基于无线倾角仪倾斜监测的应用

李德州

（天津南纬导航科技发展有限公司，天津 300392）

0 引言

当前城市发展迅速，市政基础设施建设与铁路相互交集越来越多，邻近营业线施工项目大量增加。施工期间对铁路设备进行全天候实时监测对保障铁路运营安全至关重要。由于营业线监测项目具有实施难度大、监测频次高、测量精度高、安全等级高、现场环境复杂等特点，传统的人工监测已经无法满足该类工程需求，因此自动化监测技术也就应运而生。

接触网立柱是接触网结构中应用最广泛的支撑设备，接触悬挂被支柱支持在线路上方，承担接触悬挂与支持装置的负荷。采用预应力钢筋混凝土支柱和钢柱，钢柱基础采用钢筋混凝土，承受支柱传给的全部负荷，并保证支柱的稳定性。鉴于邻近营业线施工过程中受影响的接触网立柱需要进行监测，常用的设备为全站仪、倾角仪，该文主要介绍无线倾角仪在实际中的应用。

1 原理与监测方法

1.1 概述

采用低功耗、远程无线高精度倾角传感器，针对户外无供电使用条件或无须时刻量测，但必须定期检测物体姿态角度的低功耗远程双轴倾角传感器。传感器根据用户设置的唤醒可定时上传数据到监测平台，通过网络服务平台，用户无须实地勘测便可知被测物体状态。设定报警角度阀值，当超过传感器检测到物体突发超出安全角度值时会主动唤醒设备，并第一时间上传警报信息。

1.2 原理

该文采用进口石英挠性伺服加速度计作为敏感元件，它是一个力平衡式的伺服系统，当传感器相对地球重心方向产生倾角θ时，由于重力作用，传感器中敏感元件相对铅锤方向摆动一个角度，通过高灵敏的石英换能器将此角度转换成信号，经过数据分析处理，可以直接读出被测点的实时角度变化量。

敏感元件是由接近零温度系数的熔融石英玻璃制成的，具有精度高、稳定性好、重复性高、漂移小等优点。高智能型电子倾角仪可以接入自动化监测系统，同其他高智能型传感器一样实现无线远程监控，仪器原理如图1所示。

图1 仪器原理图

1.3 监测方法

倾角仪实际上是重力加速度计，测量地球引力在测量方向上的分量。测斜探头已固定在仪器内部。当接触网立柱发生倾斜时，通过自动化采集系统可以直接读出、两个方向倾斜的角度，上传数据至平台。

倾斜仪是双轴（垂直铁路方向和平行铁路方向的监测）高精度数字型倾角传感器。产品量程±15°，采用铝合金外壳，防护等级IP67。相关技术参数见表1。

表1 主要技术指标

固定倾角仪输出物理量为方向、方向的角度值，可换算为位移量。

首先倾角仪稳定且安装完毕后可选定此时的测量值和偏差值为、方向的初始安装位置，即在现场效验设置为零点。然后每次测量数据须减去初始安装值。此项功能在软件中记录并应用。

其原理考虑为以下两点。1）出厂时每个倾角仪的零点位置不一致，且生产不可能达到完全铅直的0°位置。2）安装时不可能完全按照每个倾角仪测出的零点位置安装。

因此需要待固定倾角仪安装稳定后记录安装初始位置认定为零点（，）。之后换算所需的固定倾角仪的有效测量值和有效偏差值（x，y），统一由当次测量值x和偏差值y，分别减去初始安装值，。

角度转化为位移的计算公式。

式中：代表位移量大小，代表倾角仪安装高度，代表倾斜度，代表倾角仪安装的初始位置值，代表某次测量的角度值（其中和属于两维量，含、方向，此公式为近似算法）。

计算原理示意图如图2所示。

图2 计算原理示意图

1.4 监测系统平台

自动化监测系统包括自动化采集控制、无线传输和网上监测平台。无线倾角仪通过物联网将实时监测数据传输到监测平台，按照监测方案及图纸修改传感器相应测点点号，对测点进行分组、整理。设定好测点初始数据后，自动计算各测点的累计变量及日变量，呈现出各测点变化后的变形曲线，使监测结果在平台上完整展现。方便铁路管理方及相关单位随时查看监测数据和施工状况，确保监测期间监测数据与相关设备管理单位实时共享，自动化监测平台将实时发布监测成果，提供网址和账号，可利用移动接收端实时查看监测数据，其中包括数据报表、沉降趋势变化分析及达到预警状态的变化量。也可随时查看历史监测数据曲线以及预警、报警信息。每个测点的有效信息都保存在数据库里，以供用户查询、下载、分析，能保障数据的安全与有效，时时确保监测数据的真实性和可追溯性。

