基于無線傾角儀傾斜監(jiān)測的應用

李德州

（天津南緯導航科技發(fā)展有限公司，天津 300392）

0 引言

當前城市發(fā)展迅速，市政基礎設施建設與鐵路相互交集越來越多，鄰近營業(yè)線施工項目大量增加。施工期間對鐵路設備進行全天候?qū)崟r監(jiān)測對保障鐵路運營安全至關(guān)重要。由于營業(yè)線監(jiān)測項目具有實施難度大、監(jiān)測頻次高、測量精度高、安全等級高、現(xiàn)場環(huán)境復雜等特點，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測已經(jīng)無法滿足該類工程需求，因此自動化監(jiān)測技術(shù)也就應運而生。

接觸網(wǎng)立柱是接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)中應用最廣泛的支撐設備，接觸懸掛被支柱支持在線路上方，承擔接觸懸掛與支持裝置的負荷。采用預應力鋼筋混凝土支柱和鋼柱，鋼柱基礎采用鋼筋混凝土，承受支柱傳給的全部負荷，并保證支柱的穩(wěn)定性。鑒于鄰近營業(yè)線施工過程中受影響的接觸網(wǎng)立柱需要進行監(jiān)測，常用的設備為全站儀、傾角儀，該文主要介紹無線傾角儀在實際中的應用。

1 原理與監(jiān)測方法

1.1 概述

采用低功耗、遠程無線高精度傾角傳感器，針對戶外無供電使用條件或無須時刻量測，但必須定期檢測物體姿態(tài)角度的低功耗遠程雙軸傾角傳感器。傳感器根據(jù)用戶設置的喚醒可定時上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)測平臺，通過網(wǎng)絡服務平臺，用戶無須實地勘測便可知被測物體狀態(tài)。設定報警角度閥值，當超過傳感器檢測到物體突發(fā)超出安全角度值時會主動喚醒設備，并第一時間上傳警報信息。

1.2 原理

該文采用進口石英撓性伺服加速度計作為敏感元件，它是一個力平衡式的伺服系統(tǒng)，當傳感器相對地球重心方向產(chǎn)生傾角θ時，由于重力作用，傳感器中敏感元件相對鉛錘方向擺動一個角度，通過高靈敏的石英換能器將此角度轉(zhuǎn)換成信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理，可以直接讀出被測點的實時角度變化量。

敏感元件是由接近零溫度系數(shù)的熔融石英玻璃制成的，具有精度高、穩(wěn)定性好、重復性高、漂移小等優(yōu)點。高智能型電子傾角儀可以接入自動化監(jiān)測系統(tǒng)，同其他高智能型傳感器一樣實現(xiàn)無線遠程監(jiān)控，儀器原理如圖1所示。

圖1 儀器原理圖

1.3 監(jiān)測方法

傾角儀實際上是重力加速度計，測量地球引力在測量方向上的分量。測斜探頭已固定在儀器內(nèi)部。當接觸網(wǎng)立柱發(fā)生傾斜時，通過自動化采集系統(tǒng)可以直接讀出、兩個方向傾斜的角度，上傳數(shù)據(jù)至平臺。

傾斜儀是雙軸（垂直鐵路方向和平行鐵路方向的監(jiān)測）高精度數(shù)字型傾角傳感器。產(chǎn)品量程±15°，采用鋁合金外殼，防護等級IP67。相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)指標

固定傾角儀輸出物理量為方向、方向的角度值，可換算為位移量。

首先傾角儀穩(wěn)定且安裝完畢后可選定此時的測量值和偏差值為、方向的初始安裝位置，即在現(xiàn)場效驗設置為零點。然后每次測量數(shù)據(jù)須減去初始安裝值。此項功能在軟件中記錄并應用。

其原理考慮為以下兩點。1）出廠時每個傾角儀的零點位置不一致，且生產(chǎn)不可能達到完全鉛直的0°位置。2）安裝時不可能完全按照每個傾角儀測出的零點位置安裝。

因此需要待固定傾角儀安裝穩(wěn)定后記錄安裝初始位置認定為零點（，）。之后換算所需的固定傾角儀的有效測量值和有效偏差值（x，y），統(tǒng)一由當次測量值x和偏差值y，分別減去初始安裝值，。

角度轉(zhuǎn)化為位移的計算公式。

式中：代表位移量大小，代表傾角儀安裝高度，代表傾斜度，代表傾角儀安裝的初始位置值，代表某次測量的角度值（其中和屬于兩維量，含、方向，此公式為近似算法）。

計算原理示意圖如圖2所示。

圖2 計算原理示意圖

1.4 監(jiān)測系統(tǒng)平臺

自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括自動化采集控制、無線傳輸和網(wǎng)上監(jiān)測平臺。無線傾角儀通過物聯(lián)網(wǎng)將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺，按照監(jiān)測方案及圖紙修改傳感器相應測點點號，對測點進行分組、整理。設定好測點初始數(shù)據(jù)后，自動計算各測點的累計變量及日變量，呈現(xiàn)出各測點變化后的變形曲線，使監(jiān)測結(jié)果在平臺上完整展現(xiàn)。方便鐵路管理方及相關(guān)單位隨時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和施工狀況，確保監(jiān)測期間監(jiān)測數(shù)據(jù)與相關(guān)設備管理單位實時共享，自動化監(jiān)測平臺將實時發(fā)布監(jiān)測成果，提供網(wǎng)址和賬號，可利用移動接收端實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中包括數(shù)據(jù)報表、沉降趨勢變化分析及達到預警狀態(tài)的變化量。也可隨時查看歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線以及預警、報警信息。每個測點的有效信息都保存在數(shù)據(jù)庫里，以供用戶查詢、下載、分析，能保障數(shù)據(jù)的安全與有效，時時確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和可追溯性。

