CN209114519U - 一种基于mems传感器的基坑智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于mems传感器的基坑智能监测系统，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系统总线电性连接；还包括监测方法，该监测方法包括选定基准点，计算基坑支护的水平位移，得出水平位移曲线，根据水平位移曲线的曲率布置mems加速度传感器，利用MENS倾角传感设备自动检测所在位置的变形；给基坑的检测提供了全方位的数据，从而使专家能制定更完善的施工方案，先利用MEMS倾角传感设备检测基坑围护桩的各项数据，然后通过坑支护的弹性支点法计算出水平位移量，最后将数据依次传输到中心传输终端、服务器，完成了无人自动、实时、全程地智能监测。

Description

一种基于mems传感器的基坑智能监测系统

技术领域

本实用新型涉及基坑监测技术领域，具体为一种基于mems传感器的基坑智能监测系统。

背景技术

随着我国经济和社会的不断发展，国内深基坑工程的数量在不断的增多，基坑施工的开挖深度越来越深，从浅基坑发展到目前的深基坑，可达20多米，由于岩土体的复杂性，包括成因、地下水、建筑环境、地下设施变化等因素，对基坑位移监测造成很大的挑战。

随着计算机技术的发展，未来监测系统必然向自动化、智能化的方向发展，运用多种分析软件对基坑变形的实测数据进行反分析预测，实现“安全监测-实时监测-快速反馈-施工控制-在线管理”的有效循环，研发精度高的硬件，以及开发基坑监测信息管理、预测系统软件，构建基坑施工工况信息共享云平台，是基坑监测技术发展和信息化施工的必经之路。

在国外，已使用由监测机器人和一系列的传感器组成的自动监控系统，对某矿山深基坑的高边坡进行了监测。该系统能够进行数据自动、实时及无线采集，并根据边坡位移变化速率和边坡位移变化阀值进行预警等，同时具有利用激光扫描建模系统对基坑工程施工现场进行扫描建模，实现了自动化建模、图形图像处理及模型渲染等功能。此外，该系统能够将三维激光扫描技术与主流的有限元分析方法相结合，从而实现了自动数据采集、实时数据分析、数值分析预测等。

目前我国基坑监测工作主要还停留在人工阶段，即通过一定频率的对基坑工程现场采集数据，进行内业处理，然后提供纸质或者电子的数据报告。基坑工程的海量数据采集和存储在信息化施工中是非常重要的，这就使得基坑监测在指导施工时存在时间差，或者说不能信息化的指导施工。目前监测市场上还存在着编造数据，编造报告的问题。从而难以通过基坑监测工作来控制指导工程安全实施。

目前在国内基坑监测和预报系统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。

实用新型内容

为了克服现有技术方案的不足，本实用新型提供一种基于mems传感器的基坑智能监测系统及基坑结构，直接依附设置在挡墙上，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。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型提供了一种基于mems传感器的基坑智能监测系统，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，用于将接收的基坑震动波信号分解成所需频率信号，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；

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，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；

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系统总线电性连接。

作为本实用新型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。

作为本实用新型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。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型利用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，将基坑监测系统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系统。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，从而解除系统功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的测震系统功能扩展与总体优化间的矛盾，达到震动监测网各分系统统一的目标；

(2)本实用新型的基坑变形的检测方法能检测沉降、位移、应力变化、水位、水压力、坑底回弹等方面的数据，检测的可对比数据多，给基坑的检测提供了全方位的数据，通过MEMS加速度传感器检测基坑围护桩的各项数据和变形参数，然后通过坑支护的弹性支点法计算出水平位移量和其他变形量，然后将数据依次传输到中心传输终端、服务器，完成了无人自动监测和实时的基桩变形监测，监测数据实时高效，能全程对基桩围护桩的变形情况进行监测并绘制，且最终服务器在线完成对变形监测数据的接收、对数据的相应处理、自动存储数据、数据的绘图和分析、数据的报价、将数据以图表和文字形式在显示屏上展现出来，从而使基坑的各中变形数据一目了然地展示出来。

