一种仿生式全自动测斜系统的研究_白昀.pdf

收稿日期：第一作者：白昀（），男，硕士研究生，中级工程师，精密工程测量，自动化监测，物联网传感。：一种仿生式全自动测斜系统的研究白 昀（上海米度测控科技有限公司，上海）摘要：针对基坑工程支护结构在土体开挖过程中的自动化变形监测问题，研究了一种仿生式全自动测斜系统。设计研发的仿生式测斜装置采用了机械自动化技术，实现了对无线测斜仪的自动提升、下放与旋转，模拟了人工监测的全过程。通过物联网技术，实现了对系统的远程监管与控制，达到了自动化监测的目的。该系统弥补了自动化测斜领域中基于无线测斜仪的仿生技术空白。通过实验与具体工程实践应用，证明了该系统装置具有高精度、高可靠性、高适用性等特点，有非常广阔的应用前景。关键词：自动化监测；全自动测斜系统；无线测斜仪；深层水平位移；物联网中图分类号：文章编号：（）文献标识码：（，）：，：；引言基坑等相关结构工程，地下支护结构是其重要的组成部分，其对于明挖工程起到很好的保护作用。在施工过程中，需要对支护结构的土体变形情况进行过程监测，来预测预警施工风险。该监测项称之为深层水平位移监测或者测斜。该监测方法是首先在被测结构物上埋设测斜管，将活动式测斜仪顺导槽放入测斜管内，然后每 进行逐段测量。测斜仪根据铅锤受重力影响的结果，测量出测管轴线与铅垂线之间的夹角，从而计算出测斜管内各个测点的水平位移与倾斜曲线。最终达到开挖时监测土体变形的目的。目前大多由人工操作测斜仪来完成土体变形监测，称之为人工测斜。但是，该项技术存在人工误差、时效性差、测量频率短等缺点。同时，随着国内人工成本的日益增加，人工测斜技术的经济成本越来越高。因此，去人力的自动化测斜技术受到了广泛的关注，也有着市场上迫切的需求。其中，通过机械自动化的方式移动活动式测斜仪模拟 年第 期 工业仪表与自动化装置人工测斜进行数据采集（称之为仿生式测斜系统）受到了广泛的关注，由于理论上的精度高、时效性好、测量频率中等、成本低等特点。然而，很少有文章报道相关的技术进展。在 年，王启飞等人报道一种仿生式测斜系统。该系统采用了直流电机代替人力牵引传统的线缆式测斜仪，并设计了一个水平翻转机构实现了测斜仪的 旋转。这种基于线缆式测斜仪的仿生式测斜装置存在诸多的问题：由于线缆粗，导致其产品体积大；测斜仪的位置控制基于线缆上 设置的磁环标志，容易在运动过程中造成损坏；在较高的测量频率下，线缆容易损坏，甚至是断裂。该文研究了一种基于无线测斜仪的仿生式全自动测斜系统（以下简称，）。该系统采用钢丝绳牵引无线测斜仪的解决方案，所以不存在上述的这些由于测斜仪线缆而引起的诸多问题。该系统用于取代人工测斜，可以实现全自动化的正反测量，具有精度高、可靠性好、测量频率高等特点，具有非常广阔的应用前景。技术原理与系统组成 主要由执行机构和无线测斜仪两个部分组成。如图 所示。执行机构主要包括伺服电机、绞盘结构、高精度定位装置、正反转装置和控制器。绞盘结构中的钢丝绳牵引着无线测斜仪。其技术原理就是利用控制器驱动伺服电机带动绞盘结构转动，实现对无线测斜仪的提升和下放，并通过高精度定位技术来准确控制其所在位置。利用正反转装置控制无线测斜仪的 旋转，从而实现正反测量的功能。同时，通过控制器的自动采集模块和无线传输模块实现测斜仪的自动采集控制、数据计算与传输。图 的系统拓扑图 图 为控制器（以下简称）的电气结构拓扑图。主要由数据采集处理器、电机驱动器、无线通讯模块和信号 组成。数据采集处理器作为核心处理器，其作用包括：用于与电机驱动器交互，发送运动指令控制电机运动；通过信号 完成与行程开关、计米编码器（高精度定位装置）和电磁制动器（用于在系统断电时锁住电机主轴）的交互；通过近地无线通讯模块完成与无线测斜仪的信息交互；通过远程无线通讯模块完成与云平台的信息交互。