應用于海洋平臺振動(dòng)檢測的無(wú)線(xiàn)傳感器系統技術(shù)研究

研究選用星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構進(jìn)行設計，整個(gè)構架由一個(gè)數據采集中心和多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感采集節點(diǎn)組成。每個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感采集節點(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；無(wú)線(xiàn)傳感采集節點(diǎn)主要完成對平臺在各類(lèi)荷載作用下的振動(dòng)數據采集、初步分析、數據緩存、數據無(wú)線(xiàn)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)、無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元、高容量電源單元等組成。數據采集中心主要完成對多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感采集節點(diǎn)的協(xié)同控制、數據接收、數據分析、參數識別等功能，由高性能計算單元(PC機)、無(wú)線(xiàn)通信模塊、移動(dòng)電源以及與數據采集分析相應的嵌入式軟件構成：數據以2．4 GHz的通用無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行傳輸，分為數據信道與控制信道，每條數據信道獨立占用一個(gè)頻點(diǎn)，控制信道公用一個(gè)頻點(diǎn)。數據信道負責采集數據的傳輸，控制信道負責完成各傳感采集節點(diǎn)的參數設置。
2．2 低頻振動(dòng)傳感器的選擇
2．2．1 海洋平臺結構振動(dòng)特性
海洋平臺結構長(cháng)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(guò)分析發(fā)現，這些振動(dòng)多屬于低頻振動(dòng)(一般地說(shuō)，0．1～10 Hz的振動(dòng)被稱(chēng)為低頻振動(dòng))，因此，海洋平臺結構是一類(lèi)具有復雜結構的低頻結構物。
海洋平臺的受力情況可以劃分為自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)。海洋平臺振動(dòng)時(shí)受到的力主要有彈性恢復力、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)是以海洋平臺結構的固有頻率振動(dòng)的，可以用于檢測平臺結構的自身頻率的變化。受迫振動(dòng)是指受經(jīng)常性或持續干擾力作用的海洋平臺振動(dòng)，受迫振動(dòng)以干擾力的頻率為振動(dòng)頻率，可用于測量結構的受力情況等。
海洋平臺的振動(dòng)情況是隨機的，對其進(jìn)行低頻振動(dòng)檢測目前應用最多的振動(dòng)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(dòng)傳感器的選擇
目前，應用在結構振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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構構成的，它具有較好的靈敏度、線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍和穩定性，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(dòng)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(cháng)、安裝方便、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，可根據要求設定精度，但造價(jià)昂貴；力平衡加速度傳感器通過(guò)測量振動(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、低頻效應好等優(yōu)點(diǎn)，造價(jià)適中，能夠滿(mǎn)足低頻振動(dòng)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(lái)作為低頻振動(dòng)信號的拾取單元。