基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁、大壩、高層建筑等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)成為確保公共安全的重要環(huán)節(jié)[1]。隨著數(shù)字化進(jìn)展，國(guó)家已經(jīng)在很多智能監(jiān)測(cè)方面要求采用傾角傳感器作為一個(gè)監(jiān)測(cè)方式。目前市場(chǎng)上的傾角傳感器都是以MEMS傾角傳感器為主[2]，因?yàn)槠涮匦栽陂L(zhǎng)期穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面有待提升，另外傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受限于布線難度和成本，尤其在偏遠(yuǎn)或惡劣環(huán)境中顯得力不從心。因此，開發(fā)一種低功耗、高精度、易于部署的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為迫切。本文提出的基于自研電解質(zhì)傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，正是針對(duì)這一需求而設(shè)計(jì)。

2. 電解質(zhì)傾角傳感器介紹

2.1. 傾角傳感器介紹

2.1.1. 傾角傳感器概念

在數(shù)字化智能化進(jìn)程中，傳感器起到了一個(gè)核心作用，數(shù)據(jù)采集。傳感器種類有7000多種。

傾角傳感器是一種基于慣性原理和牛頓第二定律的加速度傳感器，它通過測(cè)量加速度并利用積分計(jì)算線速度和直線位移。由于其高精度、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、及時(shí)預(yù)警以及對(duì)外界影響的強(qiáng)大抗性，使得它在各種測(cè)量角度的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。

傾角傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有固態(tài)擺和液態(tài)擺兩種，如下圖1。

其中電解質(zhì)傾角傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖2。

電解質(zhì)傾角傳感器包括電極和具有腔體結(jié)構(gòu)的殼體，在腔體內(nèi)注入有特殊配比的電解液，在殼體上設(shè)置有貫穿殼體的電極孔，所述電極插入到型腔電極孔內(nèi)。電極的一端深入到腔體內(nèi)，電極的另一端位于殼體外，所述殼體的材料為陶瓷材料[3]。通過采用陶瓷材料制成的殼體，陶瓷材料硬度高，而且可以使用壓注成型溢價(jià)燒結(jié)融合，使得傾角傳感器的設(shè)計(jì)與加工更加便利，另外，陶瓷材料的殼體，其表面性能以及可加工性大大優(yōu)于玻璃材料的亮體，因而可以制造出性簡(jiǎn)更優(yōu)越，可靠性更高、并結(jié)構(gòu)可以更加多樣性、應(yīng)用更加寬泛的傾角傳感器。

Figure 1. Structural diagram of liquid pendulum and solid pendulum principles in tilt sensors

圖1. 傾角傳感器液態(tài)擺與固態(tài)擺原理結(jié)構(gòu)圖

Figure 2. Product structure diagram of electrolyte (liquid) tilt sensor

圖2. 電解質(zhì)(液態(tài))傾角傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2.1.2. 傾角傳感器應(yīng)用場(chǎng)景

讓我們深入了解傾角傳感器在多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況：

傾角傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景

1. 太陽能和定向衛(wèi)星通訊天線的俯仰角測(cè)量利用

傾角傳感器幫助確定太陽能電池和通訊衛(wèi)星的方位與傾斜角度，優(yōu)化利用效率。

2. 建筑類(古建筑保護(hù))，大型施工周邊設(shè)施的保護(hù)監(jiān)測(cè)

高精度的傾角傳感器用于監(jiān)測(cè)建筑設(shè)施的擺幅、振動(dòng)和傾斜變化，保障其安全。

3. 大壩監(jiān)測(cè)

傾角傳感器提供大壩和基巖的狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，確保大壩的安全運(yùn)行。

4. 橋梁橋塔測(cè)斜

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的細(xì)微變化，分析其安全程度。

5. 鉆井傾斜控制：在鉆井施工中，傾角傳感器幫助準(zhǔn)確測(cè)量鉆桿的傾斜角度，確保施工質(zhì)量和效率。

6. 各種儀器幾何小角度精密測(cè)量

1) 高精度精密水平測(cè)量。

2) 重力儀，全站儀精密水平調(diào)平。

3) 機(jī)械設(shè)備的三維XYZ精密測(cè)量以及調(diào)整等。

4) 稱重準(zhǔn)確性經(jīng)由傾角傳感器補(bǔ)償提升。

按照分類法，我們可以看到靜態(tài)傾角傳感器可以在2個(gè)領(lǐng)域有很好應(yīng)用場(chǎng)景(圖3)。

Figure 3. Diagram of two major application scenarios for tilt sensors

圖3. 傾角傳感器2大類應(yīng)用場(chǎng)景圖

2.2. 電解質(zhì)傾角傳感器和MEMS傾角傳感器特性比較

傾角傳感器的特性關(guān)鍵在于漂移和可重復(fù)性。

傳感器的漂移是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)期使用過程中，其輸出信號(hào)與真實(shí)測(cè)量值之間的偏差隨時(shí)間累積或發(fā)生變化的現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來說，漂移會(huì)導(dǎo)致傳感器讀數(shù)逐漸偏離實(shí)際值，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

