基于傾角傳感技術(shù)的陣列式高精度傾斜監(jiān)測系統(tǒng)

鄧鑫潔 魏世玉 曾 杰

(1. 重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院, 重慶 400000; 2. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院, 重慶 400000)

0 引言

開展變形監(jiān)測是確保建筑物安全使用的重要手段,其中傾斜變形監(jiān)測是高大建筑物變形監(jiān)測的重點(diǎn)任務(wù)之一。目前傾斜變形監(jiān)測主要采用傳統(tǒng)大地測量方法和遙感手段等。傳統(tǒng)大地測量方法,如全站儀、水準(zhǔn)儀等設(shè)備,存在人為影響因素多、觀測精度及可靠性難以保證、觀測效率低下、難以實現(xiàn)實時、連續(xù)、長期監(jiān)測等缺點(diǎn)[1-2];近景攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)等遙感手段具有自動化程度高、信息量大、高精度、實時性等優(yōu)點(diǎn), 但同時存在設(shè)備昂貴、對場地要求高、需要專門的實踐處理軟件等缺陷[3-4]。

雙軸傾角傳感器由微控制器(Micro-Controller Unit, MCU)、微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)加速度計、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、通訊單元高度集成,其通過把物體相對于水平面的傾斜角或傾斜角的變化轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信號或數(shù)字信號,計算得出相對應(yīng)的傾角值,實現(xiàn)雙軸傾斜觀測[5]。由于MEMS 的快速發(fā)展,基于傳感技術(shù)的監(jiān)測手段逐步得到應(yīng)用,近年來國內(nèi)外不斷出現(xiàn)由傾角傳感器構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò),用于高層建筑、大跨度橋梁監(jiān)測、電力塔監(jiān)測的應(yīng)用實例[6-8]。單一傳感器存在單次觀測成果精度低、可靠性差、無線傳輸穩(wěn)定性差以及不支持雙向通信等問題。本文設(shè)計了一種基于陣列式雙軸傾角傳感器的結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測設(shè)備,該設(shè)備具有觀測樣本大、觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn),為高大建構(gòu)筑物等結(jié)構(gòu)的傾斜位移監(jiān)測提供了一種新思路。

1 雙軸傾角傳感器陣列

單一傳感器單次觀測得出的成果精度低、可靠性差,針對這一問題,結(jié)合最小二乘原理,可將傾角傳感器組成不同形式的觀測陣列,如直線型、L型、環(huán)形等,增加多余觀測量,平差處理后提升觀測精度。國內(nèi)外對陣列式傳感器在各行業(yè)的應(yīng)用研究很多[9-11],這種應(yīng)用形式可有效提高觀測精度、提升設(shè)備可靠性。本監(jiān)測裝置針對高大建筑物的傾斜變形監(jiān)測需求,選取雙軸傾角傳感器,分別就長邊及轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測場景,設(shè)計兩種傳感陣列構(gòu)成方式,如圖1所示。

圖1 直線型和L型傳感陣列結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測裝置設(shè)計

整個監(jiān)測裝置由三部分構(gòu)成,分別是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊部分、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件。以直線型為例,整個裝置包含陣列雙軸傾角傳感器、殼體、通訊模組、存儲單元、數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制電路模塊、電源管理模塊和數(shù)據(jù)交換接口,其中陣列雙軸傾角傳感器用于感受信號,并把信號傳遞給數(shù)據(jù)采集處理模塊,電源管理模塊與陣列雙軸傾角傳感器、通訊模組、存儲單元、數(shù)據(jù)采集處理模塊和控制電路模塊均電連接,控制電路模塊與所述通訊模組、存儲單元、陣列雙軸傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集處理模塊和數(shù)據(jù)交換接口均電連接,數(shù)據(jù)交換接口與通信模塊相連接。詳細(xì)分布如圖2所示。

圖2 直線型檢測系統(tǒng)布置圖

2.1 數(shù)據(jù)采集處理模塊

監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)粗差剔除、系統(tǒng)誤差改正、偶然誤差平滑降噪等功能,數(shù)據(jù)分析模塊實現(xiàn)以觀測成果為數(shù)據(jù)源在時間域尺度上繪制變形過程線,運(yùn)用數(shù)據(jù)分析方法預(yù)測變形趨勢等功能。其中監(jiān)測數(shù)據(jù)流程及管理分析系統(tǒng)軟件功能框架如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)流程及軟件功能架構(gòu)

針對數(shù)據(jù)預(yù)處理功能,傾角傳感器所采集電信號(AD值),通過數(shù)據(jù)解譯模塊轉(zhuǎn)換為可識讀信號,繼而由數(shù)據(jù)處理芯片進(jìn)行預(yù)處理,傳輸至無線數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

對變形體的傾角元素進(jìn)行觀測時,每個傾角傳感器單次觀測3·i(i=1,2…,n)次傾角數(shù)據(jù),形成3·i×3·i或3·i×5·i的觀測陣列(i值依據(jù)實際需要合理選取)。數(shù)據(jù)處理模塊采用Grubbs準(zhǔn)則對原始觀測量進(jìn)行粗差剔除,剔除粗差后的數(shù)據(jù)序列取其平均值,返回一個平差后的觀測量。具體而言,若某測量值xi對應(yīng)的殘差vi滿足式(1),則應(yīng)將該數(shù)據(jù)舍去。

