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结构监测创新科技:动力水准仪介绍

 

一、动力水准仪简介

动力水准仪是自动测量结构物静态和动态竖向位移的测量系统,该系统适用于测量多点的相对动态竖向沉降。由于高精度和高采样率,可以实时测量出极短时间内的竖向位移变化,便于研究结构物在激励作用下的动力响应,自动化控制结构物的位移。通常配套使用物联网网关,以协调各传感器的采集时间,并完成传感器数据的边缘计算。是静力水准仪的升级换代产品。

 

二、背景

动力水准仪是测量高差及其动态变化的自动化传感器。主要用于桥梁、轨道、管廊、高层建筑、基坑、隧道等结构物的动态竖直方向位移的实时。用于结构受到外力作用,较快产生动态响应的地方。动力水准仪为全数字传感器,可以使用物联网监测云平台进行远程传输,数据通常和控制执行设备联动,以便对动态位移做机械补偿,保障结构物的位移在安全范围内。

 

三、发展历史

为了监测建筑结构物的安全性能,需要对结构物的竖向位移变化进行监测。缓慢的竖向位移简称沉降,如桥墩、建筑物的缓慢垂直方向的位移,体现的是结构长期的位移变化趋势。通常使用静力水准仪来测量结构物的沉降。

随着建筑科学与物联网技术的发展,单纯的测量缓慢变化的竖向位移沉降数据,已不能满足物联网技术大背景下智能建筑的需求。

结构是否安全,最终体现在荷载实际作用下,结构的空间形态的变化幅度是否超过安全范围。动态的竖向位移,能够快速反应结构的竖向位移变化,能够获取荷载外力与结构位移之间的相关性。相比静态位移,动态位移更能快速反应结构的位移变化,是判断结构物安全性能的关键指标。

为了确保结构物在外力作用下的位移始终在安全范围内,需要实时测量结构物在外力作用下的反应,研究其关联机理。在位移超限时需要立即现场报警,甚至需要立即联动控制机械设备,对发生的位移做动态反向补偿,以避免事故的发生,保证结构物的安全。

例如桥梁在车辆等活载作用下的动态竖向位移,轨道、轨枕和路基在列车经过时的竖向位移等,高压注浆时地表隆起的动态位移等,都需要以更高的精度和更高的测量频率来测量结构物的动态竖向位移。

有业内人士尝试使用静力水准仪来测量动态位移,但效果不甚理想。

静力水准仪是靠液体在重力作用下流动,最后达到液面平衡原理实现测量的。由于流动的水具有惯性、粘滞性及温度差,必须等水彻底停止流动、系统温度趋于一致后才能准确测量,否则会导致数据波动剧烈导致频繁的误报。如果被测物有外力作用、管道较长、串联的测点较多时,水面彻底平静需要较长时间,难以实现实时、准确的动态位移测量。

桥梁结构的动挠度测量,常用加速度积分传感器实现,存在严重的漂移现象,数据准确度较低,且设备价格昂贵。也有用微波雷达、激光光斑位移和机器视觉的方式实现的动态挠度测量方式。但这些方法要求基准点和测点之间必须通视,且受天气影响较大,成本较高,应用受到一定的限制。

在明确的项目需求指引下,安锐科技发明了动力水准仪。动力水准仪在实现动态挠度实时测量的同时,还可以完全实现静力水准仪的所有功能。是静力水准仪的升级换代产品。

此时适合于选择动力水准仪进行测量,能够克服传统静力水准仪的缺点,实现动态位移的高精度准确测量。

四、动力水准仪的原理

动力水准测量系统由多个动力水准传感器和封闭的基准传递管组成。当系统注满液体时,封闭的塑胶管道外壁的大气压力和管道内部的液体压力形成平衡。

发生竖向沉降位移时,由于液体完全充满管道,液体的体积不会发生变化,也不会自由流动。

测量出两个传感器的相对压力值,提取出重力加速度单一因子导致的压力影响值,再融合其他传感器的数据进行实时矫正换算,即可得到非常准确的相对动态竖向位移。

由原理可看出,外界产生的变化导致的压力变化,对各个测点的传感器影响是一样的,系统可以自动滤除由温度等外界干扰导致的扰动。

五、动力水准仪的应用

动力水准仪可以实时高频测量快速动态变化的竖向位移,还是全数字的传感器,因此非常适合联动控制千斤顶、电机等机械设备,以控制结构物的位移在安全范围内。

典型应用:

