應(yīng)用于海洋平臺振動檢測的無線傳感器系統(tǒng)技術(shù)研究

引言

近年來，隨著對海洋油氣資源開發(fā)的不斷深入，海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性問題越來越引起人們的重視。海洋平臺長時間在惡劣的海洋環(huán)境中服役，受到環(huán)境侵蝕、材料老化和海浪、臺風(fēng)、海冰撞擊、海洋生物等各種荷載的長期作用而使其產(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。如不能對海洋平臺結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和健康狀況做出及時的檢測和正確的評價，一旦發(fā)生事故，將會造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，污染海洋環(huán)境,造成不好的社會政治影響。

海洋平臺結(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，并及時地進(jìn)行修繕,才能確保人員的生命安全和減少財產(chǎn)損失。海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用在保障海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全、可靠運行，延長平臺結(jié)構(gòu)的使用壽命等方面具有重大意義。

1海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

因海洋平臺結(jié)構(gòu)造價昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其服役期間不能中斷使用，故對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測、評估其安全與可靠性,就必須采用微損或無損檢測技術(shù)。無損檢測技術(shù)是在物理學(xué)、材料科學(xué)、斷裂力學(xué)、機械工程、電子學(xué)、計算機技術(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)的檢測技術(shù)主要有目測、磁粉檢測、超聲波檢測、射線檢測、滲透檢測、磁膜檢測以及進(jìn)水構(gòu)件檢測等方法，表1列舉了常用的幾種結(jié)構(gòu)檢測方法。

表1所列的各種檢測技術(shù)雖各有其獨特的特點及應(yīng)用范圍，但都存在一個共同的局限性，或不能用于水下檢測，或不能同時檢測裂縫的深度和長度，或測試儀器造價昂貴，需要受過專業(yè)培訓(xùn)的人員才能操作，故在海洋平臺的大規(guī)模檢測中都不適用。

與上述方法相比，基于振動的海洋平臺無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)則具有簡單、成本低等諸多優(yōu)點。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、匯聚節(jié)點和用戶端節(jié)點等組成。傳感節(jié)點集成有傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元及電源管理單元等，它們可以大量隨機部署在監(jiān)測區(qū)域，并可無線自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種檢測技術(shù)的基本原理是：首先實測到結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用參數(shù)識別技術(shù)判定結(jié)構(gòu)動力參數(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。

2.1無線低頻振動檢測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

無線低頻振動檢測系統(tǒng)實際上是把現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在海洋平臺結(jié)構(gòu)低頻振動檢測領(lǐng)域，就是把傳統(tǒng)的振動檢測傳感器與數(shù)據(jù)采集中心的有線連接改用無線通信的方式實現(xiàn)，從而達(dá)到快速、便攜式低頻振動檢測的目的。它由放置在海洋平臺結(jié)構(gòu)上的無線傳感采集節(jié)點構(gòu)成低頻振動信號數(shù)據(jù)采集部分，采集節(jié)點與數(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［3-5］。圖1所示是無線低頻振動檢測系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

速度傳感器的加速度振動信號；無線傳感采集節(jié)點主要完成對平臺在各類荷載作用下的振動數(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)、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多個無線傳感采集節(jié)點的協(xié)同控制、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)識別等功能，由高性能計算單元(PC機)、無線通信模塊、移動電源以及與數(shù)據(jù)采集分析相應(yīng)的嵌入式軟件構(gòu)成；數(shù)據(jù)以2.4GHz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)信道獨立占用一個頻點，控制信道公用一個頻點。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)點的參數(shù)設(shè)置。

2.2低頻振動傳感器的選擇

2.2.1海洋平臺結(jié)構(gòu)振動特性

海洋平臺結(jié)構(gòu)長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，會產(chǎn)生各種形式的振動。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，這些振動多屬于低頻振動（一般地說,0.1~10Hz的振動被稱為低頻振動）,因此，海洋平臺結(jié)構(gòu)是一類具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的低頻結(jié)構(gòu)物。

海洋平臺的受力情況可以劃分為自由振動和受迫振動。海洋平臺振動時受到的力主要有彈性恢復(fù)力、振動慣性力、阻止振動的阻尼力以及引起振動的干擾力等。自由振動是以海洋平臺結(jié)構(gòu)的固有頻率振動的，可以用于檢測平臺結(jié)構(gòu)的自身頻率的變化。受迫振動是指受經(jīng)常性或持續(xù)干擾力作用的海洋平臺振動，受迫振動以干擾力的頻率為振動頻率，可用于測量結(jié)構(gòu)的受力情況等間。

海洋平臺的振動情況是隨機的，對其進(jìn)行低頻振動檢測目前應(yīng)用最多的振動檢測儀器是低頻加速度計，也即低頻加速度傳感器。對加速度傳感器的分析選取是檢測技術(shù)的關(guān)鍵,直接關(guān)系到測量的精度與準(zhǔn)確性。

