(1.大连理工大学 电子科学与技术学院， 辽宁 大连116024; 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津300451;
3.大连理工大学 电子信息与电气工程学部， 辽宁，大连116024; 4.大连理工大学 土木工程学院， 辽宁 大连116024)
摘要：给出了将无线传感技术用于低频结构振动检测，以判定其结构寿命和损伤情况的无线振动检测系统的设计方法。提出了系统的总体架构；分析了加速度传感器的选取方法，从而完成了无线传感节点与基站的设计；并用实验验证了无线检测系统的低频特性。结果表明：这一种低频无线振动检测系统具有良好的低频性能，且无线节点无需布线、方便安装，十分适合应用在低频结构物的振动检测中，具有很好的应用前景。
关键词：低频结构； 振动检测； 加速度； 无线传感节点； 基站
中图分类号：TN99文献标识码：A
文章编号：20951302(2011)04003704
Development and Experiment of the Wireless Lowfrequency Vibration Detection System
LI Zhirui1, YU Yan1, ZHOU Lei2 ZHANG Chuanjie2, WANG Jie3, OU Jinping4
(1.School of Electronic Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China;
3. Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
4. School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)
Abstract： Vibration detection is an effective means to determine the injuries and remaining life of such lowfrequency structures as offshore platform. This paper presents a wireless lowfrequency vibration detection system based on wireless sensor technology. Firstly, the architecture of overall system is proposed, secondly, the lowfrequency acceleration sensor is selected, and then wireless sensor node and base station are integrated; finally, an experiment is conducted to verify the system′s low frequency characteristics. The experimental results show that the wireless lowfrequency vibration detection system has a satisfactory lowfrequency performance, and wireless sensor nodes need no cabling and are easy to install, therefore it is suitable to be applied to lowfrequency structures with a wide application foreground and practical value.
Keywords： lowfrequency structures; vibration detection; acceleration; wireless sensor node; base station
收稿日期：20110325
基金项目：国家863项目“基于振动检测的现役海洋平台结构安全评估技术研究”(2008AA092701)的资助。
0引言
