应用于海洋平台振动检测的无线传感器系统技术研究 无线

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2．3 无线传感采集节点的原理设计
    无线传感采集节点是无线低频振动检测系统的重要组成部分，采用模块化设计方式，主要包括超低频加速度传感器、传感器接口单元、微处理器、无线模块、存储器、电源管理等几个模块。各模块的组成框图如图2所示。

    无线传感器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。主要完成的功能：一是提供8通道16位ADC通道，完成力平衡加速度传感器模拟量输入的采集和处理；二是超低功耗处理单元，可在低功耗下实现对各传感器、各单元电路、各接口的控制；三是大容量存储器系统，主要提供采集数据的存储；四是与数据采集中心的无线通信接口，用于提供采集数据的传输、命令的设定；五是电源系统，可保障各传感器件、各单元电路的稳定可靠的电源供给。
2．4 无线数据采集中心架构设计
    无线数据采集中心是无线低频振动检测系统的核心，主要完成对各无线传感采集节点的端口配置、初始化设定、采集指令的发送、振动数据包的接收、振动数据的实时显示、存储、时频分析等功能。该部分采用模块化的设计方式，主要由无线模块(数据信道、控制信道)、串口服务器、计算机单元(PC机)及其嵌入式采集软件构成，图3所示是无线数据采集中心模块的结构框图。

    无线模块用于实现与无线传感采集节点的无限交互，由8个无线接收模块和1个无线控制模块组成，分为8个数据信道和1个控制信道。无线接收模块对应各自的无线传感采集节点，用于接收其振动数据包：无线控制模块用于实现对各无线传感采集节点的控制功能。串口服务器是无线模块与计算机单元(PC机)通讯的中介，把通过串口形式接收的振动数据通过USB的方式传送到计算机单元中。计算机单元是无线振动检测系统的中心，在计算机单元上嵌入智能控制采集软件可以实现对无线传感采集节点的控制，并完成对采集到的振动数据进行分析和处理等功能。

3 海洋平台结构模型振动测试试验
3．1 试验方案
    海洋平台结构在海上服役期间会受到各种荷载对其造成的影响，但对其结构造成伤害最大、影响最为严重的主要是海冰的撞击与台风的侵袭。为了验证所设计的无线振动检测系统能够应用在海洋平台结构的振动检测当中，可在海洋平台结构的模型上进行模拟海冰撞击的敲击试验。试验的海洋平台结构模型与真实的海洋平台结构具有相似性，其结构固有频率、高度、强度等方面均与真实的海洋平台结构有一定的相似比。
    试验前，应将力平衡加速度传感器布设在平台结构模型的平台两个对角线处，并紧紧地固定好。运用无线低频振动检测系统进行振动数据的采集与测试分析。平台敲击试验使用重锤在与水平力平衡加速度传感器的相同方向上进行敲击，模拟海冰撞击，采集振动加速度信号。海洋平台结构的ANSYS有限元仿真模型与真实的海洋平台结构模型如图4所示。

    无线数据采集中心在采集到振动数据后，可对振动数据进行导出并运用Matlab进行数据的时域与频域分析，从而得到结构的振动频率。敲击后平台模型做有阻尼的自由振动，振动频率即为平台模型的固有频率，从中得出平台模型的一阶与二阶固有频率。平台模型在受到损伤时，其振动的一阶与二阶固有频率将会发生变化。平台模型浪涌试验的振动频率为液压振动台设定的频率，此时平台模型做的是有阻尼的受迫振动。3．2 平台敲击作用下响应数据分析
对平台模型进行重锤敲击试验后，平台模型做有阻尼的自由振动，对其进行频域分析，可以得出结构的一阶与二阶固有频率。为了尽量减小随机误差对平台振动固有频率的影响，对平台敲击试验时，本文采集了3组试验数据进行分析。对这三种工况的时域与频域分析图如图5所示。

    从图中可以看出，其时域显示的是有阻尼的振动波形，频域显示为一阶与二阶频率。三种工况条件下的频率误差如表3所列。

    根据上述时域和频域波形图及频率误差表可见，平台模型的一阶频率在6 Hz左右，二阶频率在9．43 Hz左右，说明无线振动检测系统能够很好地反映平台模型的振动情况，具有较好的精度与准确性。

4 结语
    本文针对海洋平台低频结构的振动检测，并结合无线传感器系统技术，给出了一种无线低频振动检测系统的设计方法。该系统集成了低频加速度传感器、无线传感节点、基站等装置，并通过试验验证了该检测系统应用于海洋平台结构检测中的可行性，所开发的无线传感节点具有低功耗、无需布线、可超低频测量的优点，本文的检测系统技术为海洋平台结构的检测提供了一种新的方法和思路。
    无线传感网络技术刚刚兴起，特别是将无线传感网络技术应用于海洋平台结构检测也正处于起步阶段，开展基于无线传感网络技术的海洋平台结构健康检测研究，无疑具有重要的理论意义和广阔的应用前景。随着海洋石油资源的不断开发，海洋平台结构检测技术的发展将会非常迅速，立足于对现有无线传感网络技术检测方法和手段的综合分析和验证，从检测技术方法、工艺过程控制、检测记录的采集与保存以及提高检测结果的可靠性等若千方面所进行的研究和改进，必将成为现役海洋平台结构物检测评估的研究热点。