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

研究選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，整個構(gòu)架由一個數(shù)據(jù)采集中心和多個無線傳感采集節(jié)點(diǎn)組成。每個無線傳感采集節(jié)點(diǎn)具有8個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信號；無線傳感采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jī))、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2．4 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)立占用一個頻點(diǎn)，控制信道公用一個頻點(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，0．1～10 Hz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。
海洋平臺的振動情況是隨機(jī)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(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(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(diǎn)，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(diǎn)，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。