基于無線傾角傳感器的地下隧道變形檢測

一、監測的必要性
目前，我國軌道交通發展迅猛，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，多處于地質復雜、地下管道密集的鬧市中心。加上地鐵沿線區域的城市建設和不均勻沉降等原因，會造成地下隧道結構變形，給地鐵的正常運行帶來安全隱患，甚至會對周邊環境或建筑造成沉降和位移等。當變形超出安全范圍，隧道會發生塌方、透水等危及人身和財產安全的重大事故。因此，對地下隧道結構變形的安全狀況實時監控越來越重要。由于地下隧道監控數據點種類多、環境復雜，并且分布分散，對地下隧道監控網絡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只能用于隧道施工和隧道建成非運營時段的監測，卻不能對隧道內正常運營的高密度行車區間進行全天候實時監測，也不能對采集到的相關數據實時分析，這樣就不能全面地了解地下隧道運營期間的結構形變，造成很多隧道病害事故得不到及時的預警。無線傳感器網絡具有布局靈活、結構易變、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境等優勢，極大地促進了傳感器的微型化、智能化、多功能化和網絡化。將MEMS技術和無線傳感器網絡技術相結合，用于結構安全健康檢測，已經成為土木工程領域的前沿方向。本文根據地下隧道環境復雜的特點，設計了一種結合MEMS技術和無線傳感器網絡的無線傾角傳感器。

二、產品介紹
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網技術——LORA技術，同時具有低功耗和長距離通信的特性，通信距離可達5km，傳感器內置單/雙通道地球引力傾斜單元，通過測量靜態重力加速度，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。能實時輸出當前的姿態傾角。無線傾角傳感器使用簡單，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、可適應在工業惡劣環境中長期工作。 
 

產品特點
●  超低功耗，使用壽命＞10年@每小時采集并發送一組數據
●  長距離通信，相鄰通信節點距離可達5km以上
●  無線自組網功能，傳感器能夠與LORA數據接收器自動完成組網，網絡連通率高 
●  外形小巧，重量輕，方便安裝
 
 產品參數
 

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°
零點溫度漂移：（MMS-F-Q01） ＜±0.01/℃ 
              （MMS-F-Q02 ）＜±0.001/℃ 
              （MMS-F-Q03）＜±0.0005/℃
數據采集頻率： 典型值10Hz,可任意設置
數據發送頻率 ：典型值60s，可任意設置
工作電流： 40uA
無線協議： LoRa
通信頻段 ：433MHz
工作溫度：-40-85℃
通信距離： 最遠超過5km
電池規格： 3.6V，18500鋰亞硫電池
外殼材質: 鋁磨砂氧化
抗沖擊 ：3500g,0.5ms,3次/軸
重量 ：115g
防護等級 ：IP67
外尺寸 ：80mm*51mm*25mm

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無線傳感器提供網絡路由，接收網絡范圍內所有傳感器發送的數據，同時把接收到數據進行打包并通過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的臨時數據采集和分析。

產品特點
●  長距離通信，網絡覆蓋半徑可達5km以上
●  自動組網，無需現場配置 
●  外形小巧，重量輕，使用方便
 
產品參數

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，可擴展
供電方式： USB供電，DC 5V 
通信頻段： 433MHz
網絡覆蓋半徑： ＞5km 
數據存儲功能： 無
無線協議： LoRa 
防護等級 ：IP30
功耗 ：小于3W 
重量： 150g
工作溫度 ：-40℃-85℃ 
外尺寸 ：80mm*50mm*22m

三、產品應用
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隧道內襯砌圓環的管片上，包括封頂塊、鄰接塊、標準塊、封底塊和塊與塊間以環向螺連接構成的縱向接頭等不同部位；實時測量隧道管片內各部位的傾斜角度，通過組合計算得出管片的實際形變，實現對隧道結構變化準確、有效地實時監測，應用示意如圖 (c)所示。
 
四、環境干擾分析
地下隧道環境復雜，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，影響測量角度的準確性。
4.I溫度干擾
地鐵系統的地下隧道是一個由車站、隧道和通風豎井組成的復雜三維網絡，空氣的流通狀態會造成地下隧道不同節點處溫度的變化。隧道土層對熱量的吸收和傳導也會影響溫度場的分布規律。因此，地下隧道是一個復雜的溫度梯度場，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
地下隧道環境內振動噪聲主要來源于機車行駛過程中產生的振動。文獻指出，當前地鐵產生的振動噪聲的頻率一般在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。地鐵振動在隧道結構上產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字濾波算法，消除地鐵振動噪聲對傳感器精度的影響。
 

五、結 論
為實現軌道交通地下隧道的實時變形監測和數據的及時反饋分析，結合MEMS技術和無線傳感器網絡技術，設計了一種高精度的無線傾角傳感器，分析各種環境參數對傳感器精度的影響，通過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。實驗結果證明：無線傾角傳感器在±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。