应用于海洋平台振动检测的无线传感器系统技术研究

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。
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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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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。

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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。