深水半潛式平臺錨鏈傾角監(jiān)測的自容式傳感器的設計

鎖劉佳 ，唐 達，馬書義

（1.工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連116023；2.大連理工大學電子信息工程學部，遼寧 大連116023）

深水半潛式平臺錨鏈傾角監(jiān)測的自容式傳感器的設計

鎖劉佳1，唐 達2，馬書義1

（1.工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連116023；2.大連理工大學電子信息工程學部，遼寧 大連116023）

深水半潛式平臺系泊錨鏈的傾角變化是評價平臺系泊狀態(tài)與錨鏈受力的重要指標，是半潛式平臺重要的監(jiān)測內容。目前，深水錨鏈的測量主要是采用自容式的傳感器，針對其水下長時間測量的應用特點，要求它的設計必須具有低功耗、高可靠性、大存儲量、體積小、防水耐壓等指標。根據(jù)我國南海流花平臺的錨鏈監(jiān)測需要，設計與制作了專用的水下自容式傾角傳感器，并在實際應用中進行了檢驗。

系泊；傾角；自容式傳感器；低功耗；可靠性

半潛式平臺是深水石油開發(fā)的主要裝備，通常采用多點錨鏈系泊方式對平臺進行定位以保證平臺的安全生產(chǎn)[1]。為了保障系泊系統(tǒng)在位正常工作，需要對系泊系統(tǒng)的姿態(tài)進行監(jiān)測。錨鏈姿態(tài)是用來描述在各種荷載共同作用下的錨鏈狀態(tài)，可以確定錨鏈是否正常工作，也可用于錨鏈力的計算[2]。對錨鏈姿態(tài)的監(jiān)測，可以通過對錨鏈傾角的變化測量實現(xiàn)。

海洋因其自然環(huán)境的復雜性，使得對錨鏈長時間的監(jiān)測非常困難。目前，國內外普遍采用自容式的傳感器對錨鏈進行長期監(jiān)測。如2H Offshore監(jiān)測公司[3]開發(fā)了一系列自容式傾角傳感器用于對錨鏈的監(jiān)測。自容式傳感器首先要滿足深海惡劣環(huán)境的要求，如何保證一個防水密封耐壓的工作環(huán)境是自容式工作的基礎。其次，要滿足海洋長期監(jiān)測的需要，如何長時間供電工作以及保證數(shù)據(jù)的完備性及可靠性也是個關鍵問題。另外，自容式傳感器還要考慮其安裝簡單方便，所以，小型輕便也是自容式的一個特點。

本文介紹了3種傳輸形式的水下傳感器和自容式傳感器的原理及應用，提出了用于深海環(huán)境的自容式傳感器的指標，包括低功耗、高可靠性、大存儲量、體積小和防水耐壓等。根據(jù)我國南海流花平臺錨鏈的實際監(jiān)測需要，設計與制作了自容式傾角傳感器，該自容式傾角傳感器已在南海實際應用中進行了檢驗。

1 水下測量傳感器及其應用

目前，國內外采用的水下傳感器按數(shù)據(jù)傳輸方式主要分為三大類[4]：在線式、聲傳輸式和自容式。

（1）在線式是利用電纜供電并直接把信號傳到中控室，本身不對數(shù)據(jù)進行保存。在線式的優(yōu)點是能實時獲取數(shù)據(jù)，但是由于海洋環(huán)境的特殊性，使得布線非常難。

（2）聲傳輸式集合了自容式的優(yōu)點，并把信號以聲波的形式傳輸?shù)剿嫔?。但是聲通信過程中會消耗大量電量，導致監(jiān)測的時間大大縮短，不適用于長期監(jiān)測。

（3）自容式是一種自備電池和存儲卡的測量儀器，數(shù)據(jù)暫時存在自帶的存儲卡里，到一定時候回收取出數(shù)據(jù)。自容式應用于對數(shù)據(jù)實時性要求不高的場合，其優(yōu)點是可靠性好、工作水深深、簡單易操作等。

自容式傳感器[5]是以大容量存儲器為存儲介質并自備有電源的一種便攜式測量儀器，是專門為獲取復雜惡劣環(huán)境下的某種數(shù)據(jù)而設計的。使用時將它裝載在待測結構體上，讓它在單片機的控制下以自容的方式長期進行數(shù)據(jù)的采集工作。管理員到一定的時候回收，通過通信接口界面將它與上位機相連，回放存儲器中的數(shù)據(jù)，同時上位機還將完成數(shù)據(jù)的分析和處理。由于儀器具有操作簡單、性價比高的優(yōu)點，使其在各個領域中得到非常廣泛的應用。

