CN109269631A - 一种基于mems传感器的综合轨道监测***及轨道结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于mems传感器的综合轨道监测***，包括mems加速度传感器模块、频率选择模块、模数转换模块和数据处理模块，并且模数转换组与所述数据处理模组之间通过***总线电性连接；还包括轨道结构，该轨道结构包括轨枕和钢轨，在钢轨通过安装点位设有承托箱型板，在承托箱型板之间通过水平延展板连接，水平延展板上设有X型纵向星架，该X型纵向星架通过安装有mems加速度传感器获取监测信号；直接依附设置在钢轨上，本身的结构简单，而且能够克服现实环境中的影响因素，采用相应的保护结构，防止机械结构被损坏，从而实现数据的自动采集和处理。
Description
技术领域
本发明涉及轨道监测技术领域，具体为一种基于mems传感器的综合轨道监测***及轨道结构。
背景技术
隧道施工特别是掘进过程会产生围岩扰动效应，从而引发隧道拱顶沉降和周边收敛，地表也会发生沉降和变形。在人口密集、建筑设施密布的城市中进行隧道施工时，由于周边建筑物及地下管线众多，隧道施工过程中产生的地层沉降易导致地表建构筑物倾斜，甚至开裂倒塌，存在很多风险隐患，事故频发。因此，隧道地表沉降变形监测已成为隧道信息化施工的重要组成部分，是及时了解隧道施工对地表的影响，进而有效控制隧道安全、保护地上建筑物的重要手段。
传统的隧道地表沉降变形监测方法通常采用几何水准测量方法或三角高程测量方法，使用全站仪、水准仪和水准尺等测量仪器沿隧道开挖方向逐点、逐断面的测量。这种测量方法存在以下缺点：1)需要技术人员到现场人工测量，不仅现场操作繁复、耗时费力，而且人为因素对量测精度的影响较大；2)城市隧道通常沿主干公路线修建，路面交通繁忙，环境复杂，影响因素众多，测量场地狭窄，并且常常需要夜间实施外业测量，光线微弱，导致测量的可靠度和灵敏度不高；3)每个断面仅测量有限几个点位，很难准确反映整个断面的变形状态；4)通常采用文件管理和人工计算方式处理现场监测数据，无法实现数据库管理、共享和原始数据追溯，导致分析效率低下，数据真实性得不到保证。因此，传统监测方法已无法满足现代隧道施工及运营对自动化、信息化监控量测技术的需求。
近年来，随着计算机、物联网及无线通讯技术的不断发展，隧道地表沉降监测正在实现人工测量到自动化监测的跨越。压阻式静力水准仪、自动全站仪及分布式光纤应变监测等自动化监测设备已被用于隧道地表沉降自动化监测项目中。但上述监测设备存在成本高、安装困难等缺点，在实际工程中很少应用。
目前在国内轨道监测和预报***的设备基本上是仍然沿用传统的、老式的设备，使得现有的震动监测有如下不便:
1、重量大，体积大，不方便运输和存储。
2、测量震动数值不精确。
3、功耗大；一般达几十瓦以上。
4、关键的拾震器机械构件容易损坏，怕冲击，怕碰撞，搬运和保养不易。
5、对数据采集处理不便。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于mems传感器的综合轨道监测***及轨道结构，直接依附设置在钢轨上，本身的结构简单，而且能够克服现实环境中的影响因素，采用相应的保护结构，防止机械结构被损坏，从而实现数据的自动采集和处理，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于mems传感器的综合轨道监测***，包括：
安装在轨道内三轴向上的mems传感器模块，用于接收轨道上X、Y、Z三个方向的震动波信号；
频率选择模块，所述频率选择模块与三轴向的mems加速度传感器模块电性连接，用于将接收的轨道震动波信号分解成所需频率信号；
模数转换模块，所述模数转换模块与所述频率选择模块电性连接，用于将分解后的所需频率信号进行模数转换得到数字信号；
