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《電子技術應用》
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ADI危巖體滑坡監測解決方案

2022-10-28
來源:世健

  滑坡在地質學中被定義為僅次于地震的第二大地質災害。山體滑坡、危巖體滑坡也是我國山區地帶最為常見、最易發的地質災害,能在短時間內迅速掩埋或摧毀鐵路公路、涵洞、路基橋梁等設施,嚴重影響道路運輸安全。近年來,國內高速公路的建設步伐不斷加快,通車里程不斷向偏遠地區延伸,山區路段受地理地質因素限制,建設過程中不可避免會出現一些危險巖石。如何根據偏遠地區特殊的地形地貌因素,對公路危巖體災變進行有效的監測和脫落預警,從而有效防止出現嚴重垮塌災害事件,降低公路工程建設和運營期間人員傷亡事件與社會經濟損失,已成為交通行業亟待解決的工程難題。

  一、危巖體滑坡監測現狀

  滑坡監測內容主要是以下幾個方面:地面變形、地下變形、應力觀測、降水、地下水觀測、地震、環境因素和宏觀觀測等。隨著技術的發展,觀測方式也逐漸向高精度化、定量化發展,觀測方法有了較大的發展。常用的觀測方法及特點見下表1。

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  表1 滑坡監測技術方法

  由上表可以看出,不同監測方法的監測重點不同,還有各自的適用性及不足。就宏觀觀測來看,工程師一般選擇簡單經濟,直觀可靠,且判斷較為準確的方式來實現滑坡預警功能。技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Galen Zhang介紹了ADI滑坡監測解決方案,該方案可以利用傾斜儀測量法來判定滑坡狀態。

  二、ADI滑坡監測解決方案

  1.測量原理

  傾斜類儀器通常分為測斜儀和傾斜儀兩類:用于鉆孔中測斜管內的儀器,習慣上稱之為測斜儀;而設置在基巖或者建筑物表面,用做測定某一轉動量,或者某一點相對于另一點垂直位移量的儀器稱之為傾斜儀,即表面傾角計。

  滑坡變形下滑過程中必然會導致滑坡體表面的角度值變化。因此對表面傾角的監測也可以在另一個角度上反映滑坡的穩定狀態。傾角的變化可利用加速度計來計算。傾斜儀是監測坡體水平傾斜或者垂直傾斜的觀測儀器,一般應用場景如下圖:

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  圖1 危巖體監測

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  圖2 滑坡監測

  2.系統框圖

  下圖3為ADI滑坡監測的信號鏈。利用高精度加速度計ADXL355/7和低功耗MCU MAX32660來完成傾角計算和滑坡監測判斷。

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  圖3 系統框圖

  3.方案介紹

  加速度計介紹

  常見的加速度傳感器主要有壓電陶瓷、應變式、電容式加速度傳感器和MEMS加速度傳感器。目前市面上選用較多的是壓電陶瓷加速度傳感器。但隨著MEMS技術的不斷進步,其在溫漂、抗腐蝕性和長期穩定性上更有優勢,在很多應用上已經開始逐步替代壓電陶瓷傳感器。ADI在MEMS加速度傳感器產品上可以提供豐富的產品來滿足不同的應用場景監測,同時能保持優良的噪聲性能。

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  表2 ADI加速度計產品參數對比

  如表2所示,通過上表的對比可以很直觀地看出ADI加速度計產品的主要特點。ADXL355和ADXL357高精度、低噪聲、寬量程范圍以及ADXL367低功耗等特點。此外ADXL355和ADXL357外殼使用陶瓷封裝,相比較于塑殼封裝加速度計,應力對它們的影響更小。而且它們還具有更好的工業抗腐蝕性以及長期穩定性。