Nortek三維海流計是一款自容式和在線式的海洋傳感器，系統(tǒng)集成了溫度、壓力、傾斜儀和羅盤等傳感器，內配有電池和存儲卡；加拿大RBR公司的TGR-2050潮位儀也是一款自容式的海洋傳感器，電量足夠進行3個月的長期測量；曾永紅[5]等人研制的高性能自容式下井計集成了壓力傳感器、溫度傳感器，專為井下測量流體介質的壓力使用。目前，自容式傳感器已廣泛應用于海洋工程勘探、井下危險作業(yè)、港口監(jiān)測等。

2 深海自容式傳感器的設計

用于海洋的傳感器數(shù)據(jù)采集通常強調抗干擾和穩(wěn)定性[6]，而深海自容式傳感器的工作環(huán)境更具有復雜性和特殊性，設計時與普通傳感器相比，必須具備以下幾個特點：

（1）低功耗。自容式傳感器要滿足深海長期監(jiān)測的需要，由于可以攜帶的能源有限，對電路系統(tǒng)而言，低功耗的設計不僅可以延長系統(tǒng)工作周期，還能降低系統(tǒng)熱散耗、提高穩(wěn)定性和可靠性。

（2）可靠性。深海自容式傳感器需要在無人值守的環(huán)境下長期工作，所以系統(tǒng)工作的可靠性也是自容式傳感器設計中的一個難點。

（3）大容量存儲。自容式傳感器在長期的監(jiān)測過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，因此，存儲量大、性能穩(wěn)定的存儲設備也是個關鍵。

（4）體積小。由于自容式傳感器工作在深海環(huán)境下，浪和流的作用對它的影響不可避免，所以傳感器的體積越小，受到的影響就越小。

（5）防水耐壓。自容式傳感器的采集存儲工作需要一個無水穩(wěn)定的環(huán)境，如何保證一個防水密封耐壓的工作環(huán)境是自容式工作的基礎。

根據(jù)深海自容式傳感器的設計目標和特點，對傳感器采集系統(tǒng)進行了相應的設計。

（1）低功耗設計。系統(tǒng)的低功耗設計包含以下3個方面的內容。首先，低功耗元器件的選用。微處理器模塊以及傳感器模塊的低功耗器件選擇在降低系統(tǒng)功耗起著關鍵作用[7-8]。目前微處理器采用超大規(guī)模集成電路技術，不僅體積大大減小，在降低功耗上更有著顯著的提高。其次，合理的電路設計和結構設計。由于多功能會增加電流的消耗和影響系統(tǒng)的可靠性，因此自容式傳感器不需要追求多功能模式和復雜化設計,在滿足必需功能的基礎上,簡化結構和電路設計。第三，軟件對系統(tǒng)功耗也有影響,合理的軟件設計對系統(tǒng)功耗的降低起著不容忽視的作用。比如，軟件可以通過設計合理的單片機睡眠方式來降低儀器的功耗。

（2）可靠性設計。系統(tǒng)的可靠性設計也包含3個方面的內容。首先，選用高可靠性的元器件。為了保證整機系統(tǒng)的高可靠和長壽命,一個首要的環(huán)節(jié)就是要選擇具有高可靠性的元器件。其次，電路的可靠性設計。降低電路的復雜性可以相應地提高電路的可靠性,在實現(xiàn)規(guī)定功能的前提下,應盡量使電路結構簡單。最后，軟件設計不合理是直接導致軟件運行不可靠的因素[9]，軟件設計要有邏輯性、結構清晰[10]。

（3）大容量設計和小型化設計。在水下長時間數(shù)據(jù)采集，存儲介質的容量要足夠大，同時，也必須考慮其采集頻率要求以及今后數(shù)據(jù)查詢的方便。

小型化的設計是通過器件的選擇、功能最小化和電路板布局的優(yōu)化來實現(xiàn)的。

（4）自容式傳感器外殼的設計。主要考慮自容式傳感器工作環(huán)境的特殊性，通常需要工作在幾百米甚至上千米的水深，所以對自容式的防水耐壓外殼設計需要考慮到工作水深。外殼的設計主要通過對外殼材料的選擇以及殼體的厚度。