图 控制器的电气结构拓扑图 的结构示意图如图 所示。高精度定位装置主要由一个计米轮和编码器组成。正反转装置主要包括了一个步进电机、传动齿轮、回转轴承、可旋转测斜管和抱紧夹具。其工作原理的实现主要依赖于 个核心技术原理：（）驱动技术原理：伺服电机连接绞盘结构，可带动绞盘结构旋转。绞盘结构上的钢丝绳连接着无线测斜仪。通过驱动力矩电机的正转与反转，实现工业仪表与自动化装置 年第 期无线测斜仪在测斜管内的提升与下放，取代人力的操作。（）高精度定位技术原理：钢丝绳紧密贴合计米轮的外径，运动的钢丝绳会带动计米轮旋转。计米轮连接着编码器。当计米轮旋转时，编码器会随着计米轮旋转而输出的脉冲数，由控制器进行实时的记录与计算。已知计米轮的直径 和编码器每转动一圈输出的脉冲数，控制器记录编码器输出的脉冲数，从而计算钢丝绳收放的长度，最终实现无线测斜仪的准确定位，如公式（）所示。除此之外，直线运动行程开关是定位控制的零点位置。（）式中：为计米修正值，用于消除系统误差。（）无线测斜仪的水平旋转技术原理：步进电机连接传动齿轮，可以带动传动齿轮旋转。传动齿轮与回转轴承的齿轮咬合，从而带动其旋转。在回转轴承的旋转部分上，安装固定了抱紧夹具。一个可旋转测斜管被抱紧夹具固定夹紧。无线测斜仪在该测斜管内。因此，当步进电机带动传动齿轮时，就可以带动无线测斜仪水平旋转。除此之外，旋转运动行程开关是定位控制的零点位置。图 结构示意图 图 为 的控制逻辑图。在测量控制流程中严格执行配置时间表，来实现控制器驱动的电机与无线测斜仪的同步工作，是另一个核心技术原理。通过配置时间表和相关时间参数的配置，实现了在达到指定位置以后，无线测斜仪执行数据采集，确保测点位置与测量数据的一一对应。的运行控制逻辑可以分为四个阶段，包括了初始化配对阶段、正向测量阶段、反向测量阶段和测量完成后的数据传输阶段。简而言之，在仪器上电初始化以后，首先控制器会驱动电机全部回归到零点位置，之后就与无线测斜仪进行同步配对时间表。在完成配对成功，仪器就开始正向测量并存储测量获得的数据。然后，开始反向测量并获得测量数据。最终，将正反测量的数据进行处理与计算，通过 将数据上传至云平台，并开始新一轮的测量。技术验证 系统实现 的仪器实物图如 所示。执行机构的绞盘结构采用定制的不锈钢非标件，选用直径 的钢丝绳，可实现最大 的测量深度。高精度定位装置，除了计米轮和编码器，还采用了一个“井”字型的线筒结构，用于引导钢丝绳紧贴着计米轮。钢丝绳通过一个导向轮转弯垂直向下牵引无线测斜仪。控制器采用两个高性能 处理器分别实现电机控制、信息交互和数据处理等功能，同时通过蓝牙模块和 模块分别实现近地无线和远程无线通讯的功能。无线测斜仪的整体结构与传统的活动式测斜仪一致，不同的是采用蓝牙通讯模块实现与控制器的交互，并配有可充电锂电池。的整机尺寸为 ，其现场的安装图如图（）所示。年第 期 工业仪表与自动化装置图 的控制逻辑图图 仪器实物图 实验一：绝对精度实验将 安装在一个高为 的支架结构上进行绝对测量精度的实验，如图 所示（注：下文所有的研究测试计算方式都采用的是管顶起算）。支架结构内安装固定了一个 的测斜管。测斜管的 位置安装有一个丝杆顶出装置，用于将测斜管沿某一方向变形顶出（变形范围 ）。其中，还有一个百分表（量程 ）可以准确测量测斜管顶出位置的变形量。工业仪表与自动化装置 年第 期图 绝对精度实验环境 通过丝杆装置将测斜管顶出不同的变形情况，采用 测量变形曲线，其绝对精度测试结果如表 和图 所示。从图形可见，的测斜值与百分表的测量值几乎一致，其精度误差小于。