基于数字电台的无线遥测系统在棚洞工程监测中的运用
孙建国
(重庆交通科研设计院隧道建设与养护交通行业重点实验室 重庆 400067)
摘 要 棚洞结构在国内基本无工程经验可借鉴,进行棚洞施工过程的监控量测具有重要的现实意义。传统的量测数据采集不仅成本高、效率低,且实时性差。本文介绍一种基于数字电台的无线遥测系统,可以实现对众多振弦式传感器的数据实时自动采集。
关键词 棚洞 无线遥测系统 监测
1 概 述
随着公路建设向山区延伸,受山区地形限制,路线常常在崇山峻岭中穿行,不可避免的碰到V形沟谷,出现沿河、傍山路段。对于傍山路段,为了切实贯彻“保护环境、保护生态”的建设理念,尽可能减少边仰坡的大挖、大刷,设计中采用异型棚洞结构形式。
异型棚洞结构为国内首创,在国内基本无工程经验可借鉴,因此给棚洞设计施工带来相当大的难度。为了保证棚洞工程质量,确保施工安全,指导施工,提供设计反馈信息,积累经验,在棚洞工程施工过程中,使用各种类型的仪器设备、量测元件,对临时边坡和棚洞结构的力学行为以及它们之间的力学关系进行量测和观察,据此来判断棚洞工程施工对地表环境的影响范围和程度,评价棚洞工程本身的稳定性及其工作状态,具有重要的现实意义。
传统的量测是通过埋设各种传感器,然后通过技术人员对传感器的逐个测试、采集数据,获取相关信息。这种数据采集方式不但成本高、效率低,且实时性差。本文介绍一种基于数字电台的无线遥测系统,可以实现对众多振弦式传感器的数据实时自动采集。
2 基于数字电台的无线遥测系统组成
振弦传感器以其卓越的性能在工程施工控制、检测中得到广泛应用。依据钢弦振动原理制作的传感器有应变计、应力计、压力计等。传统的有线传输方式已远远不能满足工程检测的要求。我院推出了振弦传感器DST1-16B遥测系统。该系统使用数字电台进行近距离数据的无线传输,信号传输距离在3 km,不产生通信费用,特别适合施工控制、试验检测等在现场进行的测试项目。
本系统是由一个主站和多个分站组成的分布式全自动静态近程遥测数据采集系统,主站由PC机和数据通信模块组成,分站由振弦传感器数据采集模块和数字电台组成,主站与分站之间利用数字电台网络实现数据通信。可适应国内外各种振弦类传感器,数据传输距离为3 km左右。系统采用防水、防雷设计,适用于各种场合的自动化工程检测,可广泛应用于工程领域野外环境下定期或长期的自动化测量。系统组成如图1~图3所示。
图1 系统硬件组成示意图
图2 主站
图3 分站
3 遥测系统的应用
3.1 棚洞监测方案
棚洞工程监控量测的主要内容包括棚洞结构内力监测、边坡锚杆轴力监测和边坡与结构之间相互作用力监测。
边坡锚杆轴力监测:每只锚杆上连接4个钢筋应力计,组成钢弦式测力锚杆。
棚洞结构内力监测:立柱及斜柱应力监测;曲墙平板结构内力监测;棚洞结构基础梁内力监测;靠山体侧扩大基础基底应力监测;边坡与结构之间相互作用力监测。
在洪酉路棚洞施工监控中,采用基于数字电台的无线遥测系统进行监控数据采集。棚洞典型监测断面布置如图4所示。
3.2 遥测系统连接
3.2.1 分站硬件准备
在电源关闭的状态下,将传感器接入分站各通道,插上分站天线,最后打开分站电源。要注意插上天线后打开电源,天线应放在尽可能高的地方。即完成分站硬件连接。
关于连接传感器的特别说明:每个4芯插座对应1个通道,插座上方对应有通道号。其中4芯插座的左边两个插孔接振弦应变传感器,右边两个插孔接热敏电阻温度传感器。需要特别注意的是:应变传感器的屏蔽线在和传感器的信号地线接在一起后,必须接入最左边传感器与分站连接的插孔。
(图中1~5处埋置振弦式压力盒;6~8,11,12,15处埋设振弦式应变计;9,10,13,14处埋设振弦式应变计或钢筋计;锚杆轴力量测采用振弦式钢筋应力计)
图4 典型监测断面布置图
图5 传感器与分站的连接
本系统根据用户需要可配置16个通道。
3.2.2 主站硬件准备
在电源关闭状态下将串口线连接好主站和PC机上空闲的串口,台式机上通常配有1或2个串口,对应为串口1(COM1)和串口2(COM2)。连接好主站与PC后,插上主站天线,最后打开主站电源,并将天线放在尽可能高的地方,即完成主站硬件准备工作。
3.2.3 安装运行系统软件并进行相关设置
运行系统软件安装后,进行以下设置:
(1)选择串口号
选择波特率9 600,打开串口(默认),串口号。
(2)分站设置
在“分站站点数目”下拉框中选择要用到的分站数,再点击“分站设置”,进入“分站站点设置”窗口,要注意左上角被激活的站点号(按钮弹起)要与“站点编号”下拉框中的编号一致,在“站点编号”下拉框中可修改左上角被激活的站点号,被激活的站点号不能有重复。系统默认所有通道(每分站16个)处于“关闭”状态,点击“关闭”可打开相应通道,此时显示“打开”,点击“打开”则关闭相应通道。也可以点击“打开/关闭”,选择16个通道全部打开或全部关闭,要注意不用的通道要关闭。
(3)分站通道设置
在打开接好传感器的通道后,必须输入应变传感器灵敏度系数(标定表中的K值),“测点号”、“应力系数”、“内力系数”、“传感器型号”、“报警上下限”,要注意“初值”为加载前传感器的初始频率值,可手工输入,但系统在“初始化”时会自动提取,强烈建议系统在“初始化”时由系统自动提取。
(4)采样模式设定
每分站采样模式有如下3种:连续采样、定时采样和间歇采样模式。
①连续采样:无采样轮数限制,采完一轮数据向主站发送一轮数据,直到人工干预结束采样。
②定时采样:设定每天采样起始时间,采样轮数可设定在1~1 000,采完一轮数据向主站发送一轮数据,采完当天预定的轮数自动停止,第二天进入下一次循环。
③间歇采样:采样轮数可在1~1 000设定,采样休止间隔时间可在1 min至30 d设定。采完预定的轮数后,休止预定的间隔时间后进入下一次循环。
完成以上设置后即可进行数据的自动采集。
图6为使用遥测系统获取到的2007年9月至2008年5月锚杆轴力曲线。
注:系列1-4为分别为4,3,2,1 m深处锚杆轴力
图6 K26+000断面A点锚杆轴力—时间曲线图
4 结 论
①通过棚洞监测工作的实际应用,基于数字电台的无线遥测系统能实时有效实现振弦式传感器数据无线遥测,大大减少现场工作量,提高工作效率。随着该系统的广泛运用,必将大大地提高工作效率和施工控制水平。
②由于每个分站仅有16通道,因此只能实现16只传感器的数据采集。
③系统软件目前只能实现数据采集,还需要进行数据后处理模块的开发。
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