大型土木工程结构(如海洋平台、大坝、悬索桥等)在其服役期间，往往会受到各种环境荷载的共同作用而产生各种形式的振动，这些振动一般以低频为主，是一类低频结构物。一般地说，低频振动是指频率在5~10 Hz以下的振动,由于其振动加速度值不大，对人的直观感受影响较小，因而常常被人们忽略［1］。但是，对于这些大型工程结构而言，长期持续的振动却会影响结构的正常运行以及结构物的强度与寿命，严重的还会对结构造成损坏。因此，对这些大型结构进行无损振动检测，确保其工作的安全性、可靠性是一个重要的研究课题。
振动检测的基本原理是利用传感器提取结构物的振动信号，通过智能算法对振动数据进行分析处理，最后获知结构的损伤情况以采取相应的措施［2］。目前对结构的无损振动检测，主要是测量加速度参量，再经过一次或两次积分得到速度或位移参量。因此，基本的工作就是对结构振动数据的采集，即对加速度信号的获取。因此，低频加速度传感器的选取是测量精度高低的关键。
传统的振动检测多采用有线的方式测量振动数据，并进行分析、处理与判断。但是，对于大型土木结构而言，有线方式存在难以布线、耗资巨大、后期维护困难等问题［3］。随着无线传感技术的发展，用无线代替有线进行数据传输更为方便和快捷。
本文运用基于ZigBee的无线星型网络结构来进行设计，并在分析选用低频加速度传感器的基础上，采用模块化方法制作无线传感节点与基站，最后通过实验对无线振动检测系统的低频特性进行验证。
1无线振动检测系统架构
无线振动检测系统实际上就是现有的无线传感网络技术在振动检测领域的一种应用。无线传感器网络(WSN)是随着传感器技术、无线通信技术等发展起来的一门新型交叉学科。它由放置在监测环境内的大量微型传感器节点组成，这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统［4］。一般来讲，整个系统可分为数据采集部分、数据传输部分和数据处理部分。无线振动检测系统的架构如图1所示。
图1无线振动检测系统架构图
本研究选用星型网络拓扑结构来进行设计，它由一个基站和多个无线传感节点组成。基站作为中央节点，主要负责对网络中的各传感节点发送响应指令，接收各传感节点传送数据并对数据进行后期处理；各传感节点用来响应基站指令并对振动信号进行采集，最后将振动数据以无线数据包的形式发给基站。
2无线传感节点的设计
无线传感节点是无线振动检测系统的重要组成部分，它是利用现有的MEMS技术和嵌入式技术器件集成起来的。节点采用模块化的设计方式［5］，由超低频加速度传感器、传感器接口单元、微处理器、无线模块、存储器、电源管理模块等部分组成。图2所示是无线传感节点的组成框图。
2.1加速度传感器的选取
超低频振动信号检测属于弱信号检测范畴，对加速度传感器的低频特性、灵敏度等要求较高。由于振动频率低, 一般传感器的机械固有频率难以达到，可能导致在测量时，传感器的信噪比低,输出信号极其微弱, 完全“淹没”在噪声中而难以拾取。因此，低频加速度传感器的选取是一个关键，其性能优劣直接影响到被测信号的精度与有效性。
图2无线传感节点模块图
经过比较，本设计选取力平衡传感器作为低频振动加速度信号的拾取单元。力平衡式加速度传感器一般先将被测量转换成力或力矩，然后用反馈力调节平衡系统的闭环传感器。它的设计是通过激励信号调制、解调，加入力反馈进行电压输出进行的。输出电压的大小与电容极板运动位移成正比，而电容极板的位移量与传感器外壳体运动的加速度成正比。因此，电容中间极板的输出电压所对应的就是传感器壳体的运动加速度［6］。
力平衡加速度传感器目前主要应用于超低频和低加速度的测量，同时具有动态范围大、测量精度高等特点。
2.2无线传感节点硬件电路
加速度传感器与传感器接口单元配合使用可构成数据采集单元。传感器接口单元则由多路选择器(MUX)与模数转换器(ADC)构成，多路选择器用于加速度通道的选取，模数转换器用于实现模拟量(电压信号)到数字量的A/D转换。
微处理单元(MCU)可选用TI公司的高性能16位微处理器MSP430F5438，该处理器具有良好的低功耗特性，可满足无线传感节点低功耗和快速数据处理的设计要求；存储单元选用NAND型大容量Flash存储器，该存储器具有体积小、存储容量大等特点，可满足对大量振动数据的缓存处理要求。
无线传感节点选用具有安全、可靠、可充电的集成+24 V锂电池进行供电。由于传感节点各模块单元所需电压不尽相同(需要±15 V、±12 V、+3.3 V电压)。为了获得各模块所需电压以及减少电压纹波影响，电源电路设计采用两级变换结构。第一级采用DC/DC芯片实现+24 V到±15 V以及+3.3 V的变换，第二级采用LDO芯片实现±15 V到±12 V的变换。
2.3无线模块设计
