目前，我國軌道交通發(fā)展迅猛，軌道交通的結構健康監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)復雜、地下管道密集的鬧市中心。加上地鐵沿線(xiàn)區域的城市建設和不均勻沉降等原因，會(huì )造成地下隧道結構變形，給地鐵的正常運行帶來(lái)安全隱患，甚至會(huì )對周邊環(huán)境或建筑造成沉降和位移等。當變形超出安全范圍，隧道會(huì )發(fā)生塌方、透水等危及人身和財產(chǎn)安全的重大事故。因此，對地下隧道結構變形的安全狀況實(shí)時(shí)監控越來(lái)越重要。由于地下隧道監控數據點(diǎn)種類(lèi)多、環(huán)境復雜，并且分布分散，對地下隧道監控網(wǎng)絡(luò )布置及傳感器提出了更高的要求。傳統的地下隧道變形監測技術(shù)只能用于隧道施工和隧道建成非運營(yíng)時(shí)段的監測，卻不能對隧道內正常運營(yíng)的高密度行車(chē)區間進(jìn)行全天候實(shí)時(shí)監測，也不能對采集到的相關(guān)數據實(shí)時(shí)分析，這樣就不能全面地了解地下隧道運營(yíng)期間的結構形變，造成很多隧道病害事故得不到及時(shí)的預警。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有布局靈活、結構易變、生命力較強等特點(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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)相結合，用于結構安全健康檢測，已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域的前沿方向。本文根據地下隧道環(huán)境復雜的特點(diǎn)，設計了一種結合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。

 

 

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(cháng)距離通信的特性，通信距離可達5km，傳感器內置單/雙通道地球引力傾斜單元，通過(guò)測量靜態(tài)重力加速度，轉換成傾角變化。從而可以測量傳感器輸出相對于水平面的傾斜角度。能實(shí)時(shí)輸出當前的姿態(tài)傾角。無(wú)線(xiàn)傾角傳感器使用簡(jiǎn)單，是角度物理量檢測和監測的理想選擇，抗外界電磁干擾能力強、可適應在工業(yè)惡劣環(huán)境中長(cháng)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)送一組數據

 

●  長(cháng)距離通信，相鄰通信節點(diǎn)距離可達5km以上

 

●  無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)功能，傳感器能夠與LORA數據接收器自動(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

 

 

2、LoRa數據接收器

 

 

wuxiiot傳感的MMS-F-1000型LoRa數據接收器能為各種LoRa無(wú)線(xiàn)傳感器提供網(wǎng)絡(luò )路由，接收網(wǎng)絡(luò )范圍內所有傳感器發(fā)送的數據，同時(shí)把接收到數據進(jìn)行打包并通過(guò)USB接口傳輸給后臺的解調軟件，MMS-F-1000型LoRa數據接收器采用USB供電，使用方便，配合筆記本電腦和解調軟件，非常適用于工程現場(chǎng)的臨時(shí)數據采集和分析。

 

產(chǎn)品特點(diǎn)

 

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

 

●  自動(dòng)組網(wǎng)，無(wú)需現場(chǎng)配置

 

●  外形小巧，重量輕，使用方便

 

產(chǎn)品參數

 

 

三、產(chǎn)品應用

 

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隧道內襯砌圓環(huán)的管片上，包括封頂塊、鄰接塊、標準塊、封底塊和塊與塊間以環(huán)向螺連接構成的縱向接頭等不同部位；實(shí)時(shí)測量隧道管片內各部位的傾斜角度，通過(guò)組合計算得出管片的實(shí)際形變，實(shí)現對隧道結構變化準確、有效地實(shí)時(shí)監測，應用示意如圖(c)所示。

 

 

 

地下隧道環(huán)境復雜，主要存在兩種因素：溫度擾動(dòng)和振動(dòng)干擾會(huì )對傾角傳感器的測量精度造成影響，影響測量角度的準確性。

 

4.I溫度干擾

 

地鐵系統的地下隧道是一個(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點(diǎn)處溫度的變化。隧道土層對熱量的吸收和傳導也會(huì )影響溫度場(chǎng)的分布規律。因此，地下隧道是一個(gè)復雜的溫度梯度場(chǎng)，溫度的變化會(huì )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(dòng)干擾

 

地下隧道環(huán)境內振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于機車(chē)行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)。文獻指出，當前地鐵產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲的頻率一般在20---200 Hz，峰值一般出現在20～80HZ。

    

在上海地鐵11號線(xiàn)昌吉東路站對振動(dòng)信號進(jìn)行檢測，利用加速度傳感器對振動(dòng)信號進(jìn)行采樣，采樣頻率為5 kHz，采樣點(diǎn)數為32678，得到實(shí)測地鐵振動(dòng)信號時(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)在隧道結構上產(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(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字濾波算法，消除地鐵振動(dòng)噪聲對傳感器精度的影響。
 

 

 

 

 

為實(shí)現軌道交通地下隧道的實(shí)時(shí)變形監測和數據的及時(shí)反饋分析，結合MEMS技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，設計了一種高精度的無(wú)線(xiàn)傾角傳感器，分析各種環(huán)境參數對傳感器精度的影響，通過(guò)對傳感器數據噪聲頻譜分析，選擇軟件濾波方法，充分抑制振動(dòng)對傳感器的影響，進(jìn)一步提升無(wú)線(xiàn)傾角傳感器的測量精度。實(shí)驗結果證明：無(wú)線(xiàn)傾角傳感器在±30°內的測量精度為0.05°，符合地下隧道變形檢測的功能需求。