数据处理模块，数据处理模块与所述模数转换模块电性连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到服务器完成对监测数据的接受、存储和处理等功能；
所述模数转换组与所述数据处理模组之间通过***总线电性连接。
作为本发明一种优选的技术方案，mems加速度传感器模块安装的具体方法为：
步骤100、在轨道钢轨上同一监测点上以其中一条钢轨作为直角边，并以勾股的方式设置三个安装点位，在另外一条钢轨上以相同的方式设置三个安装点位，且两组安装点位之间的距离为0.5～1.5m；
步骤200、在每个安装点位上将mems加速度传感器分别固定在附着板和触发杆上，并且将位于mems加速度传感器设置成十字交叉状；
步骤300、将mems加速度传感器与监测***集成箱之间通过信号线电性连接，且位于不同安装点位上的监测***集成箱之间通过CAN总线电性连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述频率选择模块还包括各频带处理单元，用于将各个频带监测所需信号进行处理得到甚宽频带震动检测结果。
作为本发明一种优选的技术方案，模数转换模块包括:至少一路的A/D转换模块，用于对所需信号进行模数转换；震动波采集分析应用单元，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。
作为本发明一种优选的技术方案，数据处理模块包括:服务器在线完成变形监测数据的接收、存储、处理、分析、报警、可视化展现功能。
另外，本发明还提供了一种轨道，包括轨枕和两根钢轨，两根所述钢轨均通过道钉固定在轨枕上，所述钢轨的侧剖面均呈U字型，且在钢轨上均有设有若干个安装点位，所述安装点位所在的钢轨上均固定安装有承托箱型板，在两个承托箱型板之间通过水平延展板连接，所述水平延展板的中心设有初级贯穿导孔，且在初级贯穿导孔内设有竖向基准杆，所述竖向基准杆上设有可沿着竖向基准杆上下滑动的X型纵向星架，在X型纵向星架上均通过竖向导杆连接有纵向导环，所述纵向导环和水平延展板之间设有环形的附着板。
作为本发明一种优选的技术方案，所述附着板上固定安装有呈十字交叉的mems加速度传感器，并且在附着板上安装有若干组垂直于附着板的触发杆，每根所述触发杆上也固定安装有mems加速度传感器，位于触发杆内侧的附着板上安装有监测***集成箱，所述监测***集成箱内设有相互独立的工作间。
作为本发明一种优选的技术方案，在承托箱型板和水平延展板的连接处设有水平校正螺杆，所述水平延展板通过水平校正螺杆调平，在水平延展板的中心处呈圆环状安装有若干个水平仪。
作为本发明一种优选的技术方案，所述钢轨内侧均设有半弧形的上遮挡片，且在所述X型纵向星架端部均固定安装有与上遮挡片相互锲合的下贴合片，所述上遮挡片和下贴合片的接触面上刻有相互斜交的贴合纹，位于X型纵向星架同侧的两块下贴合片首尾之间通过横向导杆连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述安装点位两侧均设有阻隔挡板，且在两块阻隔挡板顶部之间通过蜂窝板连接，且在蜂窝板中心设有容纳X型纵向星架的环形星型槽，所述环形星型槽底部通过圆柱状的套筒封闭，所述套筒底部设有若干个次级贯穿导孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用mems加速度传感器技术、频率分配、计算机、通信、网络、自动控制等技术，将基坑监测***纳入到统一的平台中，实现信息集成，形成以信息集成为核心，集数据采集、监测、控制、管理、预警于一体的网络化、信息化和智能化的综合***。其目的旨在为各种震动监测数据，各种监测目标提供高自动化、高可靠性的集成监测平台，并提供一种开放式的、高可扩展性的具备功能动态配置、灵活重组特性的信息集成体系架构，实现功能与设备的分离、信息采集与信息使用的分离、数据与应用的分离，从而解除***功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的测震***功能扩展与总体优化间的矛盾，达到震动监测网各分***统一的目标；