无线模块用于数据的无线交互，实现传感节点与基站间的数据无线传输。本文采用基于ZigBee无线通信协议的芯片进行设计。ZigBee是工作在ISM(工业科学医疗)频段的专注于低功耗、低成本、低速率的短距离无线网络通信技术。
无线模块由无线射频芯片CC2520与放大前端CC2591及其外围电路组成。CC2520是TI公司符合IEEE 802.15.4标准规范的第二代ZigBee低功耗射频收发器，工作于2.4 GHz的ISM免许可证频段。CC2591是一种工作在2.4 GHz的射频放大器，能够提高无线信号的发射功率和接收灵敏度，增加无线信号的强度和传输距离［7］。
3基站
基站可由无线模块、串口服务器、PC机以及嵌入式采集软件构成。无线模块主要用于与无线传感节点的数据交互，通常由一个控制端和多个通信端组成。控制端用于向各传感节点发送指令，建立通信网络；通信端用于接收传感节点发送过来的振动数据包。由于振动数据量比较大，无线通信采用的是点对点的通信方式，即一个无线传感节点对应一个通信端。
无线模块与PC机通过串口方式相连。目前,通过PC机的RS 232串行接口与外部设备进行通讯,是许多测控系统中常用的一种通信解决方案。但是，随着计算机技术的发展，PC机上预留的串口越来越少，有些更是没有串口，无法满足本设计对串口的需求，需要进行扩展。本设计选用USB型串口服务器，它可以把串口接收的数据以USB的方式传送到PC机中，而且具有灵活、简单、方便、快捷等优点。
PC机中嵌入的智能采集软件主要完成端口配置，同时完成发送指令、建立网络，接收数据包，对数据进行分析处理等功能。通常由基本设置、实时采集、历史波形查看、数据导出、数据分析等模块组成。
4实验与数据分析
设计一个单摆实验装置可进行低频振动实验。由单摆的周期公式T=2πl/g可以看出，摆长不同，则周期(频率)不同。同此可见，控制摆长就可以得到我们所需要的低频信号。
双线摆低频振动实验方案图与实验现场图分别如图3和图4所示。
图3单摆实验方案框图
图4单摆实验实物图
将有线加速度传感器与无线加速度传感器共同放置在单摆装置的吊篮中心位置处，并用强磁铁紧紧固定，有线传感器与NI的采集仪(PXI-4472)相连进行振动信号采集。无线传感器与无线传感节点相连，并通过与基站的无线交互，可实现振动信号的提取。
实验中，可对单摆进行激励以使其摆动，并尽量控制振幅，使其在摆角＜5°的小振幅下做阻尼摆动。然后用无线与有线同步采集，采集频率均为100 Hz。利用Matlab对数据进行处理，再比较有线与无线的时域与频域波形。设置摆长为0.9 m和2.2 m进行实验的时域与频域分析图如图5与图6所示。
通过时域图可以看出，无线与有线波形基本吻合，频域方面对一阶频率进行差别计算，差别=(实测结果-单摆固有频率)/单摆固有频率，单位为%。表1和表2所列分别是0.9 m和2.2 m摆长时，无线与有线的频率比较，由表1与表2可见，其差别很小，均在可控范围内。也可对无线与有线的相对误差进行计算，0.9 m时的相对误差为Ef=|fwireless-fwire|/fwire≈0.39%；2.2 m时的相对误差为Ef=|fwireless-fwire|/fwire≈1.19%。实验结果比较好的反映了单摆的低频振动特性。另外，无线传输误差较大的原因是存在数据丢失的问题，也是下一步将进行改进的课题。
图50.9m摆长时域与频域分析
图62.2 m摆长时域与频域分析
表1无线与有线频率比较(0.9m摆长)
无线有线固有频率
1st0.5290.5270.525
差别0.760.38
[LL]
表2无线与有线频率比较(2.2 m摆长)
无线有线固有频率
1st0.3410.3370.336
差别1.490.30
从图形和误差分析可以看出，无线低频检测系统能很好地反映低频信号的振动情况，低频性能良好、无线传输可靠，适合应用于低频结构的振动测试当中。
5结论
本文针对低频结构的振动检测，结合无线传感技术，给出了一种无线低频振动检测系统的设计方法。该系统集成了低频加速度传感器、无线传感节点、基站等装置。为验证该系统的低频性能，本文还给出了单摆实验装置。实验结果表明，本系统适合应用在低频结构的振动检测中。所设计的无线传感节点具有低功耗、无需布线、可超低频测量等特点，本设计与基站配合构成的检测系统为低频结构振动检测提供了一种新方法，具有广阔的应用前景。
参考文献
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