  與壓電式加速度傳感器相比,MEMS加速度傳感器在直流響應時能檢測極低的震動頻率,同時具有更高分辨率、更出色的漂移特性和靈敏度,同性能參數下成本也更低。

  MCU介紹

  滑坡監測系統中基本都是太陽能和可充電鋰電池供電,所以對MCU低功耗特性要求比較高。而Maxim系列MCU也主打低功耗特點。ADI滑坡監測方案中推薦的MAX32660主要特點是性價比較高,可以滿足客戶對低成本設計的需求,但是處理器性能和資源表現不突出。如果用戶對產品設計性能有較高的要求,推薦使用MAX32672,功耗只有48μW/MHz At 12Mhz,并且內部集成12位ADC和加密算法。另外對于有藍牙通信應用的設計需求,推薦使用MAX32666,該處理器集成有藍牙5.0協議棧,用戶可直接開發應用程序,外部可省去單獨藍牙模塊。MAX32660,MAX32672和MAX32666的詳細參數對比參考下表3:

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  表3 MAX32660,MAX32672和MAX32666詳細參數對比

  電源介紹

 ?。?)電池充電控制器

  LTC4162:

  —采用 PowerPath 和 I2C 遙測技術 35V/3.2A 多電池鋰離子降壓電池充電器

  —采用端接技術的鋰離子/聚合物電池充電器

  —寬充電輸入電壓范圍:4.5V 至 35V

  —16 位數字遙測系統可監控 VBAT、IBAT、RBAT、TBAT、VIN、IIN、VOUT

  —可為 1-8 節鋰離子/聚合物電池充電

  —輸入欠壓充電電流限制環路

  —適用于太陽能板輸入的輸入 MPPT

 ?。?)開關電源和LDO

  LT8606:

  —具有 2.5μA 靜態電流的 42V、350mA 同步降壓型穩壓器,

  —輸出紋波<10mVP-P,

  —高效率2MHz同步操作:>92%效率(0.35A,12VIN至5VOUT時)

  ADP162:

  —超低靜態電流( 560 nA)、150 mA CMOS線性調節器

  —輸入電壓范圍:2.2 V至5.5 V

  —低關斷電流:小于50 nA(典型值)

  —低壓差:195 mV(150 mA負載)

  —初始精度:±1%

  三、傾角計算

  1.原理

  由于加速度傳感器在靜止放置時受到重力作用,因此會有1g 的重力加速度。利用這個性質,通過測量重力加速度在加速度傳感器的X 軸和Y 軸上的分量,可以計算出其在垂直平面上的傾斜角度。

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  如上圖所示,有

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  根據以上原理,一個2 軸加速度傳感器可以測量在X-Y 平面上的傾斜角度。

  需要注意的是,2 軸加速度傳感器只能測量 X 軸和Y 軸上的重力分量,因而只能測量 X-Y平面上的傾斜角度??墒怯捎谖矬w在空間傾斜的時候,很難保證傾斜完全在 X-Y 平面上,這樣只使用2 軸加速度傳感器進行測量會存在局限性,因此,我們考慮使用3 軸加速度傳感器。如下圖所示,3 軸加速度傳感器可以測量X 軸、Y 軸和Z 軸的重力分量,計算空間傾斜角度。

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  注:這個公式就是本文中用來測量物體傾斜角度的基本原理。需要說明的是,這里利用的是物體在靜止時受到重力的性質,如果物體同時也有運動加速度的話,那么這個公式將不再準確。所以必須為公式增加一個限制條件,即:(新增加如下公式)

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  2.步驟

  a、測量X、Y、Z 軸的加速度Ax 、Ay 、Az 。(對于數字輸出的加速度傳感器,直接通過I2C 或SPI 總線讀??;對于模擬輸出的加速度傳感器,需要通過ADC 進行采樣。在算法說明部分將不對此加以區分。)

  b、計算AX2+ AZ2+ AY2如果這個平方和接近1g 的平方,那么說明這組采樣值是有效的可以用來計算;否則將該采樣值丟棄,重復第一步。

  c、利用有效的采樣值,通過開平方和反正切函數等數學計算,求出傾斜角度

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  四、總結

  ADI可以為滑坡監測這類產品的應用提供完整的方案。包括低功耗,低噪聲和高精度加速度計,低功耗高性能的MCU以及低功耗電源。用戶可根據產品實際應用環境選擇最合適器件以及最優方案。Excelpoint世健為客戶提供技術支持,有助于客戶縮短產品開發周期,加快產品應用部署。

 

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