(2)该钢轨监测的优点在于，通过安装点位的U型结构，将监测***平稳设置在钢轨之间，在不影响通行的同时能够快速准确的监测其各个方向的震动和形变位移，而且每次监测过程相对独立，在前次监测完成之后能够快速恢复至原来的状态，一直保持在最好的监测状态，与此同时监测装置能够与钢轨贴合，将任意变化均能传导至监测***，从而达到既准确监测的目的，又能使得监测探头不与钢轨直接接触，避免了监测探头直接接受震动而被损坏；
(3)整个装置质量小，体积小，整体结构依附于钢轨上，通过mems加速度传感器测量，能够获得微小震动数值的测量，而且该装置可以长期处于待机装置，减少自身功率的消耗，在处于监测状态时，也仅仅是完成数据的监测和处理，之后再次处于待机状态，直至下一次监测工作。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明水平延展板结构示意图；
图3为本发明的监测***结构框图；
图中标号：1-轨枕；2-钢轨；3-安装点位；4-承托箱型板；5-水平延展板；6-竖向基准杆；7-X型纵向星架；8-竖向导杆；9-纵向导环；10-附着板；11-触发杆；12-监测***集成箱；13-水平校正螺杆；14-水平仪；15-上遮挡片；16-下贴合片；17-横向导杆；18-悬挂环；19-复位弹簧；20-连接套箍；21-阻隔挡板；22-蜂窝板；23-环形星型槽；24-套筒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明提供了一种基于mems传感器的综合轨道监测***的轨道结构，包括轨枕1和两根钢轨2，两根所述钢轨2均通过道钉固定在轨枕1上，所述钢轨2的侧剖面均呈U字型，且在钢轨2上均有设有若干个安装点位3，所述安装点位3所在的钢轨2上均固定安装有承托箱型板4，在两个承托箱型板4之间通过水平延展板5连接。
在本实施方式中，轨枕1和两根钢轨2的具体结构如常规轨道一致，其与常规铁轨设置不同的在于设置了安装点位3，通过在设有安装点位3的区间上设置U型结构，便于安装具体的监测装置。
优选的是，在承托箱型板4和水平延展板5的连接处设有水平校正螺杆13，所述水平延展板5通过水平校正螺杆13调平，在水平延展板5的中心处呈圆环状安装有若干个水平仪14。如上述，由于钢轨2处于自然环境中，长期需要承受自然静态载荷和动态载荷，难免会使得钢轨2在水平上发生偏移，而且在钢轨在拐弯的地方往往会由于克服离心力，而特地的将两根钢轨2不设置在同一个水平面上，会设计一个微小的角度。然而在监测的过程中，会由于这个微小的角度而导致监测失去基准面，从而产生较大的监测误差，为了节省计算过程以及提高精度，在本实施方式中，根据需求可以适应不同的环境将监测平台还原至水平状态。
所述水平延展板5的中心设有初级贯穿导孔，且在初级贯穿导孔内设有竖向基准杆6，在本实施方式中的竖向基准杆6末端是直接固定在道床上的，一方面提供整个装置更加稳定支撑，帮助整个监测装置可以尽可能避免由于行驶而产生震动，另外一个方面则是提供纵向监测滑动的基础，从而保证整个监测装置在通过时的监测精度。
所述竖向基准杆6上设有可沿着竖向基准杆6上下滑动的X型纵向星架7，设置的X型纵向星架7能够直接与两个钢轨2连接起来，可以有效的同时监测到两个钢轨2的震动，而且可以通过X型纵向星架7的震动方向和幅度计算两根钢轨2不同的震动，更好的监测其钢轨2各个方向上具体的震动，在X型纵向星架7上均通过竖向导杆8连接有纵向导环9，所述纵向导环9和水平延展板5之间设有环形的附着板10。
所述附着板10上固定安装有呈十字交叉的mems加速度传感器，并且在附着板10上安装有若干组垂直于附着板的触发杆11，每根所述触发杆11上也固定安装有mems加速度传感器，位于触发杆11内侧的附着板10上安装有监测***集成箱12，所述监测***集成箱12内设有相互独立的工作间。