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2.2 通信功能

通信模組是實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化傳輸?shù)暮诵牟考?遠(yuǎn)程通信模組應(yīng)具備安全性、可靠性以及低功耗的特性。實際應(yīng)用中已有成熟可靠的設(shè)備提供,可實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳,同時支持后臺對現(xiàn)場設(shè)備的有效控制。

2.2.1無線通信

選用移遠(yuǎn)通信推出的LTE Cat 4 無線通信模塊EC20 R2.1,內(nèi)置多星座高精度定位GNSS接收機(jī),定位精度保證1～5 m。

2.2.2物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)

Long Rang(LoRa)是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的低功耗長距離無線通信技術(shù),在城市中無線距離范圍是1～2 km,在郊區(qū)無線距離最高可達(dá)15 km,同時對建筑物的穿透力很強(qiáng)[12],可滿足本監(jiān)測系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的要求。

2.3 核心電路

MEMS微傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源技術(shù)是現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)[13]。為確保設(shè)備的低功耗、長壽命,采用遵循傳感、控制隔離、主控電路通用性、傳感電路可擴(kuò)展的設(shè)計思路,降低設(shè)備正常工作對電量的需求,同時預(yù)留多供電接口,支持鋰電池、蓄電池以及太陽能多種供電方式,以滿足野外不同的供電條件。為能抗擊LoRa無線模塊、遠(yuǎn)程通信模塊等單元電路工作時產(chǎn)生的強(qiáng)電壓跌落和電磁干擾,提升觀測可靠性,核心電路基于“傾斜雙通道冗余信號調(diào)理”思路進(jìn)行設(shè)計,如圖4所示。VREF-2.5是精密恒壓源電路,它給傳感器提供精密恒定的2.5 V參考信號,傳感器隨著微小位移(裂縫)的變化輸出平滑的電信號,通過雙路阻抗變換后輸出到CPU的ADC接口,采集對應(yīng)16位數(shù)據(jù)。

圖4 雙通道冗余信號調(diào)理電路設(shè)計圖

3 測試及實驗結(jié)果

針對觀測功能及精度,選用觀測精度高于本裝置的AP-360-JR型數(shù)顯萬能角度尺(分辨率為30″)開展對比測試。基于固定角度,利用兩種設(shè)備同步觀測,評定其觀測數(shù)據(jù)的符合度,論證本文所述設(shè)備的觀測功能及觀測精度,測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。測試結(jié)果表明本文所述設(shè)備其X向角度觀測中誤差σ=±0.012°,相對于全量程(±30°)的相對誤差均值為0.04%F·S;其Y向角度觀測中誤差σ=±0.014°,相對于全量程(±30°)的相對誤差均值為0.04%F·S;雙向傾角觀測絕對誤差中誤差為σ=±0.013°,相對于全量程(±30°)雙向觀測相對誤差中值為0.04%F·S。

圖5 測試數(shù)據(jù)成果展示

針對通信功能,選取重慶市市區(qū)環(huán)境較復(fù)雜的路線開展測試,路線選取兼顧地下室、建筑物內(nèi)、野外植被覆蓋環(huán)境、野外電磁干擾環(huán)境(機(jī)場航站樓)。測試結(jié)果表明裝置通信成功率為100%,最大通信延遲時間為2 min,基本滿足通訊功能可靠性及環(huán)境適應(yīng)性。

應(yīng)用示范選用重慶市某總高約84 m寫字樓,埋設(shè)兩套設(shè)備,開展長達(dá)31 d的監(jiān)測,獲取傾斜形變過程線如圖6所示。該項目同步開展第三方基礎(chǔ)沉降監(jiān)測,監(jiān)測方法為傳統(tǒng)大地測量方法,其結(jié)論為“2018年10月12日至22日,南側(cè)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測結(jié)果表明,該軸線產(chǎn)生了差異沉降過程,其中南東角沉降速率快于南西角,主體產(chǎn)生Y正向傾斜,傾斜率介于0.23～1.25之間”。結(jié)果表明:(1)未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象,裝置的環(huán)境適應(yīng)力及通訊功能可靠性均得到驗證;(2)采用充放電測試系統(tǒng)對示范前后電池容量進(jìn)行實測,論證了裝置的內(nèi)置電池配置能滿足野外長期運(yùn)行要求;(3)其監(jiān)測數(shù)據(jù)和形變過程線所得結(jié)論與第三方基礎(chǔ)沉降監(jiān)測所得結(jié)論基本吻合,其中論證了裝置的觀測可靠性。

圖6 傾斜形變過程線

4 結(jié)束語

陣列式高精度自動化傾斜監(jiān)測裝置是微加速度計在高精度變形監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用,具有以下特點(diǎn):(1)傾角傳感器陣列式布局設(shè)計,增大多余觀測量,確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和高精度;(2)變形監(jiān)測系統(tǒng)硬件高集成化,實現(xiàn)1～3 km的傳輸距離,低能耗待機(jī)時間不低于1a;(3)實現(xiàn)變形監(jiān)測過程及數(shù)據(jù)分析的自動化。該技術(shù)路線有別于目前常見的傾角傳感器觀測裝置,具有觀測樣本大、觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、精度高、自動化程度高、互動性強(qiáng)等特性,可用于常見的建構(gòu)筑物等結(jié)構(gòu)傾斜位移、危巖體傾斜形變的監(jiān)測工作中。