CN109211193B - 一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，包括以下步骤：1)对被测结构物采用无线传感网络倾角支点采集监测周期内的角度值与温度值；2)根据监测周期内的角度值确定结构稳定期，即结构未产生倾斜变形的时间段；3)建立无线传感网络倾角支点的温度补偿模型并计算温度补偿系数；4)根据获取温度补偿系数后的温度补偿模型自动对无线传感网络倾角支点采集到的角度值进行补偿。与现有技术相比，本发明具有无需温度测试、自动补偿、提高补偿效率、契合现场应用环境等优点。

Description

一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法

技术领域

本发明涉及土木工程结构倾斜状态监测领域，尤其是涉及一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法。

背景技术

无线传感网络倾角支点因其具有安装方便、自动监测、监测数据无线传输等一系列优点而被广泛应用于土木工程结构倾斜状态的监测。无线传感网络倾角支点内部集成的硅电容式MEMS倾角传感器等电子元器件的性能对环境温度的变化较为敏感，导致环境温度变化时，无线传感网络倾角支点的倾角监测值产生温度漂移误差，使其监测精度明显降低，将无法满足监测项目精度要求。因此，对无线传感器网络倾角支点进行温度补偿必要的，同时，在一次监测项目中往往需要安装布设数量较多的无线传感网络倾角支点，传统的基于温度箱试验的温度补偿方法存在效率较低、成本较高、试验过程繁琐等缺点，难以满足需要，且利用温度试验箱创造的环境与实际应用条件下的环境有所差别，难以保证温度补偿效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，包括以下步骤：

1)对被测结构物采用无线传感网络倾角支点采集监测周期内的角度值与温度值；

2)根据监测周期内的角度值确定结构稳定期，即结构未产生倾斜变形的时间段；

3)建立无线传感网络倾角支点的温度补偿模型并计算温度补偿系数；

4)根据获取温度补偿系数后的温度补偿模型自动对无线传感网络倾角支点采集到的角度值进行补偿。

所述的无线传感网络倾角支点内部设有硅电容式MEMS倾角传感器、模数转换器、集成有温度传感器和无线收发器的微处理器和电池，MEMS倾角传感器用于实现倾角测量，微处理器上集成的温度传感器能够实现温度测量功能，微处理器上集成的无线收发器能够实现监测数据的无线传输。

所述的步骤2)中，确定结构稳定期的判断方法为：

在结构稳定期内，无线传感网络倾角支点监测的角度值在相同温度下偏差不大于0.02°。

所述的结构稳定期根据被测结构物的变形特点，或出现在监测初期，或出现在监测末期，也可能出现在监测周期内的其他时间段。

所述的步骤3)具体包括以下步骤：

31)取结构稳定期内相同温度下无线传感网络倾角支点监测的角度平均值作为该温度下无线传感网络倾角支点的角度值θ_T；

32)以结构稳定期内最低温度下的角度值θ_T-min为基准，计算其他温度下相较于θ_T-min的偏差值ε_T，计算式为：

ε_T＝θ_T-θ_T-min

33)对结构稳定期内的ε_T-T值对采用最小二乘法进行3次多项式拟合，得到拟合曲线以及温度补偿系数，从而得到无线传感网络倾角支点的温度补偿模型。

所述的步骤33)中，温度补偿模型为3次多项式温度补偿模型，其具体的表达式为：

ε_corr＝a₀+a₁T+a₂T²+a₃T³

式中，ε_corr为无线传感网络倾角支点温度漂移误差，T为无线传感网络倾角支点温度监测值，a₀、a₁、a₂、a₃为温度补偿系数。

所述的步骤4)中，补偿后的角度值θ_comp的计算式为：

θ_comp＝θ-ε_corr

其中，θ为无线传感网络倾角支点采集到的角度值。

该方法还包括以下步骤：

5)通过补偿后的角度值θ_comp与相对应的温度值的相关系数r，验证温度补偿模型的补偿效果，当相关系数r不大于0.05时，则判定补偿后的角度值与温度值不相关，补偿效果好，当相关系数r大于0.05时，则判定补偿效果不好，并重复步骤3)和4)进行二次补偿。。

所述的相关系数r的计算式为：

式中，σ(θ_comp)为补偿后的角度值的标准差，σ(T)为温度值的标准差，Cov(θ_comp,T)为补偿后的角度值与温度值的协方差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出的温度补偿方法可直接利用无线传感网络倾角支点的现场监测数据，在安装布设前，无需通过温度试验对无线传感网络倾角支点进行温度补偿，节省了进行相关试验测试的成本，且大大提高了温度补偿效率。本发明提出的温度补偿方法得到的温度补偿模型及温度补偿系数能够最大程度上契合现场应用环境的温度特点，提高了温度补偿的效果。

