(nèi)各部位的傾斜角度，通過(guò)組合計(jì)算得出管片的實(shí)際形變，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變化準(zhǔn)確、有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(dòng)和振動(dòng)干擾會(huì)對(duì)傾角傳感器的測(cè)量精度造成影響，影響測(cè)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(gè)由車(chē)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(huì)造成地下隧道不同節(jié)點(diǎn)處溫度的變化。隧道土層對(duì)熱量的吸收和傳導(dǎo)也會(huì)影響溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。因此，地下隧道是一個(gè)復(fù)雜的溫度梯度場(chǎng)，溫度的變化會(huì)對(duì)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(shí)的輸出電壓，S為芯片的靈敏度。由于溫度變化會(huì)引起輸出電壓的偏移，考慮到地下隧道溫差的實(shí)時(shí)變化，需要提取隧道中的溫度信息，補(bǔ)償傾角傳感器的偏移電壓，從而減小溫度干擾對(duì)傳感器精度的影響。

4.2振動(dòng)干擾

地下隧道環(huán)境內(nèi)振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于機(jī)車(chē)行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)。文獻(xiàn)指出，當(dāng)前地鐵產(chǎn)生的振動(dòng)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(hào)線(xiàn)昌吉東路站對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，利用加速度傳感器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣頻率為5 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為32678，得到實(shí)測(cè)地鐵振動(dòng)信號(hào)時(shí)域曲線(xiàn)如圖4(a)所示，通過(guò)Matlab利用FFT變換得到其頻域曲線(xiàn)，如圖4(b)所示。

從圖(4)看出，地鐵振動(dòng)噪聲頻率主要集中在20---160Hz，其他頻段的分量很小。地鐵振動(dòng)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(shí)別出40ug左右的微加速度信號(hào)，在傾角測(cè)量過(guò)程中很容易受到地鐵振動(dòng)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(dòng)噪聲對(duì)傳感器精度的影響。

五、結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)軌道交通地下隧道的實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的及時(shí)反饋分析，結(jié)合MEMS技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高精度的無(wú)線(xiàn)傾角傳感器，分析各種環(huán)境參數(shù)對(duì)傳感器精度的影響，通過(guò)對(duì)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(dòng)對(duì)傳感器的影響，進(jìn)一步提升無(wú)線(xiàn)傾角傳感器的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：無(wú)線(xiàn)傾角傳感器在±30°內(nèi)的測(cè)量精度為0.05°，符合地下隧道變形檢測(cè)的功能需求。