1、测量中小桥梁在车辆等活载作用下的竖向动态位移和低阶模态;

2、测量轨道、轨枕和路基在列车作用下的竖向位移变化;

3、测量高压注浆时路基的隆起,并联动控制注浆压力;

4、下穿高铁涵洞施工过程中,列车经过时轨道的动态竖向位移实时测量和联动报警。

七、动力水准仪的特点

动力传感器可以测量动态位移的同时,也可以测量静态位移,是静力水准仪的升级换代产品。

1、可以同时高精度测量静态和动态位移:

由于进行了特殊的算法处理,能够避免传统静力水准仪在受到干扰时的数据扰动影响,让数据精度和准确度远远超过传统静态水准仪。

上图为传统静力水准仪和动力水准仪的对比测试

 

从图中可看出,同样条件下,静力水准仪的数据波动极大,而动力水准仪的数据曲线光滑,准确的还原了测点的移动过程。

2、多参数同时测量:

可以同时测量静态沉降、动态位移、三轴加速度、三轴倾斜角度及温度共计5个参数。避免了安装的麻烦,由于获取的同一位置、同一时刻的多个参数,避免了安装多个独立传感器做数据融合时的高精度时间同步要求。

3、物联网网关控制多个动力水准仪实现高精度时间同步和边缘计算:

多个动力水准仪通过物联网关实现高精度时间同步、海量数据异步传输及边缘计算,提取出有效数据后再上传安锐物联监测云平台。

4、高采样率

动力水准仪的最高采样频率30Hz,能满足结构类大部分的监测需求。

5、采样频率的触发方式多样化

如果不加以区分静态位移和动态位移的测量模式,那么极高的采样频率会带来数据冗余的问题,导致存储、计算及传输等资料的浪费。因此动力水准仪设计了多种触发方式,实现高低频测量模式的切换。平时工作在采样较低的采样频率下,触发后立即开始高频动态位移的同步采集、传输及计算。

(1)内置的加速度传感器数据联动。如检测到加速度超过一定限值时触发;

(2)其他独立的传感器数据触发。如微波传感器检测到列车到来时触发;

(3)现场手动触发。物联网关上有手动开关,开关状态改变时触发;

(4)定时触发。通过平台软件远程电脑终端手动触发;

 

6、算法补偿:

压力波在液体介质中以声速传播,传播的时间差和衰减幅度与距离成比例关系,如果测点之间的距离较长的项目且精度要求很高时,根据压力波的相关性在算法上做出了补偿。

7、同时获取精度较高的横向位移数据:

根据动力水准仪内置的加速度做频域、时域积分,间接获取速度及位移,并根据已知的竖向位移分量对位移向量做修正后输出横向位移分量。相比直接用加速度积分获取位移的方式,解决了加速度积分时去趋势化的难题,让数据更加准确。

七、典型案例:《杭州望江路过江隧道高压电力管廊挠度实时监测及控制项目》

2018年,中铁十四局在下穿钱塘江的过江隧道施工时,在江北明挖段遇到国家电网的两座高压电力管廊。

 

由于修建年代久远,电力管廊结构极为脆弱。施工方在管廊两侧架设了钢便桥,下穿工字钢进行托举保护。由于钢桥的容许挠度远远大于电力管廊的安全挠度。因此需要实时监测电力管廊的竖向位移,并根据实时位移的数据,联动控制16个千斤顶对电力管廊的竖向位移做出逆向补偿,保证电力管廊的位移始终在安全限值内。

 

最初使用静力水准仪测量电力管廊的竖向。但测试时发现只要一个液压千斤顶动作,所有的静力水准仪数据全部大幅度变动,且持续较长时间才恢复正常,无法实现挠度实时补偿的设计目标。

 

 

因此设计了第一版的动力水准仪,并先后在110KV和220KV两座高压电力管廊上成功的实现了测控目标。

 

使用传感器和联动控制执行设备,实时监测和控制土建结构的动态位移,开创了物联网在结构安全领域的深度应用先例,保证了电力管廊安全,确保隧道建设顺利完工。

 

 

该项目,让安锐科技意识到动态竖向位移传感器的重要性和潜在的市场价值。经过3年的现场应用和不断改进,研发出成熟适用的动力水准仪,并申请了发明专利。

随着物联网技术的发展,会有越来越多的物联网技术跨界应用到土建领域,提高土建行业的生产效率,保障建筑结构的安全。

 

 

 

 

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