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基于无线倾角传感器的地下隧道变形检测
一、监测的必要性
目前，我国轨道交通发展迅猛，轨道交通的结构健康监测的重要性日渐突出。轨道交通地下隧道一般建在软土层中，多处于地质复杂、地下管道密集的闹市中心。加上地铁沿线区域的城市建设和不均匀沉降等原因，会造成地下隧道结构变形，给地铁的正常运行带来安全隐患，甚至会对周边环境或建筑造成沉降和位移等。当变形超出安全范围，隧道会发生塌方、透水等危及人身和财产安全的重大事故。因此，对地下隧道结构变形的安全状况实时监控越来越重要。由于地下隧道监控数据点种类多、环境复杂，并且分布分散，对地下隧道监控网络布置及传感器提出了更高的要求。传统的地下隧道变形监测技术只能用于隧道施工和隧道建成非运营时段的监测，却不能对隧道内正常运营的高密度行车区间进行全天候实时监测，也不能对采集到的相关数据实时分析，这样就不能全面地了解地下隧道运营期间的结构形变，造成很多隧道病害事故得不到及时的预警。无线传感器网络具有布局灵活、结构易变、生命力较强等特点；MEMS传感器具有体积小、重量轻、功耗低、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化。将MEMS技术和无线传感器网络技术相结合，用于结构安全健康检测，已经成为土木工程领域的前沿方向。本文根据地下隧道环境复杂的特点，设计了一种结合MEMS技术和无线传感器网络的无线倾角传感器。
二、产品介绍
1、无线倾角传感器
wuxiiot传感的无线倾角传感器采用最先进的无线物联网技术——LORA技术，同时具有低功耗和长距离通信的特性，通信距离可达5km，传感器内置单/双通道地球引力倾斜单元，通过测量静态重力加速度，转换成倾角变化。从而可以测量传感器输出相对于水平面的倾斜角度。能实时输出当前的姿态倾角。无线倾角传感器使用简单，是角度物理量检测和监测的理想选择，抗外界电磁干扰能力强、可适应在工业恶劣环境中长期工作。
产品特点
● 超低功耗，使用寿命＞10年@每小时采集并发送一组数据
● 长距离通信，相邻通信节点距离可达5km以上
● 无线自组网功能，传感器能够与LORA数据接收器自动完成组网，网络连通率高
● 外形小巧，重量轻，方便安装
产品参数
量程 ：（MMS-F-Q01）±90°
（MMS-F-Q02） ±30°
（MMS-F-Q03） ±15°
测量轴 ：（MMS-F-Q01）双轴
（MMS-F-Q02） 双轴
（MMS-F-Q03）单轴 或双轴
测量精度 ：（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°
零点温度漂移：（MMS-F-Q01） ＜±0.01/℃
（MMS-F-Q02 ）＜±0.001/℃
（MMS-F-Q03）＜±0.0005/℃
数据采集频率： 典型值10Hz,可任意设置
数据发送频率 ：典型值60s，可任意设置
工作电流： 40uA
无线协议： LoRa
通信频段 ：433MHz
工作温度：-40-85℃
通信距离： 最远超过5km
电池规格： 3.6V，18500锂亚硫电池
外壳材质: 铝磨砂氧化
抗冲击 ：3500g,0.5ms,3次/轴
重量 ：115g
防护等级 ：IP67
外尺寸 ：80mm*51mm*25mm
2、LoRa数据接收器
wuxiiot传感的MMS-F-1000型LoRa数据接收器能为各种LoRa无线传感器提供网络路由，接收网络范围内所有传感器发送的数据，同时把接收到数据进行打包并通过USB接口传输给后台的解调软件，MMS-F-1000型LoRa数据接收器采用USB供电，使用方便，配合笔记本电脑和解调软件，非常适用于工程现场的临时数据采集和分析。
产品特点
● 长距离通信，网络覆盖半径可达5km以上
● 自动组网，无需现场配置
● 外形小巧，重量轻，使用方便
产品参数
适配传感器类型： MMS-F系列无线传感器
传感器容量： 典型值16，可扩展
供电方式： USB供电，DC 5V
通信频段： 433MHz
网络覆盖半径： ＞5km
数据存储功能： 无
无线协议： LoRa
防护等级 ：IP30
功耗 ：小于3W
重量： 150g
工作温度 ：-40℃-85℃
外尺寸 ：80mm*50mm*22m
三、产品应用
无线倾角传感器采用电池供电，将MEMS无线倾角传感器安装在盾构隧道内衬砌圆环的管片上，包括封顶块、邻接块、标准块、封底块和块与块间以环向螺连接构成的纵向接头等不同部位；实时测量隧道管片内各部位的倾斜角度，通过组合计算得出管片的实际形变，实现对隧道结构变化准确、有效地实时监测，应用示意如图 (c)所示。
四、环境干扰分析
地下隧道环境复杂，主要存在两种因素：温度扰动和振动干扰会对倾角传感器的测量精度造成影响，影响测量角度的准确性。
4.I温度干扰
地铁系统的地下隧道是一个由车站、隧道和通风竖井组成的复杂三维网络，空气的流通状态会造成地下隧道不同节点处温度的变化。隧道土层对热量的吸收和传导也会影响温度场的分布规律。因此，地下隧道是一个复杂的温度梯度场，温度的变化会对传感器的精度造成一定影响。
SCAl00T是一种静态加速度的倾角传感器，重力和传感器加速度灵敏轴之间的夹角就是倾斜的角度，其倾斜角度的转换模型为
式中：a为倾斜角度，Uout为SCA100T的输出电压，V0为传感器在角度为O°时的输出电压，S为芯片的灵敏度。由于温度变化会引起输出电压的偏移，考虑到地下隧道温差的实时变化，需要提取隧道中的温度信息，补偿倾角传感器的偏移电压，从而减小温度干扰对传感器精度的影响。
4.2振动干扰
地下隧道环境内振动噪声主要来源于机车行驶过程中产生的振动。文献指出，当前地铁产生的振动噪声的频率一般在20---200 Hz，峰值一般出现在20～80HZ。
在上海地铁11号线昌吉东路站对振动信号进行检测，利用加速度传感器对振动信号进行采样，采样频率为5 kHz，采样点数为32678，得到实测地铁振动信号时域曲线如图4(a)所示，通过Matlab利用FFT变换得到其频域曲线，如图4(b)所示。
从图(4)看出，地铁振动噪声频率主要集中在20---160 Hz，其他频段的分量很小。地铁振动在隧道结构上产生的噪声幅值一般是0.029左右。由于SCAl00T分辨率非常高，可以识别出40ug左右的微加速度信号，在倾角测量过程中很容易受到地铁振动噪声的干扰。因此需要给控制器选择合适的数字滤波算法，消除地铁振动噪声对传感器精度的影响。
五、结 论
为实现轨道交通地下隧道的实时变形监测和数据的及时反馈分析，结合MEMS技术和无线传感器网络技术，设计了一种高精度的无线倾角传感器，分析各种环境参数对传感器精度的影响，通过对传感器数据噪声频谱分析，选择软件滤波方法，充分抑制振动对传感器的影响，进一步提升无线倾角传感器的测量精度。实验结果证明：无线倾角传感器在±30°内的测量精度为0.05°，符合地下隧道变形检测的功能需求。
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