作为优选的实施方式，所述钢轨2内侧均设有半弧形的上遮挡片15，且在所述X型纵向星架7端部均固定安装有与上遮挡片15相互锲合的下贴合片16，所述上遮挡片15和下贴合片16的接触面上刻有相互斜交的贴合纹，位于X型纵向星架7同侧的两块下贴合片16首尾之间通过横向导杆17连接。
在上述中，钢轨2和X型纵向星架7之间通过相互锲合的上遮挡片15和下贴合片16实现接触，而且在上遮挡片15和下贴合片16的接触面上刻有相互斜交的贴合纹，能够将两者贴合的更好，从而将钢轨2发生的轻微形变或者震动均能够传递至X型纵向星架7上，进一步通过X型纵向星架7将形变位移和震动传递至末端的mems加速度传感器上。
另外，在呈U型的钢轨2顶部内侧固定安装有悬挂环18，所述悬挂环18和纵向导环9之间通过复位弹簧19连接，且所述纵向导环9和竖向基准杆6之间通过连接套箍20滑动，所述连接套箍20固定在纵向导环9内侧。设置的复位弹簧19则是能够在外界形变发生之后，钢轨2本身能在弹性势能的作用下快速回复，而监测装置能够在钢轨恢复之后或者同时通过复位弹簧19的作用快速回复到原来的位置上，从而始终处于最佳的监测状态。
特别的是，所述安装点位3两侧均设有阻隔挡板21，且在两块阻隔挡板21顶部之间通过蜂窝板22连接，且在蜂窝板22中心设有容纳X型纵向星架7的环形星型槽23，所述环形星型槽23底部通过圆柱状的套筒24封闭，所述套筒24底部设有若干个次级贯穿导孔。
基于上述，本实施方式中的轨道，通过安装点位的U型结构，将监测***平稳设置在钢轨之间，在不影响通行的同时能够快速准确的监测其各个方向的震动和形变位移，而且每次监测过程相对独立，在前次监测完成之后能够快速恢复至原来的状态，一直保持在最好的监测状态，与此同时监测装置能够与钢轨贴合，将任意变化均能传导至监测***，从而达到既准确监测的目的，又能使得监测探头不与钢轨直接接触，避免了监测探头直接接受震动而被损坏。
整个装置质量小，体积小，整体结构依附于钢轨上，通过mems加速度传感器测量，能够获得微小震动数值的测量，而且该装置可以长期处于待机装置，减少自身功率的消耗，在处于监测状态时，也仅仅是完成数据的监测和处理，之后再次处于待机状态，直至下一次监测工作。
另外，如图3所示，本发明还提供了一种基于mems传感器的综合轨道监测***，包括：
mems加速度传感器模块，用于接收X、Y、Z三个方向的震动波信号；
频率选择模块，所述频率选择模块与三轴向的mems加速度传感器模块电性连接，用于将接收的震动波信号分解成所需频率信号；
模数转换模块，所述模数转换模块与所述频率选择模块电性连接，用于将分解后的所需频率信号进行模数转换得到数字信号；
数据处理模块，数据处理模块与所述模数转换模块电性连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到服务器完成对监测数据的接受、存储和处理等功能；
所述模数转换组与所述数据处理模组之间通过***总线电性连接。
mems加速度传感器模块安装的具体方法为：
步骤100、在轨道钢轨上同一监测点上以其中一条钢轨作为直角边，并以勾股的方式设置三个安装点位，在另外一条钢轨上以相同的方式设置三个安装点位，且两组安装点位之间的距离为0.5～1.5m，从而形成一个具有稳定、可靠的监测覆盖面；
步骤200、在每个安装点位上将mems加速度传感器分别固定在附着板和触发杆上，并且将位于mems加速度传感器设置成十字交叉状；
步骤300、将mems加速度传感器与监测***集成箱之间通过信号线电性连接，且位于不同安装点位上的监测***集成箱之间通过CAN总线电性连接。
