基于倾角传感技术的阵列式高精度倾斜监测系统

邓鑫洁 魏世玉 曾 杰

(1. 重庆建筑工程职业学院, 重庆 400000; 2. 重庆地质矿产研究院, 重庆 400000)

0 引言

开展变形监测是确保建筑物安全使用的重要手段,其中倾斜变形监测是高大建筑物变形监测的重点任务之一。目前倾斜变形监测主要采用传统大地测量方法和遥感手段等。传统大地测量方法,如全站仪、水准仪等设备,存在人为影响因素多、观测精度及可靠性难以保证、观测效率低下、难以实现实时、连续、长期监测等缺点[1-2];近景摄影技术和三维激光扫描技术等遥感手段具有自动化程度高、信息量大、高精度、实时性等优点, 但同时存在设备昂贵、对场地要求高、需要专门的实践处理软件等缺陷[3-4]。

双轴倾角传感器由微控制器(Micro-Controller Unit, MCU)、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)加速度计、模数转换电路、通讯单元高度集成,其通过把物体相对于水平面的倾斜角或倾斜角的变化转换为与之对应的电信号或数字信号,计算得出相对应的倾角值,实现双轴倾斜观测[5]。由于MEMS 的快速发展,基于传感技术的监测手段逐步得到应用,近年来国内外不断出现由倾角传感器构建的无线传感网络,用于高层建筑、大跨度桥梁监测、电力塔监测的应用实例[6-8]。单一传感器存在单次观测成果精度低、可靠性差、无线传输稳定性差以及不支持双向通信等问题。本文设计了一种基于阵列式双轴倾角传感器的结构倾斜监测设备,该设备具有观测样本大、观测数据稳定、精度高等特点,为高大建构筑物等结构的倾斜位移监测提供了一种新思路。

1 双轴倾角传感器阵列

单一传感器单次观测得出的成果精度低、可靠性差,针对这一问题,结合最小二乘原理,可将倾角传感器组成不同形式的观测阵列,如直线型、L型、环形等,增加多余观测量,平差处理后提升观测精度。国内外对阵列式传感器在各行业的应用研究很多[9-11],这种应用形式可有效提高观测精度、提升设备可靠性。本监测装置针对高大建筑物的倾斜变形监测需求,选取双轴倾角传感器,分别就长边及转角结构倾斜监测场景,设计两种传感阵列构成方式,如图1所示。

图1 直线型和L型传感阵列结构

2 监测装置设计

整个监测装置由三部分构成,分别是数据采集系统、通讯部分、监测数据分析软件。以直线型为例,整个装置包含阵列双轴倾角传感器、壳体、通讯模组、存储单元、数据采集处理模块、控制电路模块、电源管理模块和数据交换接口,其中阵列双轴倾角传感器用于感受信号,并把信号传递给数据采集处理模块,电源管理模块与阵列双轴倾角传感器、通讯模组、存储单元、数据采集处理模块和控制电路模块均电连接,控制电路模块与所述通讯模组、存储单元、阵列双轴倾角传感器、数据采集处理模块和数据交换接口均电连接,数据交换接口与通信模块相连接。详细分布如图2所示。

图2 直线型检测系统布置图

2.1 数据采集处理模块

监测数据预处理模块实现数据粗差剔除、系统误差改正、偶然误差平滑降噪等功能,数据分析模块实现以观测成果为数据源在时间域尺度上绘制变形过程线,运用数据分析方法预测变形趋势等功能。其中监测数据流程及管理分析系统软件功能框架如图3所示。

图3 数据流程及软件功能架构

针对数据预处理功能,倾角传感器所采集电信号(AD值),通过数据解译模块转换为可识读信号,继而由数据处理芯片进行预处理,传输至无线数据通信模块实现数据远程传输。

对变形体的倾角元素进行观测时,每个倾角传感器单次观测3·i(i=1,2…,n)次倾角数据,形成3·i×3·i或3·i×5·i的观测阵列(i值依据实际需要合理选取)。数据处理模块采用Grubbs准则对原始观测量进行粗差剔除,剔除粗差后的数据序列取其平均值,返回一个平差后的观测量。具体而言,若某测量值xi对应的残差vi满足式(1),则应将该数据舍去。