傳感器的可重復(fù)性通常以輸出結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差或最大誤差范圍表示，單位與傳感器的測(cè)量值相同。例如，如果一個(gè)溫度傳感器在多次測(cè)量同一溫度時(shí)輸出的結(jié)果波動(dòng)較小，則表明該傳感器具有高可重復(fù)性。

MEMS傾角傳感器通過溫度補(bǔ)償、高精度制造、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗干擾技術(shù)，包括高精度電源，可以減少供電不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量重復(fù)性的影響。實(shí)現(xiàn)了低漂移和高可重復(fù)性。然而，在某些苛刻環(huán)境下，如何進(jìn)一步提升補(bǔ)償和抗干擾能力成為MEMS傾角傳感器難點(diǎn)。

與MEMS產(chǎn)品對(duì)比，本文設(shè)計(jì)構(gòu)思合理的電解質(zhì)型傾角傳感器則解決了上面的難題，具備優(yōu)越抗漂移，且具備良好的可重復(fù)性(圖4)。

Figure 4. Signal processing flowchart of electrolyte tilt sensor

圖4. 電解質(zhì)型傾角傳感器的信號(hào)處理流程圖

本文的電解質(zhì)型傾角傳感器電壓輸出與角度成比例。鑒于讀值是以比率計(jì)值，因此無需高精度和高穩(wěn)定的供電電壓，只要傾角傳感器驅(qū)動(dòng)電壓與模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)基準(zhǔn)電壓相同即可。電解質(zhì)型傳感器能夠在任何電壓下(5伏、3.3伏等)運(yùn)行，因而其電子器件十分簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)功率。通過密封結(jié)構(gòu)，更好地實(shí)現(xiàn)高可重復(fù)性(圖5)。

Figure 5. Performance and cost-effectiveness comparison between electrolyte and MEMS tilt sensors

圖5. 傾角傳感器性能電解質(zhì)對(duì)比于MEMS性價(jià)比圖片

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在核心傳感器基礎(chǔ)上，本文的低功耗傾斜穩(wěn)固性形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，如下面兩圖圖6、圖7所示。

Figure 6. Low-Power tilt stability deformation monitoring system implementation 1 (without Router)

圖6. 低功耗傾斜穩(wěn)固性形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式1 (無路由器)

Figure 7. Low-Power tilt stability deformation monitoring system implementation 2 (using LTE IoT Router)

圖7. 低功耗傾斜穩(wěn)固性形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式2 (采用LTE路由器)

3.1. 硬件部分

3.1.1. 自研電解質(zhì)傾角傳感器

自研電解質(zhì)傾角傳感器如下圖8所示。

Figure 8. Tilt sensor module with environmental sensors for temperature control and vibration detection

圖8. 傾角傳感器模組帶溫控振動(dòng)等環(huán)境傳感器圖片

自研形變傾斜監(jiān)測(cè)儀產(chǎn)品規(guī)格如下表1所示。

衡動(dòng)智能傾斜傳感測(cè)量?jī)x4G/WiFi

產(chǎn)品型號(hào)：ILDG20004G，ILDW2000 WF

Table 1. Key parameters table for Low-Power 4G Wi-Fi stability system testing

表1. 低功耗4G Wi-Fi穩(wěn)固系統(tǒng)測(cè)試主要參數(shù)表

該自主研發(fā)的電解質(zhì)傾角傳感器，測(cè)量精度達(dá)到0.02?，分辨率達(dá)0.007?，重復(fù)度也在0.02?，確保了微小傾斜變化也能被準(zhǔn)確捕捉。該傳感器還可以根據(jù)客戶需求，提供定制化服務(wù)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的特殊要求。該傳感器高精度確保環(huán)境參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，為結(jié)構(gòu)健康評(píng)估提供全面數(shù)據(jù)支持。

該電解質(zhì)傾角傳感器支持?jǐn)?shù)據(jù)直接透?jìng)髦劣脩糇远x系統(tǒng)或接入現(xiàn)有數(shù)據(jù)平臺(tái)，提高系統(tǒng)集成度和兼容性。

該電解質(zhì)傾角傳感器支持內(nèi)置溫度、濕度、振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊，全面監(jiān)控環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

該電解質(zhì)傾角傳感器采用低功耗技術(shù)，結(jié)合喚醒功能省電模式，顯著延長(zhǎng)電池壽命至3~6個(gè)月，定制版本可達(dá)2~3年。同時(shí)該傳感器支持電池、太陽能等多種供電方式，適應(yīng)不同場(chǎng)景下的能源供應(yīng)條件。同時(shí)配備可調(diào)零的安裝支架和防水外殼，便于現(xiàn)場(chǎng)快速部署和維護(hù)。