在上述中，mems加速度传感器模块，包括一个三轴mems加速度传感器，用于接收震动波信号。整体设备采用mems技术，mems传感器芯片是由微米级的硅芯片立体加工技术制造而成的，微型或小型传感器。mems技术广泛用于工业、信息、国防、医疗、汽车等行业，最常用的如智能手机、汽车冲击气囊等。mems芯片规模化生产后，成本较低，稳定性高，这对震动的震动监测无疑是一个巨大的发展契机，如果大规模铺设该设备，将能获取更多更丰富震动监测记录，为研究提供一些必要的资料，应用于轨道监测***中，具有巨大的成本优势。
所述频率选择模块包括:宽频带监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成宽频带所需监测信号；短周期监测单元，用于将接收来的震动波信号分解成短周期所需监测信号。
所述频率选择模块还包括各频带处理单元，用于将各个频带监测所需信号进行处理得到甚宽频带震动检测结果。
处理模块与模数转换模块连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到云平台，通过中央处理器及以SDRAM、FLASH为基础的二级数据存储技术实现，相应的，本实施例中的模数转换模块包括:至少一路的A/D转换模块，用于对所需信号进行模数转换；震动波采集分析应用单元，集成于嵌入式操作***中的震动波采集分析应用单元对各震动波形进行选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。
加速度计数据比较震荡，含有较多高频分量，长时间之后会有零漂，因此需要对数据进行滤波。对数据采用一介低通滤波，低通滤波的算法公式为：
Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)
式中：α为滤波系数；
X(n)为本次采样值；
Y(n-1)为上次滤波输出值；
Y(n)为滤波输出值；
一阶低通滤波法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到有效滤波值，使得输出对输入有反馈作用。
数据处理模块包括：服务器在线完成变形监测数据的接收、存储、处理、分析、报警、可视化展现功能。
本发明利用mems加速度传感器技术、频率分配、计算机、通信、网络、自动控制等技术，将轨道监测***纳入到统一的平台中，实现信息集成，形成以信息集成为核心，集数据采集、监测、控制、管理、预警于一体的网络化、信息化和智能化的综合***。其目的旨在为各种震动监测数据，各种监测目标提供高自动化、高可靠性的集成监测平台，并提供一种开放式的、高可扩展性的具备功能动态配置、灵活重组特性的信息集成体系架构，实现功能与设备的分离、信息采集与信息使用的分离、数据与应用的分离，从而解除***功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的测震***功能扩展与总体优化间的矛盾，达到震动监测网各分***统一的目标。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种基于mems传感器的综合轨道监测***，其特征在于，包括：
安装在轨道内三轴向上的mems加速度传感器模块，用于接收轨道上X、Y、Z三个方向的震动波信号；
频率选择模块，所述频率选择模块与三轴向的mems加速度传感器模块电性连接，用于将接收的轨道震动波信号分解成所需频率信号；
模数转换模块，所述模数转换模块与所述频率选择模块电性连接，用于将分解后的所需频率信号进行模数转换得到数字信号；
数据处理模块，数据处理模块与所述模数转换模块电性连接，用于根据转换后得到的数字信号进行信息综合处理并将结果输出到服务器完成对监测数据的接受、存储和处理等功能；
所述模数转换组与所述数据处理模组之间通过***总线电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于mems传感器的综合轨道监测***，其特征在于：mems加速度传感器模块安装的具体方法为：
步骤100、在轨道钢轨上同一监测点上以其中一条钢轨作为直角边，并以勾股的方式设置三个安装点位，在另外一条钢轨上以相同的方式设置三个安装点位，且两组安装点位之间的距离为0.5～1.5m；
