海上運輸裝備加速度及傾角狀態實時監測技術研究

蔡居昊

（寧波工程學院，浙江寧波，315211）

0 簡述

本文針對海上升壓站吊裝及運輸加速度和傾角進行測量，重點研究了加速度傳感器、傾角傳感器及采集儀器選型研究，重點針對海上運輸設備特點，研究其多傳感器位置設計及采集監控系統的集成，數據采集及后分析處理等研究，實現了海上運輸設備震動和傾斜狀態實時監測。

1 采集系統設計

監測系統測試原理示意圖，監測點信號經傳感器輸出物理量電壓信號，并通過信號調理器和采集儀完成現場數據采集，獲取實時的加速度及傾角監測信號。這些數據和過程信號以數據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 監測系統原理圖

■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的能力，這使得可以用它來進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，一個質量塊固定在彈性梁的中間，質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。當被測物的振動導致與其固連的傳感器基座振動時，質量塊將由于慣性而保持靜止，因此上、下固定電極與質量塊之間將會產生相對位移。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技術參數

■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動時，計數增加，轉動方向改變時，計數減少。計數與傾角儀的初始位置有關。當初始化傾角儀時，它的計數值被設置為0。通過計算旋轉的角度，可以很容易的測出位置和速度。

（2）特點：4個方向360度完全測量。當傾角儀倒置，液晶顯示的角度讀數會自動翻轉朝上便于閱讀。精密的不銹鋼測量結構。可以不需要任何特別的和設備進行重新校正。可選測量面: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參數

靈敏度溫度系數（-40～85°） ≤50 ppm/℃上電啟動時間 0.5 S響應時間 0.02 s響應頻率 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便攜式動態信號測試分析系統進行傾角和加速度的數據采集，DH3822便攜式動態信號測試分析系統采用防水、便攜式結構，利用以太網、3G/4G網絡（或WiFi）與計算機通訊，單臺儀器可以實現16個通道的動態應力應變或振動信號并行同步測試和分析。

可適用于戶外海上現場檢測、應變應力測試、配合各種橋式傳感器，可對力、壓力、位移、速度、加速度等物理量進行精確測試，內置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，對各種電壓信號進行精確測量。

■1.4 采集系統總體設計

實現多通道并行高速長時間連續采樣，高度集成：模塊化設計的硬件，每個模塊16通道機箱形式，每臺計算機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，所有通道導線電阻自動測量和修正，每通道獨立電壓放大器、24位A/D轉換器，交流和鋰電池兩種方式供電，內置鋰電池可單獨連續工作8小時，計算機通過以太網接口和4G網絡（WiFi可選）與儀器通訊，對采集器進行參數設置（量程、傳感器靈敏度等）、清零、采樣、停止等操作，并實時傳送采樣數據，便攜式設計、防水（IP65）、抗震，適用于施工狀態監測及現場檢測，可完成全橋、半橋、三線制1/4橋狀態的應力應變測試和分析，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）系統的通訊連接：通過以太網口，將計算機和DH3822可靠連接，如圖4所示。

圖4 DH3822與計算機通過以太網連接

2 采集系統集成

■2.1 硬件系統集成

硬件系統構成，主要包括被測海上模塊被測點、傾角傳感器Q1-Q4，加速度傳感器J1-J4，采集儀器，監控系統等組成。

圖5 海上模塊傾角及加速度的數據采集系統集成

■2.2 現場采集

采集點布置在海上模塊四個樁腿位置，如圖6所示，現場四個點布置實物圖如圖7所示。

圖6 加速度和傾角監測位置示意圖

圖7 加速度和傾角傳感器位置照片

3 測試分析

系統安裝調試完成后，便可實時采集運輸過程中結構的振動和傾角數據，考慮海上運輸時船體振動頻率較低且數據為長時間監控信號，因此，系統采樣頻率可設置為1Hz。以下為某大型構件海運過程中的數據監測。

加速度采集數據如圖8所示。

圖8

傾角采集數據如圖9所示。

由上述波形分析可見，運輸過程中監測的最大加速度為0.4m/s2，最大傾斜角度均小于4°。數據表明，該構件在海上運輸過程中均處于較平穩狀態。

圖9

4 結論

（1）創新設計四個數據采集點，減少測試成本，準確獲取測試信息；（2）選取電容式型加速度實現大型結構震動監測；（3）選取雙軸傾角傳感器實現大型結構傾斜監測。