附图说明

图1为本实用新型的基坑变形检测方法的流程图；

图2为本实用新型计算预测的基坑支护水平位移曲线；

图3为本实用新型按水平位移曲线布置的竖向MEMS加速度传感器位置示意图；

图4为本实用新型按水平位移曲线布置的水平面MEMS加速度传感器位置示意图；

图5为本实用新型的监测系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，本实用新型提供了一种基于mems传感器的基坑智能监测方法，包括如下步骤：

S100、选定基准点，计算基坑支护的水平位移，得出水平位移曲线；

所述选定基准点的步骤为：根据专家的经验和建议或计算得出的不受基坑开挖影响的点，此点即为与基坑沉降无关的基准点。

所述计算水平位移的步骤如下：

根据基坑支护的弹性支点法计算水平位移，支护结构挠曲线方程为：

f＝mzy；

式中，EI-支护结构计算宽度的抗弯刚度，y-水平位移，z-支护结构顶部至计算点的距离，e_k-基坑外侧水平载荷标准值，b₁-侧向土压力计算宽度，b₀- 土的抗力计算宽度，h-工况基坑开挖深度，m-水平地基反力比例系数，f-水平地基反力。

求出水平力f后，参照桩头作用水平力和力矩的完全埋置的水平受载桩的理论，求得开挖面以下各深度的位移、弯矩以及剪力，具体计算公式如下：

T_j＝K_j(y_j-y_0j)＝T_0j；

式中，T_j–支撑力，T_0j–支撑预加的轴力，K_j–支撑弹簧刚度，y_j–计算得出的支撑j处的水平位移，y_0j–支撑j处支撑设置前的水平位移，H₀-桩顶水平力，M₀-弯矩，h-深度。

先利用检测仪器检测出基坑变形的各种数据，然后计算得出各种基坑变形的数据，就能了解基坑的基本情况和各项变形参数，从而使检测人员能更快地得出基坑变形的结论。

S200、根据水平位移曲线的曲率选择布置mems加速度传感器的位置，计算出基坑各深度的弯矩、剪力和位移后，进行的步骤如下：

S201、根据不同的基坑支护方式,应用解析或者应用软件,得到不同的水平位移曲线，在基坑监测过程中需要对基坑周边进行深层水平位移监测，并且需要绘制基坑深层水平位移变化过程线(即位移-深度变化曲线)，此水平位移变化过程线即称为水平位移曲线。

测出的水平位移曲线如图2所示，图中的曲线是根据实际的某一个基坑预测而绘制的基坑支护水平位移曲线。

需补充说明的是，水平位移曲线若由人工来瞄点绘制的话会耗费大量时间和工作量，且绘制也不够准确，误差较大，在一个图上显示多个曲线时还需要将不同的线调色或标记以适应打印的效果，从而使曲线更好地展示。因此本采用应用软件来绘制水平位移曲线，以达到准确、节省人工、高效绘制的目的，此软件就是监测人批量过程线软件，此软件先将数据分类制作呈表格形式，然后根据表格和要求在方格纸上自动标点然后连线，从而完成了自动绘制水平位移曲线的操作，方便快捷。

S202、计算曲线的曲率，并根据曲线的曲率来布置mems加速度传感器的位置，将mems加速度传感器布置在曲率最大的位置，从而使检测的整体精度达到最高。

S300、清理地表，将mems加速度传感器放入指定位置。所述mems加速度传感器的放置步骤为：根据以上步骤计算出mems加速度传感器的具体位置，调整此处的地表和基坑的竖向壁面的平整度，使此处的竖向和地表的平整度达到mems加速度传感器的要求，然后将mems加速度传感器放入其中。

mems加速度传感器的放置位置如图3和图4所示，图3和图4分别表示 mems加速度传感器在基坑内的的竖向和横向分布图，图3中的数字1-8标示mems加速度传感器的标号，并不代表传感器的深度。

