應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)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行設計，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)點組成。每個無線傳感采集節(jié)點具有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)信道負責采集數(shù)據(jù)的傳輸，控制信道負責完成各傳感采集節(jié)點的參數(shù)設置。
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、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的，對其進行低頻振動檢測目前應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確性。
2．2．2 低頻振動傳感器的選擇
目前，應用在結(jié)構(gòu)振動檢測領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)、國防等許多領域中進行沖擊、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致其精度變差，在精度要求不高的振動測試中應用廣泛；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?；诖?，本設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。