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摘要：海洋平台长期服役在恶劣的海洋环境里，特别是进入中后期服役阶段，其安全问题越来越成为制约海洋平台正常作业的重要因素，对海洋平台结构进行快速、便捷、实时动态检测是进行平台结构安全评估、维修决策、保障海洋平台正常使用的重要前提。文章介绍了一种用于海洋平台快速振动检测的无线传感网络检测系统，提出了系统的总体架构，分析了系统中加速度传感器的选取方法，完成了无线传感节点的原理及架构设计，最后通过在海洋平台结构模型上进行模拟海冰撞击的敲击试验，验证了所设计的无线传感网络检测系统在海洋平台结构振动检测中的应用可行性。
关键词：海洋平台；安全评估；振动检测；无线传感器；加速度传感器
0 引言
近年来，随着对海洋油气资源开发的不断深入，海洋平台结构的安全性与可靠性问题越来越引起人们的重视。海洋平台长时间在恶劣的海洋环境中服役，受到环境侵蚀、材料老化和海浪、台风、海冰撞击、海洋生物等各种荷载的长期作用而使其产生疲劳效应和损伤积累，导致抗力衰减。海洋平台抵抗自然灾害、甚至在正常环境中的工作能力下降，极端情况下极易引发灾难性的突发事故。如不能对海洋平台结构的工作状态和健康状况做出及时的检测和正确的评价，一旦发生事故，将会造成重大的经济损失和人员伤亡，污染海洋环境，造成不好的社会政治影响。
海洋平台结构在服役期间损伤不可避免，只有准确诊断出结构的损伤情况，并及时地进行修缮，才能确保人员的生命安全和减少财产损失。海洋平台结构检测技术的研究与应用在保障海洋平台结构的安全、可靠运行，延长平台结构的使用寿命等方面具有重大意义。
1 海洋平台结构检测技术的研究现状
因海洋平台结构造价昂贵、结构复杂，在其服役期间不能中断使用，故对其进行结构健康检测、评估其安全与可靠性，就必须采用微损或无损检测技术。无损检测技术是在物理学、材料科学、断裂力学、机械工程、电子学、计算机技术、信息技术以及人工智能等学科的基础上发展起来的一门应用工程技术。目前常规的检测技术主要有目测、磁粉检测、超声波检测、射线检测、渗透检测、磁膜检测以及进水构件检测等方法，表1列举了常用的几种结构检测方法。
表1所列的各种检测技术虽各有其独特的特点及应用范围，但都存在一个共同的局限性，或不能用于水下检测，或不能同时检测裂缝的深度和长度，或测试仪器造价昂贵，需要受过专业培训的人员才能操作，故在海洋平台的大规模检测中都不适用。
与上述方法相比，基于振动的海洋平台无线传感网络检测技术则具有简单、成本低等诸多优点。无线传感器网络是一种分布式系统，通常由传感节点、汇聚节点和用户端节点等组成。传感节点集成有传感单元、数据处理单元、通信单元及电源管理单元等，它们可以大量随机部署在监测区域，并可无线自组织地构成网络系统。这种检测技术的基本原理是：首先实测到结构的状态数据，然后利用参数识别技术判定结构动力参数的变化，再据此判定结构有无损伤以及损伤的位置和程度。2 无线传感网络检测技术设计
2．1 无线低频振动检测系统的总体架构
无线低频振动检测系统实际上是把现有的无线传感器网络技术应用在海洋平台结构低频振动检测领域，就是把传统的振动检测传感器与数据采集中心的有线连接改用无线通信的方式实现，从而达到快速、便携式低频振动检测的目的。它由放置在海洋平台结构上的无线传感采集节点构成低频振动信号数据采集部分，采集节点与数据采集中心的无线通信模块之间的通信协议构成数据传输部分，无线数据采集中心构成数据处理部分。图1所示是无线低频振动检测系统的架构图。
研究选用星型网络拓扑结构进行设计，整个构架由一个数据采集中心和多个无线传感采集节点组成。每个无线传感采集节点具有8个16位精度的AD通道，用于采集力平衡加速度传感器的加速度振动信号；无线传感采集节点主要完成对平台在各类荷载作用下的振动数据采集、初步分析、数据缓存、数据无线收发等功能，主要由振动传感单元、嵌入式低功耗处理器(包括8通道16位ADC+大容量存储)、无线收发单元、高容量电源单元等组成。数据采集中心主要完成对多个无线传感采集节点的协同控制、数据接收、数据分析、参数识别等功能，由高性能计算单元(PC机)、无线通信模块、移动电源以及与数据采集分析相应的嵌入式软件构成：数据以2．4 GHz的通用无线信道进行传输，分为数据信道与控制信道，每条数据信道独立占用一个频点，控制信道公用一个频点。数据信道负责采集数据的传输，控制信道负责完成各传感采集节点的参数设置。
2．2 低频振动传感器的选择
2．2．1 海洋平台结构振动特性
海洋平台结构长期服役在恶劣的海洋环境中，受到海风、波浪、海冰、船舶以及海洋生物等作用，会产生各种形式的振动。经过分析发现，这些振动多属于低频振动(一般地说，0．1～10 Hz的振动被称为低频振动)，因此，海洋平台结构是一类具有复杂结构的低频结构物。
海洋平台的受力情况可以划分为自由振动和受迫振动。海洋平台振动时受到的力主要有弹性恢复力、振动惯性力、阻止振动的阻尼力以及引起振动的干扰力等。自由振动是以海洋平台结构的固有频率振动的，可以用于检测平台结构的自身频率的变化。受迫振动是指受经常性或持续干扰力作用的海洋平台振动，受迫振动以干扰力的频率为振动频率，可用于测量结构的受力情况等。
海洋平台的振动情况是随机的，对其进行低频振动检测目前应用最多的振动检测仪器是低频加速度计，也即低频加速度传感器。对加速度传感器的分析选取是检测技术的关键，直接关系到测量的精度与准确性。
2．2．2 低频振动传感器的选择
目前，应用在结构振动检测领域的测振传感器主要是加速度传感器。加速度传感器是指可以把加速度这一物理量转变成便于测量的电信号的测试仪器，它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。目前，常用的加速度传感器主要有机械传感器、MEMS加速度传感器、压电加速度传感器、力平衡加速度传感器、应变式加速度传感器等。低频振动检测属于弱信号检测范畴，对加速度传感器的低频特性、灵敏度要求较高。
MEMS加速度传感器是采用独立的芯片式结构构成的，它具有较好的灵敏度、线性动态范围和稳定性，但是一味地追求小型化导致其精度变差，在精度要求不高的振动测试中应用广泛；压电加速度传感器采用压电晶体制备，具有工作频带宽、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、不易损坏等优点，可根据要求设定精度，但造价昂贵；力平衡加速度传感器通过测量振动位移求取振动加速度，具有动态范围广、频响范围宽、低频效应好等优点，造价适中，能够满足低频振动检测对传感器的需求。基于此，本设计选用力平衡加速度传感器来作为低频振动信号的拾取单元。 |
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