應用于海洋平臺振動檢測的無線傳感器系統技術研究

無線傳感器采集節點主要完成對平臺在各類荷載作用下的振動數據采集、初步分析、數據緩存、數據無線收發等功能。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，主要提供采集數據的存儲；四是與數據采集中心的無線通信接口，用于提供采集數據的傳輸、命令的設定；五是電源系統，可保障各傳感器件、各單元電路的穩定可靠的電源供給。
2．4 無線數據采集中心架構設計
無線數據采集中心是無線低頻振動檢測系統的核心，主要完成對各無線傳感采集節點的端口配置、初始化設定、采集指令的發送、振動數據包的接收、振動數據的實時顯示、存儲、時頻分析等功能。該部分采用模塊化的設計方式，主要由無線模塊(數據信道、控制信道)、串口服務器、計算機單元(PC機)及其嵌入式采集軟件構成，圖3所示是無線數據采集中心模塊的結構框圖。

無線模塊用于實現與無線傳感采集節點的無限交互，由8個無線接收模塊和1個無線控制模塊組成，分為8個數據信道和1個控制信道。無線接收模塊對應各自的無線傳感采集節點，用于接收其振動數據包：無線控制模塊用于實現對各無線傳感采集節點的控制功能。串口服務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據通過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的中心，在計算機單元上嵌入智能控制采集軟件可以實現對無線傳感采集節點的控制，并完成對采集到的振動數據進行分析和處理等功能。

3 海洋平臺結構模型振動測試試驗
3．1 試驗方案
海洋平臺結構在海上服役期間會受到各種荷載對其造成的影響，但對其結構造成傷害最大、影響最為嚴重的主要是海冰的撞擊與臺風的侵襲。為了驗證所設計的無線振動檢測系統能夠應用在海洋平臺結構的振動檢測當中，可在海洋平臺結構的模型上進行模擬海冰撞擊的敲擊試驗。試驗的海洋平臺結構模型與真實的海洋平臺結構具有相似性，其結構固有頻率、高度、強度等方面均與真實的海洋平臺結構有一定的相似比。
試驗前，應將力平衡加速度傳感器布設在平臺結構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進行振動數據的采集與測試分析。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行敲擊，模擬海冰撞擊，采集振動加速度信號。海洋平臺結構的ANSYS有限元仿真模型與真實的海洋平臺結構模型如圖4所示。

無線數據采集中心在采集到振動數據后，可對振動數據進行導出并運用Matlab進行數據的時域與頻域分析，從而得到結構的振動頻率。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生變化。平臺模型浪涌試驗的振動頻率為液壓振動臺設定的頻率，此時平臺模型做的是有阻尼的受迫振動。