2 應用實例

某涉鐵項目頂管隧道直線下穿高速鐵路，施工影響范圍內(nèi)線路上分布著10個接觸網(wǎng)立柱，下穿過程中土體擾動勢必會造成接觸網(wǎng)立柱變形傾斜，因此在接觸網(wǎng)立柱（鋼柱）上安裝無線傾角儀進行自動化監(jiān)測。根據(jù)鄰近營業(yè)線施工監(jiān)測相關(guān)規(guī)范和設計的技術(shù)要求，接觸網(wǎng)立柱傾斜預警值為3‰。由于規(guī)范控制標準高，為了及時掌握傾角儀在實際應用過程中受溫度影響程度，在下穿施工準備階段，提前安裝好無線傾角儀進行監(jiān)測，為后續(xù)施工提供數(shù)據(jù)參考。

2.1 現(xiàn)場實施

先把傾角儀用螺絲裝在定制好帶“L”型的不銹鋼板上，再用云石膠添加固化劑一起直接把傾角儀黏貼在接觸網(wǎng)立柱上，安裝在立柱基礎面垂直高度0.5米處，調(diào)節(jié)螺母，使傾角儀的軸線安裝垂直。傾角儀安裝位置確定之后，按照監(jiān)測方案及圖紙修改網(wǎng)上監(jiān)測平臺傳感器相對應測點點號，對測點進行分組、整理，設定好測點初始數(shù)據(jù)，按照每隔半小時的測量頻率進行設置。監(jiān)測平臺自動計算各測點的累計變量及日變量，呈現(xiàn)出各測點變化后的變形曲線。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

無線傾角儀是通過加速度計的變化來反映位移變化的，采用進口石英撓性伺服加速度計，熱穩(wěn)定性高。接觸網(wǎng)立柱采用鋼材，受熱脹冷縮效應，溫度變化會導致無線傾角儀測試數(shù)據(jù)波動。一天中，最高氣溫在午后14時左右，最低氣溫在日出前后4時左右。統(tǒng)計4月1日至20日期間氣溫觀測數(shù)據(jù)，如表2、圖3。溫差最大為4月6日、8日，最小為4月2日、20日。

圖3 4月1日至20日氣溫變化曲線圖

表2 4月1日至20日氣溫變化統(tǒng)計表

在監(jiān)測過程中傾角儀運行穩(wěn)定，以編號D01傾角儀為例，分別統(tǒng)計4月1日至20日期間每日最高溫時和每日最低溫時傾角儀、軸數(shù)據(jù)，如圖4、圖5所示。根據(jù)氣溫及、軸變化曲線圖分析，每日最低溫時、軸曲線平緩；每日最高溫時曲線在0.1°范圍內(nèi)浮動，且與氣溫變化曲線吻合；整體上軸與軸曲線趨勢吻合。

圖4 4月1日至20日X軸變化曲線圖

圖5 4月1日至20日Y軸變化曲線圖

圖7 4月6日溫差最大日X軸變化曲線圖

圖8 4月2日溫差最小日Y軸變化曲線圖

分別統(tǒng)計4月1日至20日期間溫差最高日（4月2日）和最低日（4月6日）8時至16時、軸傾角儀數(shù)據(jù)，如圖6~圖9所示。根據(jù)變化曲線圖分析，溫差最低日曲線較平緩，在0.04°范圍內(nèi)浮動；溫差最高日中午前后曲線有較明顯起伏，在0.1°范圍內(nèi)浮動，且與每日氣溫變化規(guī)律相吻合；整體上軸與軸曲線趨勢吻合。

圖6 4月2日溫差最小日X軸變化曲線圖

圖9 4月6日溫差最大日Y軸變化曲線圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

從以上變化曲線圖分析可以看出，傾角儀數(shù)據(jù)與氣溫變化呈一致性，溫差最高日中午前后曲線有較明顯起伏，每日的最高溫、軸監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線也與氣溫變化曲線圖吻合；無論是一日的數(shù)據(jù)或連續(xù)幾日的數(shù)據(jù)均體現(xiàn)出數(shù)據(jù)受氣溫的影響，最大在0.1°（傾斜度0.17%）范圍內(nèi)波動，小于規(guī)范規(guī)定的接觸網(wǎng)立柱傾斜預警值0.3%。

3 結(jié)論

雖然無線傾角儀監(jiān)測結(jié)果受氣溫影響有波動，但波動范圍小于預警值，在布設監(jiān)測點時應充分考慮外部環(huán)境干擾對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，并采取措施排除干擾。

無線傾角儀數(shù)據(jù)量豐富，能夠?qū)崟r上傳至數(shù)據(jù)平臺，在實際應用中排除外部環(huán)境干擾因素判斷監(jiān)測點變化趨勢更精準。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，無線傾角儀傳感器及其監(jiān)測系統(tǒng)也將不斷完善，將會在鐵路營業(yè)線施工中廣泛應用。