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

摘要：海洋平臺長期服役在惡劣的海洋環(huán)境里，特別是進入中后期服役階段，其安全問題越來越成為制約海洋平臺正常作業(yè)的重要因素，對海洋平臺結(jié)構(gòu)進行快速、便捷、實時動態(tài)檢測是進行平臺結(jié)構(gòu)安全評估、維修決策、保障海洋平臺正常使用的重要前提。文章介紹了一種用于海洋平臺快速振動檢測的無線傳感網(wǎng)絡檢測系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分析了系統(tǒng)中加速度傳感器的選取方法，完成了無線傳感節(jié)點的原理及架構(gòu)設計，最后通過在海洋平臺結(jié)構(gòu)模型上進行模擬海冰撞擊的敲擊試驗，驗證了所設計的無線傳感網(wǎng)絡檢測系統(tǒng)在海洋平臺結(jié)構(gòu)振動檢測中的應用可行性。
關(guān)鍵詞：海洋平臺；安全評估；振動檢測；無線傳感器；加速度傳感器

0 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、海冰撞擊、海洋生物等各種荷載的長期作用而使其產(chǎn)生疲勞效應和損傷積累，導致抗力衰減。海洋平臺抵抗自然災害、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，只有準確診斷出結(jié)構(gòu)的損傷情況，并及時地進行修繕，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)復雜，在其服役期間不能中斷使用，故對其進行結(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、材料科學、斷裂力學、機械工程、電子學、計算機技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能等學科的基礎上發(fā)展起來的一門應用工程技術(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。