海上運(yùn)輸裝備加速度及傾角狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

蔡居昊

（寧波工程學(xué)院，浙江寧波，315211）

0 簡述

本文針對(duì)海上升壓站吊裝及運(yùn)輸加速度和傾角進(jìn)行測(cè)量，重點(diǎn)研究了加速度傳感器、傾角傳感器及采集儀器選型研究，重點(diǎn)針對(duì)海上運(yùn)輸設(shè)備特點(diǎn)，研究其多傳感器位置設(shè)計(jì)及采集監(jiān)控系統(tǒng)的集成，數(shù)據(jù)采集及后分析處理等研究，實(shí)現(xiàn)了海上運(yùn)輸設(shè)備震動(dòng)和傾斜狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試原理示意圖，監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)經(jīng)傳感器輸出物理量電壓信號(hào)，并通過信號(hào)調(diào)理器和采集儀完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，獲取實(shí)時(shí)的加速度及傾角監(jiān)測(cè)信號(hào)。這些數(shù)據(jù)和過程信號(hào)以數(shù)據(jù)文件方式同步存入指定的虛擬儀器存儲(chǔ)器和筆記本電腦中，以便信號(hào)的二次處理與分析，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

■1.1 加速度傳感器選型

變電容式加速度傳感器可以抗高g值過沖，又有在沖擊之后快速恢復(fù)的能力，這使得可以用它來進(jìn)行這種加速度的測(cè)量，所以選用電容式加速度傳感器。

圖2 電容式加速度傳感器原理

電容式加速度傳感器又稱變電容式加速度傳感器，一個(gè)質(zhì)量塊固定在彈性梁的中間，質(zhì)量塊的上端面是一個(gè)活動(dòng)電極，它與上固定電極組成一個(gè)電容器C1；質(zhì)量塊的下端面也是一個(gè)活動(dòng)電極，它與下固定電極組成另一個(gè)電容器C2。當(dāng)被測(cè)物的振動(dòng)導(dǎo)致與其固連的傳感器基座振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊將由于慣性而保持靜止，因此上、下固定電極與質(zhì)量塊之間將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。這使得電容C1、C2的值一個(gè)變大、另一個(gè)變小，從而形成一個(gè)與加速度大小成正比的差動(dòng)輸出信號(hào)，如圖2所示。

表1 1C301技術(shù)參數(shù)

■1.2 傾角傳感器選型

（1）工作原理：基體中的軸往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)增加，轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，計(jì)數(shù)減少。計(jì)數(shù)與傾角儀的初始位置有關(guān)。當(dāng)初始化傾角儀時(shí)，它的計(jì)數(shù)值被設(shè)置為0。通過計(jì)算旋轉(zhuǎn)的角度，可以很容易的測(cè)出位置和速度。

（2）特點(diǎn)：4個(gè)方向360度完全測(cè)量。當(dāng)傾角儀倒置，液晶顯示的角度讀數(shù)會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)朝上便于閱讀。精密的不銹鋼測(cè)量結(jié)構(gòu)?？梢圆恍枰魏翁貏e的和設(shè)備進(jìn)行重新校正?？蛇x測(cè)量面:a、普通量面；b、帶磁量面；c、加寬量面；d、加寬量面帶磁。采用HCA520T高精度電壓輸出型雙軸傾角傳感器

表2 HCA520T雙軸傾角傳感器技術(shù)參數(shù)

靈敏度溫度系數(shù)（-40～85°） ≤50 ppm/℃上電啟動(dòng)時(shí)間 0.5 S響應(yīng)時(shí)間 0.02 s響應(yīng)頻率 1～20 Hz電磁兼容性 依照EN61000和GBT17626平均無故障工作時(shí)間MTBF ≥50000小時(shí)/次絕緣電阻 ≥100兆歐抗沖擊 100g@11ms、三軸和同(半正弦波)抗振動(dòng) 10grms、10～1000Hz防水等級(jí) IP67