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2.2 通信功能

通信模组是实现监测数据的自动化传输的核心部件,远程通信模组应具备安全性、可靠性以及低功耗的特性。实际应用中已有成熟可靠的设备提供,可实现观测数据远程上传,同时支持后台对现场设备的有效控制。

2.2.1无线通信

选用移远通信推出的LTE Cat 4 无线通信模块EC20 R2.1,内置多星座高精度定位GNSS接收机,定位精度保证1～5 m。

2.2.2物联网无线通信技术

Long Rang(LoRa)是一种基于扩频技术的低功耗长距离无线通信技术,在城市中无线距离范围是1～2 km,在郊区无线距离最高可达15 km,同时对建筑物的穿透力很强[12],可满足本监测系统物联网通信技术的要求。

2.3 核心电路

MEMS微传感器网络的能源技术是现阶段的研究重点[13]。为确保设备的低功耗、长寿命,采用遵循传感、控制隔离、主控电路通用性、传感电路可扩展的设计思路,降低设备正常工作对电量的需求,同时预留多供电接口,支持锂电池、蓄电池以及太阳能多种供电方式,以满足野外不同的供电条件。为能抗击LoRa无线模块、远程通信模块等单元电路工作时产生的强电压跌落和电磁干扰,提升观测可靠性,核心电路基于“倾斜双通道冗余信号调理”思路进行设计,如图4所示。VREF-2.5是精密恒压源电路,它给传感器提供精密恒定的2.5 V参考信号,传感器随着微小位移(裂缝)的变化输出平滑的电信号,通过双路阻抗变换后输出到CPU的ADC接口,采集对应16位数据。

图4 双通道冗余信号调理电路设计图

3 测试及实验结果

针对观测功能及精度,选用观测精度高于本装置的AP-360-JR型数显万能角度尺(分辨率为30″)开展对比测试。基于固定角度,利用两种设备同步观测,评定其观测数据的符合度,论证本文所述设备的观测功能及观测精度,测试数据结果如图5所示。测试结果表明本文所述设备其X向角度观测中误差σ=±0.012°,相对于全量程(±30°)的相对误差均值为0.04%F·S;其Y向角度观测中误差σ=±0.014°,相对于全量程(±30°)的相对误差均值为0.04%F·S;双向倾角观测绝对误差中误差为σ=±0.013°,相对于全量程(±30°)双向观测相对误差中值为0.04%F·S。

图5 测试数据成果展示

针对通信功能,选取重庆市市区环境较复杂的路线开展测试,路线选取兼顾地下室、建筑物内、野外植被覆盖环境、野外电磁干扰环境(机场航站楼)。测试结果表明装置通信成功率为100%,最大通信延迟时间为2 min,基本满足通讯功能可靠性及环境适应性。

应用示范选用重庆市某总高约84 m写字楼,埋设两套设备,开展长达31 d的监测,获取倾斜形变过程线如图6所示。该项目同步开展第三方基础沉降监测,监测方法为传统大地测量方法,其结论为“2018年10月12日至22日,南侧基础沉降监测结果表明,该轴线产生了差异沉降过程,其中南东角沉降速率快于南西角,主体产生Y正向倾斜,倾斜率介于0.23～1.25之间”。结果表明:(1)未出现数据丢包现象,装置的环境适应力及通讯功能可靠性均得到验证;(2)采用充放电测试系统对示范前后电池容量进行实测,论证了装置的内置电池配置能满足野外长期运行要求;(3)其监测数据和形变过程线所得结论与第三方基础沉降监测所得结论基本吻合,其中论证了装置的观测可靠性。

图6 倾斜形变过程线

4 结束语

阵列式高精度自动化倾斜监测装置是微加速度计在高精度变形监测领域的应用,具有以下特点:(1)倾角传感器阵列式布局设计,增大多余观测量,确保监测数据的稳定性和高精度;(2)变形监测系统硬件高集成化,实现1～3 km的传输距离,低能耗待机时间不低于1a;(3)实现变形监测过程及数据分析的自动化。该技术路线有别于目前常见的倾角传感器观测装置,具有观测样本大、观测数据稳定、精度高、自动化程度高、互动性强等特性,可用于常见的建构筑物等结构倾斜位移、危岩体倾斜形变的监测工作中。