應(yīng)用于海洋平臺(tái)振動(dòng)檢測(cè)的無線傳感器系統(tǒng)技術(shù)研究

摘要：海洋平臺(tái)長(zhǎng)期服役在惡劣的海洋環(huán)境里，特別是進(jìn)入中后期服役階段，其安全問題越來越成為制約海洋平臺(tái)正常作業(yè)的重要因素，對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、便捷、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)是進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估、維修決策、保障海洋平臺(tái)正常使用的重要前提。文章介紹了一種用于海洋平臺(tái)快速振動(dòng)檢測(cè)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分析了系統(tǒng)中加速度傳感器的選取方法，完成了無線傳感節(jié)點(diǎn)的原理及架構(gòu)設(shè)計(jì)，最后通過在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行模擬海冰撞擊的敲擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用可行性。
關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)；安全評(píng)估；振動(dòng)檢測(cè)；無線傳感器；加速度傳感器

0 引言
    近年來，隨著對(duì)海洋油氣資源開發(fā)的不斷深入，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性問題越來越引起人們的重視。海洋平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的海洋環(huán)境中服役，受到環(huán)境侵蝕、材料老化和海浪、臺(tái)風(fēng)、海冰撞擊、海洋生物等各種荷載的長(zhǎng)期作用而使其產(chǎn)生疲勞效應(yīng)和損傷積累，導(dǎo)致抗力衰減。海洋平臺(tái)抵抗自然災(zāi)害、甚至在正常環(huán)境中的工作能力下降，極端情況下極易引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。如不能對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和健康狀況做出及時(shí)的檢測(cè)和正確的評(píng)價(jià)，一旦發(fā)生事故，將會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，污染海洋環(huán)境，造成不好的社會(huì)政治影響。
    海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在服役期間損傷不可避免，只有準(zhǔn)確診斷出結(jié)構(gòu)的損傷情況，并及時(shí)地進(jìn)行修繕，才能確保人員的生命安全和減少財(cái)產(chǎn)損失。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用在保障海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全、可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的使用壽命等方面具有重大意義。

1 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀
    因海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其服役期間不能中斷使用，故對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、評(píng)估其安全與可靠性，就必須采用微損或無損檢測(cè)技術(shù)。無損檢測(cè)技術(shù)是在物理學(xué)、材料科學(xué)、斷裂力學(xué)、機(jī)械工程、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能等學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門應(yīng)用工程技術(shù)。目前常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)主要有目測(cè)、磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、滲透檢測(cè)、磁膜檢測(cè)以及進(jìn)水構(gòu)件檢測(cè)等方法，表1列舉了常用的幾種結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法。

    表1所列的各種檢測(cè)技術(shù)雖各有其獨(dú)特的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，但都存在一個(gè)共同的局限性，或不能用于水下檢測(cè)，或不能同時(shí)檢測(cè)裂縫的深度和長(zhǎng)度，或測(cè)試儀器造價(jià)昂貴，需要受過專業(yè)培訓(xùn)的人員才能操作，故在海洋平臺(tái)的大規(guī)模檢測(cè)中都不適用。
    與上述方法相比，基于振動(dòng)的海洋平臺(tái)無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)技術(shù)則具有簡(jiǎn)單、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式系統(tǒng)，通常由傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和用戶端節(jié)點(diǎn)等組成。傳感節(jié)點(diǎn)集成有傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元及電源管理單元等，它們可以大量隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，并可無線自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種檢測(cè)技術(shù)的基本原理是：首先實(shí)測(cè)到結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用參數(shù)識(shí)別技術(shù)判定結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)的變化，再據(jù)此判定結(jié)構(gòu)有無損傷以及損傷的位置和程度。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)
2．1 無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)
    無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上是把現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域，就是把傳統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)傳感器與數(shù)據(jù)采集中心的有線連接改用無線通信的方式實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到快速、便攜式低頻振動(dòng)檢測(cè)的目的。它由放置在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的無線傳感采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成低頻振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集部分，采集節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集中心的無線通信模塊之間的通信協(xié)議構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸部分，無線數(shù)據(jù)采集中心構(gòu)成數(shù)據(jù)處理部分。圖1所示是無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