■1.3 采集儀器選型

本文采用DH3822便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行傾角和加速度的數(shù)據(jù)采集，DH3822便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采用防水、便攜式結(jié)構(gòu)，利用以太網(wǎng)、3G/4G網(wǎng)絡(luò)（或WiFi）與計(jì)算機(jī)通訊，單臺(tái)儀器可以實(shí)現(xiàn)16個(gè)通道的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變或振動(dòng)信號(hào)并行同步測(cè)試和分析。

可適用于戶外海上現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試、配合各種橋式傳感器，可對(duì)力、壓力、位移、速度、加速度等物理量進(jìn)行精確測(cè)試，內(nèi)置24V/4mA偏置電路，采集IEPE壓電式加速度傳感器和傳聲器的輸出信號(hào)電壓輸入，對(duì)各種電壓信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量。

■1.4 采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)多通道并行高速長時(shí)間連續(xù)采樣，高度集成：模塊化設(shè)計(jì)的硬件，每個(gè)模塊16通道機(jī)箱形式，每臺(tái)計(jì)算機(jī)可控制多通道并行采樣，滿足多通道、高精度的測(cè)量需求，具有多種通訊接口，所有通道導(dǎo)線電阻自動(dòng)測(cè)量和修正，每通道獨(dú)立電壓放大器、24位A/D轉(zhuǎn)換器，交流和鋰電池兩種方式供電，內(nèi)置鋰電池可單獨(dú)連續(xù)工作8小時(shí)，計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)接口和4G網(wǎng)絡(luò)（WiFi可選）與儀器通訊，對(duì)采集器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（量程、傳感器靈敏度等）、清零、采樣、停止等操作，并實(shí)時(shí)傳送采樣數(shù)據(jù)，便攜式設(shè)計(jì)、防水（IP65）、抗震，適用于施工狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，可完成全橋、半橋、三線制1/4橋狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試和分析，支持橋式傳感器（位移、振動(dòng)、壓力等），支持IEPE加速度傳感器、磁電式速度傳感器。

（1）與傳感器的連接如圖3所示。

圖3 DH3822與傳感器連接示意圖

（2）系統(tǒng)的通訊連接：通過以太網(wǎng)口，將計(jì)算機(jī)和DH3822可靠連接，如圖4所示。

圖4 DH3822與計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)連接

2 采集系統(tǒng)集成

■2.1 硬件系統(tǒng)集成

硬件系統(tǒng)構(gòu)成，主要包括被測(cè)海上模塊被測(cè)點(diǎn)、傾角傳感器Q1-Q4，加速度傳感器J1-J4，采集儀器，監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

圖5 海上模塊傾角及加速度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成

■2.2 現(xiàn)場(chǎng)采集

采集點(diǎn)布置在海上模塊四個(gè)樁腿位置，如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)四個(gè)點(diǎn)布置實(shí)物圖如圖7所示。

圖6 加速度和傾角監(jiān)測(cè)位置示意圖

圖7 加速度和傾角傳感器位置照片

3 測(cè)試分析

系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，便可實(shí)時(shí)采集運(yùn)輸過程中結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和傾角數(shù)據(jù)，考慮海上運(yùn)輸時(shí)船體振動(dòng)頻率較低且數(shù)據(jù)為長時(shí)間監(jiān)控信號(hào)，因此，系統(tǒng)采樣頻率可設(shè)置為1Hz。以下為某大型構(gòu)件海運(yùn)過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

加速度采集數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8

傾角采集數(shù)據(jù)如圖9所示。

由上述波形分析可見，運(yùn)輸過程中監(jiān)測(cè)的最大加速度為0.4m/s2，最大傾斜角度均小于4°。數(shù)據(jù)表明，該構(gòu)件在海上運(yùn)輸過程中均處于較平穩(wěn)狀態(tài)。

圖9

4 結(jié)論

（1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)四個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，減少測(cè)試成本，準(zhǔn)確獲取測(cè)試信息；（2）選取電容式型加速度實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)震動(dòng)監(jiān)測(cè)；（3）選取雙軸傾角傳感器實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測(cè)。