基于無線傾角儀傾斜監測的應用

2022-10-09 11:20:10李德州

中國新技術新產品 2022年13期

李德州

（天津南緯導航科技發展有限公司，天津 300392）

0 引言

當前城市發展迅速，市政基礎設施建設與鐵路相互交集越來越多，鄰近營業線施工項目大量增加。施工期間對鐵路設備進行全天候實時監測對保障鐵路運營安全至關重要。由于營業線監測項目具有實施難度大、監測頻次高、測量精度高、安全等級高、現場環境復雜等特點，傳統的人工監測已經無法滿足該類工程需求，因此自動化監測技術也就應運而生。

接觸網立柱是接觸網結構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，并保證支柱的穩定性。鑒于鄰近營業線施工過程中受影響的接觸網立柱需要進行監測，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角度的低功耗遠程雙軸傾角傳感器。傳感器根據用戶設置的喚醒可定時上傳數據到監測平臺，通過網絡服務平臺，用戶無須實地勘測便可知被測物體狀態。設定報警角度閥值，當超過傳感器檢測到物體突發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，當傳感器相對地球重心方向產生傾角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換成信號，經過數據分析處理，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的熔融石英玻璃制成的，具有精度高、穩定性好、重復性高、漂移小等優點。高智能型電子傾角儀可以接入自動化監測系統，同其他高智能型傳感器一樣實現無線遠程監控，儀器原理如圖1所示。

圖1 儀器原理圖

1.3 監測方法

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部。當接觸網立柱發生傾斜時，通過自動化采集系統可以直接讀出、兩個方向傾斜的角度，上傳數據至平臺。

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

表1 主要技術指標

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，即在現場效驗設置為零點。然后每次測量數據須減去初始安裝值。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 監測系統平臺

自動化監測系統包括自動化采集控制、無線傳輸和網上監測平臺。無線傾角儀通過物聯網將實時監測數據傳輸到監測平臺，按照監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。設定好測點初始數據后，自動計算各測點的累計變量及日變量，呈現出各測點變化后的變形曲線，使監測結果在平臺上完整展現。方便鐵路管理方及相關單位隨時查看監測數據和施工狀況，確保監測期間監測數據與相關設備管理單位實時共享，自動化監測平臺將實時發布監測成果，提供網址和賬號，可利用移動接收端實時查看監測數據，其中包括數據報表、沉降趨勢變化分析及達到預警狀態的變化量。也可隨時查看歷史監測數據曲線以及預警、報警信息。每個測點的有效信息都保存在數據庫里，以供用戶查詢、下載、分析，能保障數據的安全與有效，時時確保監測數據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，施工影響范圍內線路上分布著10個接觸網立柱，下穿過程中土體擾動勢必會造成接觸網立柱變形傾斜，因此在接觸網立柱（鋼柱）上安裝無線傾角儀進行自動化監測。根據鄰近營業線施工監測相關規范和設計的技術要求，接觸網立柱傾斜預警值為3‰。由于規范控制標準高，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測，為后續施工提供數據參考。

2.1 現場實施

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立柱上，安裝在立柱基礎面垂直高度0.5米處，調節螺母，使傾角儀的軸線安裝垂直。傾角儀安裝位置確定之后，按照監測方案及圖紙修改網上監測平臺傳感器相對應測點點號，對測點進行分組、整理，設定好測點初始數據，按照每隔半小時的測量頻率進行設置。監測平臺自動計算各測點的累計變量及日變量，呈現出各測點變化后的變形曲線。

2.2 監測數據

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，熱穩定性高。接觸網立柱采用鋼材，受熱脹冷縮效應，溫度變化會導致無線傾角儀測試數據波動。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。統計4月1日至20日期間氣溫觀測數據，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。