2 应用实例

某涉铁项目顶管隧道直线下穿高速铁路，施工影响范围内线路上分布着10个接触网立柱，下穿过程中土体扰动势必会造成接触网立柱变形倾斜，因此在接触网立柱（钢柱）上安装无线倾角仪进行自动化监测。根据邻近营业线施工监测相关规范和设计的技术要求，接触网立柱倾斜预警值为3‰。由于规范控制标准高，为了及时掌握倾角仪在实际应用过程中受温度影响程度，在下穿施工准备阶段，提前安装好无线倾角仪进行监测，为后续施工提供数据参考。

2.1 现场实施

先把倾角仪用螺丝装在定制好带“L”型的不锈钢板上，再用云石胶添加固化剂一起直接把倾角仪黏贴在接触网立柱上，安装在立柱基础面垂直高度0.5米处，调节螺母，使倾角仪的轴线安装垂直。倾角仪安装位置确定之后，按照监测方案及图纸修改网上监测平台传感器相对应测点点号，对测点进行分组、整理，设定好测点初始数据，按照每隔半小时的测量频率进行设置。监测平台自动计算各测点的累计变量及日变量，呈现出各测点变化后的变形曲线。

2.2 监测数据

无线倾角仪是通过加速度计的变化来反映位移变化的，采用进口石英挠性伺服加速度计，热稳定性高。接触网立柱采用钢材，受热胀冷缩效应，温度变化会导致无线倾角仪测试数据波动。一天中，最高气温在午后14时左右，最低气温在日出前后4时左右。统计4月1日至20日期间气温观测数据，如表2、图3。温差最大为4月6日、8日，最小为4月2日、20日。

图3 4月1日至20日气温变化曲线图

表2 4月1日至20日气温变化统计表

在监测过程中倾角仪运行稳定，以编号D01倾角仪为例，分别统计4月1日至20日期间每日最高温时和每日最低温时倾角仪、轴数据，如图4、图5所示。根据气温及、轴变化曲线图分析，每日最低温时、轴曲线平缓；每日最高温时曲线在0.1°范围内浮动，且与气温变化曲线吻合；整体上轴与轴曲线趋势吻合。

图4 4月1日至20日X轴变化曲线图

图5 4月1日至20日Y轴变化曲线图

图7 4月6日温差最大日X轴变化曲线图

图8 4月2日温差最小日Y轴变化曲线图

分别统计4月1日至20日期间温差最高日（4月2日）和最低日（4月6日）8时至16时、轴倾角仪数据，如图6~图9所示。根据变化曲线图分析，温差最低日曲线较平缓，在0.04°范围内浮动；温差最高日中午前后曲线有较明显起伏，在0.1°范围内浮动，且与每日气温变化规律相吻合；整体上轴与轴曲线趋势吻合。

图6 4月2日温差最小日X轴变化曲线图

图9 4月6日温差最大日Y轴变化曲线图

2.3 数据分析

从以上变化曲线图分析可以看出，倾角仪数据与气温变化呈一致性，温差最高日中午前后曲线有较明显起伏，每日的最高温、轴监测数据曲线也与气温变化曲线图吻合；无论是一日的数据或连续几日的数据均体现出数据受气温的影响，最大在0.1°（倾斜度0.17%）范围内波动，小于规范规定的接触网立柱倾斜预警值0.3%。

3 结论

虽然无线倾角仪监测结果受气温影响有波动，但波动范围小于预警值，在布设监测点时应充分考虑外部环境干扰对监测数据的影响，并采取措施排除干扰。

无线倾角仪数据量丰富，能够实时上传至数据平台，在实际应用中排除外部环境干扰因素判断监测点变化趋势更精准。

随着科学技术的发展创新，无线倾角仪传感器及其监测系统也将不断完善，将会在铁路营业线施工中广泛应用。