    研究選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)構(gòu)架由一個(gè)數(shù)據(jù)采集中心和多個(gè)無線傳感采集節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)無線傳感采集節(jié)點(diǎn)具有8個(gè)16位精度的AD通道，用于采集力平衡加速度傳感器的加速度振動(dòng)信號(hào)；無線傳感采集節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)平臺(tái)在各類荷載作用下的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、初步分析、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)無線收發(fā)等功能，主要由振動(dòng)傳感單元、嵌入式低功耗處理器(包括8通道16位ADC+大容量存儲(chǔ))、無線收發(fā)單元、高容量電源單元等組成。數(shù)據(jù)采集中心主要完成對(duì)多個(gè)無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的協(xié)同控制、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)識(shí)別等功能，由高性能計(jì)算單元(PC機(jī))、無線通信模塊、移動(dòng)電源以及與數(shù)據(jù)采集分析相應(yīng)的嵌入式軟件構(gòu)成：數(shù)據(jù)以2．4 GHz的通用無線信道進(jìn)行傳輸，分為數(shù)據(jù)信道與控制信道，每條數(shù)據(jù)信道獨(dú)立占用一個(gè)頻點(diǎn)，控制信道公用一個(gè)頻點(diǎn)。數(shù)據(jù)信道負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的傳輸，控制信道負(fù)責(zé)完成各傳感采集節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置。
2．2 低頻振動(dòng)傳感器的選擇
2．2．1 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性
    海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，受到海風(fēng)、波浪、海冰、船舶以及海洋生物等作用，會(huì)產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，這些振動(dòng)多屬于低頻振動(dòng)(一般地說，0．1～10 Hz的振動(dòng)被稱為低頻振動(dòng))，因此，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)是一類具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的低頻結(jié)構(gòu)物。
    海洋平臺(tái)的受力情況可以劃分為自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)。海洋平臺(tái)振動(dòng)時(shí)受到的力主要有彈性恢復(fù)力、振動(dòng)慣性力、阻止振動(dòng)的阻尼力以及引起振動(dòng)的干擾力等。自由振動(dòng)是以海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有頻率振動(dòng)的，可以用于檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自身頻率的變化。受迫振動(dòng)是指受經(jīng)常性或持續(xù)干擾力作用的海洋平臺(tái)振動(dòng)，受迫振動(dòng)以干擾力的頻率為振動(dòng)頻率，可用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的受力情況等。
    海洋平臺(tái)的振動(dòng)情況是隨機(jī)的，對(duì)其進(jìn)行低頻振動(dòng)檢測(cè)目前應(yīng)用最多的振動(dòng)檢測(cè)儀器是低頻加速度計(jì)，也即低頻加速度傳感器。對(duì)加速度傳感器的分析選取是檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵，直接關(guān)系到測(cè)量的精度與準(zhǔn)確性。
2．2．2 低頻振動(dòng)傳感器的選擇
    目前，應(yīng)用在結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的測(cè)振傳感器主要是加速度傳感器。加速度傳感器是指可以把加速度這一物理量轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量的電信號(hào)的測(cè)試儀器，它是工業(yè)、國(guó)防等許多領(lǐng)域中進(jìn)行沖擊、振動(dòng)測(cè)量常用的測(cè)試儀器。目前，常用的加速度傳感器主要有機(jī)械傳感器、MEMS加速度傳感器、壓電加速度傳感器、力平衡加速度傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器等。低頻振動(dòng)檢測(cè)屬于弱信號(hào)檢測(cè)范疇，對(duì)加速度傳感器的低頻特性、靈敏度要求較高。
    MEMS加速度傳感器是采用獨(dú)立的芯片式結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，它具有較好的靈敏度、線性動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定性，但是一味地追求小型化導(dǎo)致其精度變差，在精度要求不高的振動(dòng)測(cè)試中應(yīng)用廣泛；壓電加速度傳感器采用壓電晶體制備，具有工作頻帶寬、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)要求設(shè)定精度，但造價(jià)昂貴；力平衡加速度傳感器通過測(cè)量振動(dòng)位移求取振動(dòng)加速度，具有動(dòng)態(tài)范圍廣、頻響范圍寬、低頻效應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，造價(jià)適中，能夠滿足低頻振動(dòng)檢測(cè)對(duì)傳感器的需求?；诖?，本設(shè)計(jì)選用力平衡加速度傳感器來作為低頻振動(dòng)信號(hào)的拾取單元。
2．3 無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的原理設(shè)計(jì)
    無線傳感采集節(jié)點(diǎn)是無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，采用模塊化設(shè)計(jì)方式，主要包括超低頻加速度傳感器、傳感器接口單元、微處理器、無線模塊、存儲(chǔ)器、電源管理等幾個(gè)模塊。各模塊的組成框圖如圖2所示。

    無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)平臺(tái)在各類荷載作用下的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、初步分析、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)無線收發(fā)等功能。主要完成的功能：一是提供8通道16位ADC通道，完成力平衡加速度傳感器模擬量輸入的采集和處理；二是超低功耗處理單元，可在低功耗下實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器、各單元電路、各接口的控制；三是大容量存儲(chǔ)器系統(tǒng)，主要提供采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；四是與數(shù)據(jù)采集中心的無線通信接口，用于提供采集數(shù)據(jù)的傳輸、命令的設(shè)定；五是電源系統(tǒng)，可保障各傳感器件、各單元電路的穩(wěn)定可靠的電源供給。
2．4 無線數(shù)據(jù)采集中心架構(gòu)設(shè)計(jì)
    無線數(shù)據(jù)采集中心是無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)各無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的端口配置、初始化設(shè)定、采集指令的發(fā)送、振動(dòng)數(shù)據(jù)包的接收、振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、時(shí)頻分析等功能。該部分采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，主要由無線模塊(數(shù)據(jù)信道、控制信道)、串口服務(wù)器、計(jì)算機(jī)單元(PC機(jī))及其嵌入式采集軟件構(gòu)成，圖3所示是無線數(shù)據(jù)采集中心模塊的結(jié)構(gòu)框圖。

