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基于無線傾角傳感器的地下隧道變形檢測
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(yùn)行帶來安全隱患，甚至?xí)䦟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(diǎn)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(yùn)營時段的監(jiān)測，卻不能對隧道內(nèi)正常運(yùn)營的高密度行車區(qū)間進(jìn)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(yùn)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(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，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(diǎn)，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(jìn)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(qiáng)、可適應(yīng)在工業(yè)惡劣環(huán)境中長期工作。
產(chǎn)品特點(diǎn)
● 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(diǎn)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)
量程 ：（MMS-F-Q01）±90°
（MMS-F-Q02） ±30°
（MMS-F-Q03） ±15°
測量軸 ：（MMS-F-Q01）雙軸
（MMS-F-Q02） 雙軸
（MMS-F-Q03）單軸 或雙軸
測量精度 ：（MMS-F-Q01）±0.05°
（MMS-F-Q02 ）±0.02°
（MMS-F-Q03）±0.005°
分辨率 ：（MMS-F-Q01）0.005°
（MMS-F-Q02 ）0.002°
（MMS-F-Q03） 0.0005°
零點(diǎn)溫度漂移：（MMS-F-Q01） ＜±0.01/℃
（MMS-F-Q02 ）＜±0.001/℃
（MMS-F-Q03）＜±0.0005/℃
數(shù)據(jù)采集頻率： 典型值10Hz,可任意設(shè)置
數(shù)據(jù)發(fā)送頻率 ：典型值60s，可任意設(shè)置
工作電流： 40uA
無線協(xié)議： LoRa
通信頻段 ：433MHz
工作溫度：-40-85℃
通信距離： 最遠(yuǎn)超過5km
電池規(guī)格： 3.6V，18500鋰亞硫電池
外殼材質(zhì): 鋁磨砂氧化
抗沖擊 ：3500g,0.5ms,3次/軸
重量 ：115g
防護(hù)等級 ：IP67
外尺寸 ：80mm*51mm*25mm
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(jìn)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(diǎn)
● 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)
適配傳感器類型： MMS-F系列無線傳感器
傳感器容量： 典型值16，可擴(kuò)展
供電方式： USB供電，DC 5V
通信頻段： 433MHz
網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑： ＞5km
數(shù)據(jù)存儲功能： 無
無線協(xié)議： LoRa
防護(hù)等級 ：IP30
功耗 ：小于3W
重量： 150g
工作溫度 ：-40℃-85℃
外尺寸 ：80mm*50mm*22m
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(diǎn)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(bǔ)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(jī)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(jìn)行檢測，利用加速度傳感器對振動信號進(jìn)行采樣，采樣頻率為5 kHz，采樣點(diǎn)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---160 Hz，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(jìn)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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