附图说明

图1为基于现场监测的无线传感网络倾角支点温度漂移误差补偿流程。

图2为倾角支点监测数据。

图3为倾角平均值及其拟合曲线。

图4为不同温度的漂移误差。

图5为补偿后的效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，包括以下步骤：

(1)无线传感网络倾角支点通过支架安装固定到被测结构物上，对被测结构物的倾斜变形进行监测，采集监测周期内无线传感网络倾角支点输出的角度值与温度值；

(2)基于步骤(1)采集的角度值，在监测周期内确定结构稳定期，即结构未产生倾斜变形的一段时间；

(3)根据结构稳定期内无线传感网络倾角支点输出的角度值与温度值，建立无线传感网络倾角支点3次多项式温度补偿模型并计算温度补偿系数；

该无线传感网络倾角支点的温度补偿模型为：

ε_corr＝a₀+a₁T+a₂T²+a₃T³

式中，ε_corr为无线传感网络倾角支点温度漂移误差，T为无线传感网络倾角支点温度监测值，a₀、a₁、a₂、a₃为温度补偿系数；

(4)将步骤(3)中得到的3次多项式温度补偿模型及温度补偿系数存储于云服务器后台，自动对无线传感网络倾角支点监测并上传至云服务器后台的角度值进行补偿得到补偿后的角度值；

(5)通过计算补偿后的角度值与相对应的温度值的相关系数，验证温度补偿模型的补偿效果。

实施例：

(1)无线传感网络倾角支点采集到倾角和温度数据(如图2所示)用以绘制倾角-温度曲线。在每个温度点上，倾角监测值满足0.02°波动范围的条件，因此可认为此时间段为结构的稳定期。

(2)倾角支点的标定温度25℃(认为在此温度下温度漂移为零)，然而图2中的温度变化范围并未包含标定温度，因此，首先根据稳定期内倾角监测数据预测倾角支点在25℃下的倾角输出值。通过计算该倾角支点在相同温度下倾角监测值的平均值及其拟合与温度的3次多项式拟合曲线，如图3所示：

(3)计算不同温度下的漂移误差

代入标定温度到拟合公式计算25℃的倾角输出值即该倾角支点安装位置处X轴初始倾角值为5.149°，将上述拟合公式减去可得到温度漂移误差计算公式为：

P_RL＝-2.04×10^-7·T³+3.67×10^-5·T²+2.37×10^-3·T-0.0765

代入上述公式进一步计算倾角支点在稳定期内不同温度下的温度漂移误差，如图4所示。

(3)补偿原始监测数据的表达式：

补偿后的效果如图5所示，从图5可以看出，在对倾角监测值进行温度补偿前，倾角监测值与温度波动变化的趋势基本一致，进行温度补偿后，倾角值在量值上发生明显的变化，且倾角值的波动性明显降低，倾角值变化趋势与温度变化趋势表现出明显的差异性，经温度补偿后的倾角值能够更加准确的反映所监测工程结构的变形情况。

Claims (7)

1.一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对被测结构物采用无线传感网络倾角支点采集监测周期内的角度值与温度值；

2)根据监测周期内的角度值确定结构稳定期，即结构未产生倾斜变形的时间段，确定结构稳定期的判断方法为：

在结构稳定期内，无线传感网络倾角支点监测的角度值在相同温度下偏差不大于0.02°；

3)建立无线传感网络倾角支点的温度补偿模型并计算温度补偿系数；

4)根据获取温度补偿系数后的温度补偿模型自动对无线传感网络倾角支点采集到的角度值进行补偿。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，其特征在于，所述的无线传感网络倾角支点内部设有硅电容式MEMS倾角传感器、模数转换器、集成有温度传感器和无线收发器的微处理器和电池。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包括以下步骤：

31)取结构稳定期内相同温度下无线传感网络倾角支点监测的角度平均值作为该温度下无线传感网络倾角支点的角度值θ_T；

32)以结构稳定期内最低温度下的角度值θ_T-min为基准，计算其他温度下相较于θ_T-min的偏差值ε_T，计算式为：

ε_T＝θ_T-θ_T-min

33)对结构稳定期内的ε_T-T值对采用最小二乘法进行3次多项式拟合，得到拟合曲线以及温度补偿系数，从而得到无线传感网络倾角支点的温度补偿模型。

4.根据权利要求3所述的一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，其特征在于，所述的步骤33)中，温度补偿模型为3次多项式温度补偿模型，其具体的表达式为：

ε_corr＝a₀+a₁T+a₂T²+a₃T³

式中，ε_corr为无线传感网络倾角支点温度漂移误差，T为无线传感网络倾角支点温度监测值，a₀、a₁、a₂、a₃为温度补偿系数。

5.根据权利要求4所述的一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，其特征在于，所述的步骤4)中，补偿后的角度值θ_comp的计算式为：

θ_comp＝θ-ε_corr

其中，θ为无线传感网络倾角支点采集到的角度值。

6.根据权利要求5所述的一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

5)通过补偿后的角度值θ_comp与相对应的温度值的相关系数r，验证温度补偿模型的补偿效果，当相关系数r不大于0.05时，则判定补偿后的角度值与温度值不相关，补偿效果好，当相关系数r大于0.05时，则判定补偿效果不好，并重复步骤3)和4)进行二次补偿。

7.根据权利要求6所述的一种无线传感网络倾角支点温度补偿方法，其特征在于，所述的相关系数r的计算式为：

式中，σ(θ_comp)为补偿后的角度值的标准差，σ(T)为温度值的标准差，Cov(θ_comp,T)为补偿后的角度值与温度值的协方差。