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基于MEMS技术和无线倾角传感器在地下隧道中的应用

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  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。

  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。

  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取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。

  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App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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