3.1.2. 通訊模組

該自主研發(fā)的電解質(zhì)傾角傳感器集成了支持NB IoT或Wifi通訊模組。當(dāng)使用NB IoT，實(shí)現(xiàn)的方式成為圖6所示的低功耗傾斜穩(wěn)固性形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式1 (無路由器)。

當(dāng)電解質(zhì)傾角傳感器支持Wifi模組，它實(shí)現(xiàn)的方式成為圖7所示的低功耗傾斜穩(wěn)固性形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式2 (采用LTE路由器)。本文的LTE路由器由本文的共同作者的公司研發(fā)的高性價(jià)比，高可靠性的矽望科技物聯(lián)網(wǎng)LTE路由器，如下圖9所示。

Figure 9. IoT LTE router

圖9. 物聯(lián)網(wǎng)LTE路由器

3.2. 軟件系統(tǒng)

對(duì)于圖7所示的低功耗傾斜穩(wěn)固性形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式2 (采用LTE路由器)，總體系統(tǒng)架構(gòu)采用參考文獻(xiàn)[4]的開源架構(gòu)，如下圖10所示。

第一層是本文自研電解質(zhì)傾角傳感器模塊。它使用 Modbus通信協(xié)議，經(jīng)過WiFi模塊，將數(shù)據(jù)傳給物聯(lián)網(wǎng)LTE路由器。

第二層物聯(lián)網(wǎng)LTE路由器接收數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括傾斜度、溫度、振動(dòng)、沉降等關(guān)鍵參數(shù)等的初步處理和評(píng)估，然后通過MQTT協(xié)議和第三層開源云平臺(tái)之間通信。

第三層首先要構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，確保海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定寫入與快速檢索。其次進(jìn)行智能分析既運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整合與深度挖掘。然后建立多種計(jì)算評(píng)估模型，包括傾斜度、溫度、振動(dòng)、沉降等關(guān)鍵參數(shù)的突變檢測(cè)，進(jìn)行趨勢(shì)分析等。最后實(shí)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)與平臺(tái)對(duì)接，包括預(yù)警系統(tǒng)可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行靈活配置，確保預(yù)警信息的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。同時(shí)提供開放的數(shù)據(jù)接口，支持與客戶自有數(shù)據(jù)平臺(tái)或第三方平臺(tái)的無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與協(xié)同工作。

第四層是用戶通過電腦客戶端或手機(jī)客戶端從第三層云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)顯示。

Figure 10. Diagram of the overall scheme design

圖10. 總體方案設(shè)計(jì)示意圖

4. 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2024年11月開始我們開始安裝實(shí)驗(yàn)。

結(jié)構(gòu)圖：一個(gè)是Wi-Fi通信，一個(gè)是4G通信，安裝在建筑的不同位置，見下圖11：

Figure 11. Installation diagram of Low-Power 4G and Wi-Fi stability testing product

圖11. 低功耗4G和Wi-Fi穩(wěn)固測(cè)試產(chǎn)品安裝圖片

平臺(tái)數(shù)據(jù)展示與評(píng)估

安裝后分別完成與展示平臺(tái)的連接，數(shù)據(jù)庫建立，導(dǎo)入展示平臺(tái)(圖12)。

Figure 12. Platform data display diagram

圖12. 平臺(tái)數(shù)據(jù)展示圖

介紹

匯總表，傳感器數(shù)量，采集次數(shù)，環(huán)境指標(biāo)，雙軸X，Y方向的不同時(shí)間數(shù)據(jù)，累積變化趨勢(shì)等。采集數(shù)量以及地點(diǎn)都是可以選擇設(shè)定。

本系統(tǒng)已經(jīng)在當(dāng)?shù)氐难矒峁沤ńㄖ?chǎng)景使用。

該地段屬于道前街道正處于名城改造項(xiàng)目范圍，江蘇按察使署舊址建筑歷史悠久，歷經(jīng)約300年，需要在周邊施工改造過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(圖13，圖14)。

Figure 13. Installation site diagram

圖13. 安裝地點(diǎn)示意圖

Figure 14. Trend chart of monitored raw data

圖14. 監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

原先需要人員每一天去地點(diǎn)人工監(jiān)測(cè)，手工記錄，顯示可以在平臺(tái)上看到所要的數(shù)據(jù)。

當(dāng)然后續(xù)預(yù)警系統(tǒng)等需要進(jìn)一步開發(fā)。

5. 結(jié)果分析與討論

本研究成功研發(fā)了一種基于自研電解質(zhì)傳感器的低功耗傾斜穩(wěn)固性形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有高精度、低功耗、易部署、智能化等顯著優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)的應(yīng)用將極大地提升了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，為基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)維提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。未來，我們將繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，拓展應(yīng)用場(chǎng)景，推動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

NOTES

*通訊作者。