基于无线网络的海洋平台结构振动检测系统设计

发布时间：2019-11-06 12:36

【摘要】：海洋平台结构长期受到环境荷载、偶然灾害、腐蚀以及其他因素的影响,承载能力逐渐降低,暴露出安全隐患。将结构健康监测技术应用于海洋平台结构,可以在一定程度上诊断出结构的损伤情况。完整的结构健康监测系统包括传感检测、数据采集与预处理及传输、损伤诊断与模型修正及安全评估、数据管理等部分。本文重点关注前期的传感检测、数据采集等环节,并将无线网络技术引入其中,设计了应用于海洋平台结构的振动检测系统。从海洋平台的低频振动特性出发,本文确定了振动检测系统的主要测量对象,并对传感器进行了选型。分析和对比了当前比较成熟的短距离无线传输技术,确定了ZigBee技术和Wi-Fi技术相结合的方案,并通过带宽需求计算,设计了详细的使用方法。为了保证传感器采集数据的真实可靠性,本文对传感器的安装固定进行了讨论,确定了磁吸附法的固定方式。采集节点采用锂电池供电,对于功耗的分析计算必不可少,本文从多个角度分析和设计了采集节点低功耗的运行方案。为了满足后期结构模态参数识别的需要,本文提出了利用3轴加速度数据提取加速度传感器姿态的方法。本文还从电参数监测、温湿度监测、无线加密等方面讨论了如何保证系统运行的可靠性。从应用需求和目前掌握的技术出发,本文提出了系统设计指标,并设计了振动检测系统的整体框架。振动检测系统的设计主要包括采集节点的硬件设计、采集节点的软件设计以及监控主机的软件设计。硬件电路以FPGA最小系统为核心,搭配加速度信号采集电路、低功耗电源管理电路、无线模块、USB接口电路、SD卡接口电路、GPS接收机以及数字式温湿度传感器,以实现数据采集、数据存储、电源管理、GPS授时、温湿度采集、电量监测、USB通信等基本功能。在FPGA内部,基于AVALON总线架构,设计了以Nios Ⅱ处理器为核心的-数字逻辑部分。采集节点的软件部分以Nios Ⅱ处理器为运行平台,按照层次划分为驱动层、基础层和应用层。其中,本文重点介绍了SD存储的实现方法、无线数据上传的实现方法、GPS授时的实现方法以及ZigBee无线通信应用层协议的制定。另外,本文还简单介绍了监控主机的软件架构和功能。本文在最后对振动检测系统的设计研究进行了总结,并提出了改进方案,以适应海洋平台结构振动检测的工程应用需要。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB53

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本文编号：2556714