蔡居昊

（寧波工程學(xué)院，浙江寧波，315211）

0 簡述

本文針對海上升壓站吊裝及運(yùn)輸加速度和傾角進(jìn)行測量，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)針對海上運(yùn)輸設(shè)備特點(diǎn)，研究其多傳感器位置設(shè)計及采集監(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)備震動和傾斜狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測。

1 采集系統(tǒng)設(shè)計

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

圖1 監(jiān)測系統(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，一個質(zhì)量塊固定在彈性梁的中間，質(zhì)量塊的上端面是一個活動電極，它與上固定電極組成一個電容器C1；質(zhì)量塊的下端面也是一個活動電極，它與下固定電極組成另一個電容器C2。當(dāng)被測物的振動導(dǎo)致與其固連的傳感器基座振動時，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)量塊之間將會產(chǎn)生相對位移。這使得電容C1、C2的值一個變大、另一個變小，從而形成一個與加速度大小成正比的差動輸出信號，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：基體中的軸往一個方向轉(zhuǎn)動時，計數(shù)增加，轉(zhuǎn)動方向改變時，計數(shù)減少。計數(shù)與傾角儀的初始位置有關(guān)。當(dāng)初始化傾角儀時，它的計數(shù)值被設(shè)置為0。通過計算旋轉(zhuǎn)的角度，可以很容易的測出位置和速度。

（2）特點(diǎn)：4個方向360度完全測量。當(dāng)傾角儀倒置，液晶顯示的角度讀數(shù)會自動翻轉(zhuǎn)朝上便于閱讀。精密的不銹鋼測量結(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/℃上電啟動時間 0.5 S響應(yīng)時間 0.02 s響應(yīng)頻率 1～20 Hz電磁兼容性 依照EN61000和GBT17626平均無故障工作時間MTBF ≥50000小時/次絕緣電阻 ≥100兆歐抗沖擊 100g@11ms、三軸和同(半正弦波)抗振動 10grms、10～1000Hz防水等級 IP67

■1.3 采集儀器選型

本文采用DH3822便攜式動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)進(jìn)行傾角和加速度的數(shù)據(jù)采集，DH3822便攜式動態(tài)信號測試分析系統(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）與計算機(jī)通訊，單臺儀器可以實(shí)現(xiàn)16個通道的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變或振動信號并行同步測試和分析。

可適用于戶外海上現(xiàn)場檢測、應(yīng)變應(yīng)力測試、配合各種橋式傳感器，可對力、壓力、位移、速度、加速度等物理量進(jìn)行精確測試，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電壓輸入，對各種電壓信號進(jìn)行精確測量。

■1.4 采集系統(tǒng)總體設(shè)計

實(shí)現(xiàn)多通道并行高速長時間連續(xù)采樣，高度集成：模塊化設(shè)計的硬件，每個模塊16通道機(jī)箱形式，每臺計算機(jī)可控制多通道并行采樣，滿足多通道、高精度的測量需求，具有多種通訊接口，所有通道導(dǎo)線電阻自動測量和修正，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，計算機(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)時傳送采樣數(shù)據(jù)，便攜式設(shè)計、防水（IP65）、抗震，適用于施工狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場檢測，可完成全橋、半橋、三線制1/4橋狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變測試和分析，支持橋式傳感器（位移、振動、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，將計算機(jī)和DH3822可靠連接，如圖4所示。

圖4 DH3822與計算機(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，主要包括被測海上模塊被測點(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)場采集

采集點(diǎn)布置在海上模塊四個樁腿位置，如圖6所示，現(xiàn)場四個點(diǎn)布置實(shí)物圖如圖7所示。

圖6 加速度和傾角監(jiān)測位置示意圖

圖7 加速度和傾角傳感器位置照片

3 測試分析

系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，便可實(shí)時采集運(yùn)輸過程中結(jié)構(gòu)的振動和傾角數(shù)據(jù)，考慮海上運(yùn)輸時船體振動頻率較低且數(shù)據(jù)為長時間監(jiān)控信號，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。

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)計四個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，減少測試成本，準(zhǔn)確獲取測試信息；（2）選取電容式型加速度實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)震動監(jiān)測；（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。