    無線模塊用于實(shí)現(xiàn)與無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的無限交互，由8個(gè)無線接收模塊和1個(gè)無線控制模塊組成，分為8個(gè)數(shù)據(jù)信道和1個(gè)控制信道。無線接收模塊對(duì)應(yīng)各自的無線傳感采集節(jié)點(diǎn)，用于接收其振動(dòng)數(shù)據(jù)包：無線控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的控制功能。串口服務(wù)器是無線模塊與計(jì)算機(jī)單元(PC機(jī))通訊的中介，把通過串口形式接收的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過USB的方式傳送到計(jì)算機(jī)單元中。計(jì)算機(jī)單元是無線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的中心，在計(jì)算機(jī)單元上嵌入智能控制采集軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的控制，并完成對(duì)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理等功能。

3 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)
3．1 試驗(yàn)方案
    海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在海上服役期間會(huì)受到各種荷載對(duì)其造成的影響，但對(duì)其結(jié)構(gòu)造成傷害最大、影響最為嚴(yán)重的主要是海冰的撞擊與臺(tái)風(fēng)的侵襲。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的無線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠應(yīng)用在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)檢測(cè)當(dāng)中，可在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的模型上進(jìn)行模擬海冰撞擊的敲擊試驗(yàn)。試驗(yàn)的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型與真實(shí)的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)具有相似性，其結(jié)構(gòu)固有頻率、高度、強(qiáng)度等方面均與真實(shí)的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)有一定的相似比。
    試驗(yàn)前，應(yīng)將力平衡加速度傳感器布設(shè)在平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型的平臺(tái)兩個(gè)對(duì)角線處，并緊緊地固定好。運(yùn)用無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集與測(cè)試分析。平臺(tái)敲擊試驗(yàn)使用重錘在與水平力平衡加速度傳感器的相同方向上進(jìn)行敲擊，模擬海冰撞擊，采集振動(dòng)加速度信號(hào)。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元仿真模型與真實(shí)的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

    無線數(shù)據(jù)采集中心在采集到振動(dòng)數(shù)據(jù)后，可對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出并運(yùn)用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)的時(shí)域與頻域分析，從而得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率。敲擊后平臺(tái)模型做有阻尼的自由振動(dòng)，振動(dòng)頻率即為平臺(tái)模型的固有頻率，從中得出平臺(tái)模型的一階與二階固有頻率。平臺(tái)模型在受到損傷時(shí)，其振動(dòng)的一階與二階固有頻率將會(huì)發(fā)生變化。平臺(tái)模型浪涌試驗(yàn)的振動(dòng)頻率為液壓振動(dòng)臺(tái)設(shè)定的頻率，此時(shí)平臺(tái)模型做的是有阻尼的受迫振動(dòng)。
3．2 平臺(tái)敲擊作用下響應(yīng)數(shù)據(jù)分析
    對(duì)平臺(tái)模型進(jìn)行重錘敲擊試驗(yàn)后，平臺(tái)模型做有阻尼的自由振動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行頻域分析，可以得出結(jié)構(gòu)的一階與二階固有頻率。為了盡量減小隨機(jī)誤差對(duì)平臺(tái)振動(dòng)固有頻率的影響，對(duì)平臺(tái)敲擊試驗(yàn)時(shí)，本文采集了3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)這三種工況的時(shí)域與頻域分析圖如圖5所示。

    從圖中可以看出，其時(shí)域顯示的是有阻尼的振動(dòng)波形，頻域顯示為一階與二階頻率。三種工況條件下的頻率誤差如表3所列。

    根據(jù)上述時(shí)域和頻域波形圖及頻率誤差表可見，平臺(tái)模型的一階頻率在6 Hz左右，二階頻率在9．43 Hz左右，說明無線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠很好地反映平臺(tái)模型的振動(dòng)情況，具有較好的精度與準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語
    本文針對(duì)海洋平臺(tái)低頻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)檢測(cè)，并結(jié)合無線傳感器系統(tǒng)技術(shù)，給出了一種無線低頻振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)集成了低頻加速度傳感器、無線傳感節(jié)點(diǎn)、基站等裝置，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的可行性，所開發(fā)的無線傳感節(jié)點(diǎn)具有低功耗、無需布線、可超低頻測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，本文的檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)提供了一種新的方法和思路。
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)剛剛興起，特別是將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)也正處于起步階段，開展基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)研究，無疑具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。隨著海洋石油資源的不斷開發(fā)，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)非常迅速，立足于對(duì)現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)檢測(cè)方法和手段的綜合分析和驗(yàn)證，從檢測(cè)技術(shù)方法、工藝過程控制、檢測(cè)記錄的采集與保存以及提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性等若千方面所進(jìn)行的研究和改進(jìn)，必將成為現(xiàn)役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)物檢測(cè)評(píng)估的研究熱點(diǎn)。