2.2.2低頻振動傳感器的選擇

目前，應(yīng)用在結(jié)構(gòu)振動檢測領(lǐng)域的測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)變成便于測量的電信號的測試儀器，它是工業(yè)、國防等許多領(lǐng)域中進(jìn)行沖擊、振動測量常用的測試儀器。目前，常用的加速度傳感器主要有機械傳感器、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。低頻振動檢測屬于弱信號檢測范疇，對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測試中應(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、安裝方便、不易損壞等優(yōu)點,可根據(jù)要求設(shè)定精度，但造價昂貴；力平衡加速度傳感器通過測量振動位移求取振動加速度，具有動態(tài)范圍廣、頻響范圍寬、低頻效應(yīng)好等優(yōu)點，造價適中，能夠滿足低頻振動檢測對傳感器的需求。基于此，本設(shè)計選用力平衡加速度傳感器來作為低頻振動信號的拾取單元。

2.3無線傳感采集節(jié)點的原理設(shè)計

無線傳感采集節(jié)點是無線低頻振動檢測系統(tǒng)的重要組成部分，采用模塊化設(shè)計方式，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、存儲器、電源管理等幾個模塊。各模塊的組成框圖如圖2所示。

傳感器接口單元

圖2 無線傳感節(jié)點模塊圖

無線傳感器采集節(jié)點主要完成對平臺在各類荷載作用下的振動數(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，可在低功耗下實現(xiàn)對各傳感器、各單元電路、各接口的控制；三是大容量存儲器系統(tǒng)，主要提供采集數(shù)據(jù)的存儲；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

無線數(shù)據(jù)采集中心是無線低頻振動檢測系統(tǒng)的核心，主要完成對各無線傳感采集節(jié)點的端口配置、初始化設(shè)定、采集指令的發(fā)送、振動數(shù)據(jù)包的接收、振動數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、時頻分析等功能。該部分采用模塊化的設(shè)計方式，主要由無線模塊（數(shù)據(jù)信道、控制信道）、串口服務(wù)器、計算機單元（PC機）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。

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

3海洋平臺結(jié)構(gòu)模型振動測試試驗

3.1試驗方案

海洋平臺結(jié)構(gòu)在海上服役期間會受到各種荷載對其造成的影響，但對其結(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風(fēng)的侵襲。為了驗證所設(shè)計的無線振動檢測系統(tǒng)能夠應(yīng)用在海洋平臺結(jié)構(gòu)的振動檢測當(dāng)中，可在海洋平臺結(jié)構(gòu)的模型上進(jìn)行模擬海冰撞擊的敲擊試驗。試驗的海洋平臺結(jié)構(gòu)模型與真實的海洋平臺結(jié)構(gòu)具有相似性，其結(jié)構(gòu)固有頻率、高度、強度等方面均與真實的海洋平臺結(jié)構(gòu)有一定的相似比。

試驗前，應(yīng)將力平衡加速度傳感器布設(shè)在平臺結(jié)構(gòu)模型的平臺兩個對角線處，并緊緊地固定好。運用無線低頻振動檢測系統(tǒng)進(jìn)行振動數(shù)據(jù)的采集與測試分析。平臺敲擊試驗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，采集振動加速度信號。海洋平臺結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元仿真模型與真實的海洋平臺結(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數(shù)據(jù)后，可對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出并運用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)的時域與頻域分析，從而得到結(jié)構(gòu)的振動頻率。敲擊后平臺模型做有阻尼的自由振動，振動頻率即為平臺模型的固有頻率，從中得出平臺模型的一階與二階固有頻率。平臺模型在受到損傷時，其振動的一階與二階固有頻率將會發(fā)生變化。平臺模型浪涌試驗的振動頻率為液壓振動臺設(shè)定的頻率，此時平臺模型做的是有阻尼的受迫振動。

(a)有限元模型(b)真實模型

圖4海洋平臺結(jié)構(gòu)的有限元模型與真實模型

3.2平臺敲擊作用下響應(yīng)數(shù)據(jù)分析

對平臺模型進(jìn)行重錘敲擊試驗后，平臺模型做有阻尼的自由振動，對其進(jìn)行頻域分析，可以得出結(jié)構(gòu)的一階與二階固有頻率。為了盡量減小隨機誤差對平臺振動固有頻率的影響,對平臺敲擊試驗時，本文采集了3組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對這三種工況的時域與頻域分析圖如圖5所示。

從圖中可以看出，其時域顯示的是有阻尼的振動波形,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)上述時域和頻域波形圖及頻率誤差表可見，平臺模型的一階頻率在6Hz左右，二階頻率在9.43Hz左右，說明無線振動檢測系統(tǒng)能夠很好地反映平臺模型的振動情況，具有較好的精度與準(zhǔn)確性。

4結(jié)語

本文針對海洋平臺低頻結(jié)構(gòu)的振動檢測，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檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)集成了低頻加速度傳感器、無線傳感節(jié)點、基站等裝置,并通過試驗驗證了該檢測系統(tǒng)應(yīng)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測中的可行性，所開發(fā)的無線傳感節(jié)點具有低功耗、無需布線、可超低頻測量的優(yōu)點，本文的檢測系統(tǒng)技術(shù)為海洋平臺結(jié)構(gòu)的檢測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)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測也正處于起步階段，開展基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的海洋平臺結(jié)構(gòu)健康檢測研究，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)，海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的發(fā)展將會非常迅速，立足于對現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)檢測方法和手段的綜合分析和驗證,從檢測技術(shù)方法、工藝過程控制、檢測記錄的采集與保存以及提高檢測結(jié)果的可靠性等若干方面所進(jìn)行的研究和改進(jìn),必將成為現(xiàn)役海洋平臺結(jié)構(gòu)物檢測評估的研究熱點。

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