S400、mems加速度传感器自动检测所在位置的变形，并将检测到的变形数据发送到中心传输终端。所述mems加速度传感器自带蓄电池电源，mems加速度传感器在无人值守的情况下自动测量所在位置处的变形量，并通过无线自组网络将检测的信号即时地发送到附近的中心传输终端。

需补充说明的是，为使mems加速度传感器不受基坑土块掉落的影响，mems 加速度传感器的外侧设有防水膜和防撞击外壳，从而避免mems加速度传感器被基坑环境中的石块砸坏，避免蓄电池漏电或失效，从而延长了检测设备的寿命，也使检测数据更加准确有效。

所述中心传输终端进行如下操作：

中心传输终端在无人值守情况下，自动无线接收来自各地表沉降测点的测量数据，解译处理后重新封装，再通过GPRS/4G无线通讯网络，按照TCP/IP 协议格式发送给部署在云端的云监测服务器。

所述服务器进行的操作如下：

服务器在线完成对变形监测数据的接收、对数据的相应处理、自动存储数据、数据的绘图和分析、数据的报价、将数据以图表和文字形式在显示屏上展现出来，即服务器的可视化功展现功能。

最后进行的步骤为：对对服务器显示出来的分析结果和结论进行记录和存储，评估基坑检测位置的风险等级和风险因素，并拟定最佳的基坑工程的施工方案，从而降低工人的施工风险，保障工人的安全。

该检测方法能检测沉降、位移、应力变化、水位、水压力、坑底回弹等方面的数据，检测的可对比数据多，给基坑的检测提供了全方位的数据，通过MEMS加速度传感器检测基坑围护桩的各项数据和变形参数，然后通过坑支护的弹性支点法计算出水平位移量和其他变形量，然后将数据依次传输到中心传输终端、服务器，完成了无人自动监测和实时的基桩变形监测，监测数据实时高效，能全程对基桩围护桩的变形情况进行监测并绘制，且最终服务器在线完成对变形监测数据的接收、对数据的相应处理、自动存储数据、数据的绘图和分析、数据的报价、将数据以图表和文字形式在显示屏上展现出来，从而使基坑的各中变形数据一目了然地展示出来。

另外，如图5所示，本实用新型还提供了一种基于mems传感器的基坑智能监测系统，其包括：

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系统总线电性连接。

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，应用于基坑监测系统中，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，集成于嵌入式操作系统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。

本实用新型利用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，将基坑监测系统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系统。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，从而解除系统功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的测震系统功能扩展与总体优化间的矛盾，达到震动监测网各分系统统一的目标。

本实用新型的基坑监测方法目前能够做到项目包括：地下管线、地下设施、地面道路和建筑物的沉降、位移，围护桩地下桩体的侧向位移(桩体测斜)、围护桩顶的沉降和水平位移，围护桩、水平支撑的应力变化，基坑外侧的土体侧向位移(土体测斜)，坑外地下土层的分层沉降，基坑内、外的地下水位监测、地下土体中的土压力和孔隙水压力，基坑内坑底回弹监测。

优选的是，本实用新型的基坑围护桩变形的检测方法能检测沉降、位移、应力变化、水位、水压力、坑底回弹等方面的数据，检测数据多，对比文件多，给基坑的检测提供了全方位的数据，从而使专家能根据数据得出更完整的结论，制定更完善的施工方案，从而大大提高工人施工的安全性。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型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实用新型。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，本实用新型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实用新型内。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 (3)

1.一种基于mems传感器的基坑智能监测系统，其特征在于，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,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；

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,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；

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系统总线电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于mems传感器的基坑智能监测系统，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。

3.根据权利要求1所述的一种基于mems传感器的基坑智能监测系统，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。