同时，也反应了 非常好的线性度，能够真实地反应测斜管的变形情况。对绝对精度的影响，除了无线测斜仪自身的精度以外，高精度定位装置的定位精度是另一个至关重要的因素，也是未来重点研究的对象。表 绝对精度实验结果顶出距离 百分表显示 测量结果 与百分表差距 图 在不同变形量下的测斜绝对精度 实验二：重复精度实验将 安装于一个大于 的地下测斜管上，开展重复精度的实验测试。为了确保地下测斜管的稳定可靠，其施工方法如下：在测斜管被埋设之后，用砂土、细砂和膨润土回填测斜管周围空间。每回填 时进行一次注水。注水是为了使膨润土球遇水后膨胀或使砂土、细砂更密实与孔壁结合更牢固，直到测斜管周围残留空间填满并夯实为止。图 出示了仪器在 测深下的 组测量数据，所有点的误差均小于 。采用标准差 和正负误差 评估法：取 组的测量数据（下标 代表测点深度），计算其平均值 和标准差。该测点的最大值减去平均值 作为正误差，最小值减去平均值 则作为负误差，该实验中，数据的最大正负误差区间为 ，最大误差点的重复精度标准差 。图 的重复精度情况在 的测深下图 不同测量深度下的重复精度 图 为在不同的测量深度下，的重复精度情况。由图可知，随着测量深度的增加，重复精度的标准差 逐渐增加，呈现线性变化。同时，正负误差也随着测量深度的增加有明显增加，从 处 ，增加到了 处 ，这是由于测斜原理的累积效应导致的。除此之外，直线定位装置的精度、伺服电机的运动参数以及无线测斜仪的导轮结构都影响着重复精度。工程应用基于上海南干线某基坑工程项目（连续墙深度），采用 每天进行自动化测斜 次，测量深度为 ，连续监测 天的时间，对获得的监测数据进行研究分析。图 显示的为应用 进行深层水平位移正反自动化监测的结果，鉴于监测结 年第 期 工业仪表与自动化装置果数据量较大，截取每 天一组数据进行展示（数据为第二层开挖至底板浇筑结束），数据变化趋势符合工程现场所表现的实际工况。图 应用 进行基坑自动化监测的连续数据 结束语一款仿生式全自动测斜系统（）被开发出来，包括完整的技术架构与控制逻辑。用于取代人工测斜，利用控制单元驱动电机代替人工实现对无线测斜仪的提升、下放以及 的旋转，通过自动采集模块和无线传输模块实现测斜仪的自动采集控制、数据计算与传输。在绝对精度测试、重复精度测试以及实际工程应用中的系统性研究，证明该技术具有精度高、可靠性高、测量频率高等特点。同时，可实现远程的设备物联网管控，在适当时期可以实现远程的遥测，在真正意义上，推动深基坑土体变形的全自动化监测，具有非常广阔的应用前景。参考文献：李清泽，姜清耀，李菲 复杂环境条件下深基坑变形控制研究 工程建设与设计，（）：吴必强 地铁深基坑监测变形控制及对周边环境影响 工程技术研究，（）：，：李俊明，孟宪超 自动化测斜仪在基坑监测中的应用 科学技术创新，：吴伟 固定式基坑测斜系统研制 电子测量技术，（）：石永强，李雨菲，车录锋 基于 加速度计阵列的测斜仪设计 传感器与微系统，（）：马柯，杨启帆，白昀，等 一种用于岩土工程的自动牵引测量装置：白昀，马柯，杨启帆，等 一种用于岩土水平位移的自动测量装置：诸颖，郭彦，潘伟强，等 自动化测斜技术在深基坑工程风险管控中的应用 上海建设科技，：，：王启飞，宛宝玉，王军涛，等 一种全自动测斜仪的设计与应用 工业仪表与自动化装置，（）：范巧成，匡荣，邢成岗，等 论测量不确定度与误差理论的关系 计量学报，：程胜一，褚伟洪，陈杰，等 深层水平位移监测技术分析 城市勘测，：欢迎投稿！欢迎订阅！欢迎刊登广告！工业仪表与自动化装置双月刊国内邮发代号：国际发行代号：定价：元 期 元 年地址：西安市高新区沣惠南路 号 邮编：电话：网址：电子邮箱：工业仪表与自动化装置 年第 期