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HPS光纖MEMS混合傾斜系統(tǒng)

為監(jiān)測巖土工程中不穩(wěn)定邊坡，HPSYSTEM公司與Optosensing公司聯(lián)合開發(fā)了混合型傾斜儀——HPS混合傾斜儀系統(tǒng)，這是一種結(jié)合光纖傳感與MEMS傳感技術(shù)的創(chuàng)新型測斜系統(tǒng)，從而實現(xiàn)測量系統(tǒng)布設(shè)部位的變形。
該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、體積小、性能好。它利用了這兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢。

表1：技術(shù)規(guī)格

最大誤差，MEMS 5m間距	3.5mm
材質(zhì)	聚乙烯（PE）
輸出	數(shù)字&光

更具體地說，該系統(tǒng)包括一根聚乙烯管，其內(nèi)部內(nèi)嵌光纖技術(shù)中的分布式光纖傳感器和納米技術(shù)中的數(shù)字傳感器。MEMS傳感器用來提供進(jìn)一步的反饋數(shù)據(jù)來驗證來自光纖的數(shù)據(jù)，從而提升系統(tǒng)性能。此外，MEMS傳感器可以重置來自數(shù)學(xué)模型的積分誤差，從而獲得光纖的應(yīng)變。
用于建立變形剖面的數(shù)學(xué)模型采用了伯努利梁理論，包括彎矩分量的積分，以及管材的楊氏模量和管材幾何形狀的積分。Mx (z)和My (z)(在通用部分z中，分別是x軸方向的分量和y軸方向的分量)，其值是應(yīng)變的函數(shù)。
管內(nèi)，采用由HPSYSTEM公司開發(fā)的MEMS雙軸傳感器，對來自彎矩積分產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校正，因此，它通過提供反饋數(shù)據(jù)來驗證光纖獲得的測量結(jié)果，從而提高了性能。

圖1 -混合傾斜系統(tǒng)

系統(tǒng)內(nèi)部的每個MEMS傳感器在數(shù)字總線上輸出一個信號，除了傾角值外，還使功能參數(shù)可用于診斷，如電源和溫度的值。傾斜儀的測量數(shù)據(jù)存儲在本地，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和存儲單元。

圖2 -配置

通過這種方式，如果不需要連續(xù)的測量，只是周期性地進(jìn)行光學(xué)數(shù)據(jù)的采集，也可以租用光學(xué)數(shù)據(jù)采集單元。
在MEMS技術(shù)中使用雙軸加速度計可以提高性能標(biāo)準(zhǔn)。

表2 - MEMS傳感器技術(shù)規(guī)范

測量量程	±90°（可選擇）
靈敏度	±0.01°LSB
精度	±0.1°
工作溫度范圍	-10°C~+85°C
工作電壓	4.75±26Vdc
工作電流	22mA~100mA
輸出	數(shù)字，標(biāo)準(zhǔn)AD
重量	約500g
防護(hù)等級	IP68~200

上述的混合測斜系統(tǒng)可用于垂直和水平布置，并可用于收斂測量。
在垂直配置中，安裝傾斜儀系統(tǒng)的巖土體發(fā)生變形，導(dǎo)致管道變形，從而導(dǎo)致傳感纖維的壓縮和伸長。
因此，在安裝了該系統(tǒng)的巖土體中，沿著四根纖維的應(yīng)變剖面的詳細(xì)測量，可以獲得管道的三維變形，或測斜剖面。
傾斜儀系統(tǒng)被適當(dāng)?shù)胤湃胍O(jiān)測的地面上的鉆孔中，并灌漿。一旦固化完成，第一次參考零點(diǎn)測量將作為后續(xù)測量的初始值。
相反的，混合技術(shù)中的測斜儀系統(tǒng)采用水平布置，即使在與地面平行的平面上也能測量位移和變形。該特征可用于監(jiān)測滑坡前緣相對于其外部位置的水平位移。
如果系統(tǒng)被布置在隧道的斷面上，它可以進(jìn)行較精確的收斂測量。

該混合式測斜儀具有通用性強(qiáng)、體積小、性能高的優(yōu)點(diǎn)，較好克服了使用傳統(tǒng)儀器有關(guān)的限制，較好防止由相同的地面變形對系統(tǒng)造成的損害。

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