步骤200、在每个安装点位上将mems加速度传感器分别固定在附着板和触发杆上，并且将位于mems加速度传感器设置成十字交叉状；
步骤300、将mems加速度传感器与监测***集成箱之间通过信号线电性连接，且位于不同安装点位上的监测***集成箱之间通过CAN总线电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于mems传感器的综合轨道监测***，其特征在于，所述频率选择模块还包括各频带处理单元，用于将各个频带监测所需信号进行处理得到甚宽频带震动检测结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于mems传感器的综合轨道监测***，其特征在于，模数转换模块包括:至少一路的A/D转换模块，用于对所需信号进行模数转换；震动波采集分析应用单元，用于实现不同的震动监测方式及其选择，进而不同的监测功能。
5.根据权利要求1所述的一种基于mems传感器的综合轨道监测***，其特征在于，数据处理模块包括:服务器在线完成变形监测数据的接收、存储、处理、分析、报警、可视化展现功能。
6.一种轨道，包括轨枕(1)和两根钢轨(2)，两根所述钢轨(2)均通过道钉固定在轨枕(1)上，其特征在于：所述钢轨(2)的侧剖面均呈U字型，且在钢轨(2)上均有设有若干个安装点位(3)，所述安装点位(3)所在的钢轨(2)上均固定安装有承托箱型板(4)，在两个承托箱型板(4)之间通过水平延展板(5)连接，所述水平延展板(5)的中心设有初级贯穿导孔，且在初级贯穿导孔内设有竖向基准杆(6)，所述竖向基准杆(6)上设有可沿着竖向基准杆(6)上下滑动的X型纵向星架(7)，在X型纵向星架(7)上均通过竖向导杆(8)连接有纵向导环(9)，所述纵向导环(9)和水平延展板(5)之间设有环形的附着板(10)。
7.根据权利要求6所述的一种轨道，其特征在于：所述附着板(10)上固定安装有呈十字交叉的mems加速度传感器，并且在附着板(10)上安装有若干组垂直于附着板的触发杆(11)，每根所述触发杆(11)上也固定安装有mems加速度传感器，位于触发杆(11)内侧的附着板(10)上安装有监测***集成箱(12)，所述监测***集成箱(12)内设有相互独立的工作间。
8.根据权利要求6所述的一种轨道，其特征在于：在承托箱型板(4)和水平延展板(5)的连接处设有水平校正螺杆(13)，所述水平延展板(5)通过水平校正螺杆(13)调平，在水平延展板(5)的中心处呈圆环状安装有若干个水平仪(14)。
9.根据权利要求6所述的一种轨道，其特征在于：所述钢轨(2)内侧均设有半弧形的上遮挡片(15)，且在所述X型纵向星架(7)端部均固定安装有与上遮挡片(15)相互锲合的下贴合片(16)，所述上遮挡片(15)和下贴合片(16)的接触面上刻有相互斜交的贴合纹，位于X型纵向星架(7)同侧的两块下贴合片(16)首尾之间通过横向导杆(17)连接。
10.根据权利要求6所述的一种轨道，其特征在于：所述安装点位(3)两侧均设有阻隔挡板(21)，且在两块阻隔挡板(21)顶部之间通过蜂窝板(22)连接，且在蜂窝板(22)中心设有容纳X型纵向星架(7)的环形星型槽(23)，所述环形星型槽(23)底部通过圆柱状的套筒(24)封闭，所述套筒(24)底部设有若干个次级贯穿导孔。
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|---|---|---|---|
| CN201811195103.2A CN109269631A (zh) | 2018-10-15 | 2018-10-15 | 一种基于mems传感器的综合轨道监测***及轨道结构 |
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