3 南海流花平臺自容式傾角傳感器的研制

根據(jù)我國南海流花平臺的海域特點以及監(jiān)測要求，確定如下指標作為設計依據(jù)：

（1）工作水深300 m；

（2）監(jiān)測時間3～6個月；

（3）傾角傳感器測量精度0.1°；

（4）存儲數(shù)據(jù)2G。

自容式傳感器的硬件系統(tǒng)主要分成七大模塊：微處理器模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、串口通信模塊、時鐘模塊、電源管理模塊和電源模塊。其設計框圖1所示。微處理器選用德州電子的MSP430系列芯片，傳感器模塊選用精度為0.03°的MEMS雙軸傾角傳感器，存儲模塊選用大容量2G的TF卡。

圖1 自容式傳感器設計框圖

圖2 主程序流程圖

軟件系統(tǒng)整體包括4部分：各模塊的初始化、串口通信、傳感器數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)存儲，各模塊采用完全事件觸發(fā)驅動方式編寫，從而使系統(tǒng)以最低功耗運行。

對自容式傳感器外殼的設計，主要考慮防水耐壓以及易于安裝。對防水耐壓的要求，系統(tǒng)采用厚度為10 mm的海洋專用鋼材作為深海自容式傳感器的外殼材料。自容式外殼形狀不僅要考慮易于安裝和拆卸，且與內部的傳感器采集系統(tǒng)部分不能發(fā)生相對位移，如圖3（a）所示，外殼整體分為桶帽、封蓋和筒體三部分組成，筒體內半徑略大于傳感器采集系統(tǒng)。圖3（b）為自容式外殼的實物圖。

圖3 自容式傳感器外殼結構設計

4 實驗室實驗和南?，F(xiàn)場測試

在完成自容式傳感器采集系統(tǒng)和防水耐壓外殼設計的基礎上，對自容式傳感器的整體性能在實驗室做了測試，包括對采集系統(tǒng)的靜態(tài)性能測試和外殼的防水耐壓測試。

采集系統(tǒng)靜態(tài)性能測試采用TCS型傾斜傳感器標定架（量程12°，可擴展到90°，分辨率9〞）配合高精度標準傳感器（分辨率0.001°，精度0.01°）進行靜態(tài)性能測試。對于靜態(tài)性能的測試主要是選取固定的點，然后將AT203的輸出值和待測傳感器的輸出值進行比較測試，見表1。經(jīng)過反復試驗，結果表明，自容式傾角傳感器的零點漂移小于0.02°，精度為0.03°，誤差最大為0.52%。

對外殼的防水耐壓性能測試采用深水壓力倉進行測試，自容式傳感器在2 MPa的壓力環(huán)境下保壓了10 d，無漏水壓潰等情況，采集系統(tǒng)在該深水壓力環(huán)境下工作正常。另外，對系統(tǒng)電量的使用時間和存儲容量進行了測試，按照每3 h工作20 min計算，電池按總容量19 000 mAh的50%放電(主要考慮海底是低溫放電)，傳感器工作了3個月，存儲卡存儲容量也還有剩余。

表1 小角度靜態(tài)性能測試數(shù)據(jù)對比

圖4 自容式傾角傳感器的傾角值

在實驗室進行測量得到了良好的效果后，自容式傾角傳感器又在南海流花平臺進行了現(xiàn)場測試，經(jīng)過5個月的測試后成功打撈，然后對自容式傳感器里面的數(shù)據(jù)進行回收分析，圖4是采集頻率為1 Hz傾角傳感器某天其中1 h的傾角數(shù)據(jù)曲線圖。

5 結論

根據(jù)我國南海流花平臺錨鏈實際監(jiān)測的需要，分析了深海自容式傳感器開發(fā)的技術難點，自行研制了專用的深海自容式傾角傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其功耗和存儲容量可以達到對流花平臺長期監(jiān)測3～6個月的目標，采集精度達到0.03°，滿足流花平臺的監(jiān)測要求。目前，該深海自容式傾角傳感器已對流花平臺錨泊系統(tǒng)進行了一個周期的實際監(jiān)測，完成了數(shù)據(jù)回收，其可靠性得到了實踐的檢驗。

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Design of Self-contained Sensors Used in Monitoring the Deep Water Semi-submersible Platform Mooring Anchor Inclination

SUO Liu-jia1,TANG Da2,MA Shu-yi1
(1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian Liaoning 116023,China;2.Computer Science&Technology College,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116023,China)

The inclination change of the deep water semi-submersible platform mooring anchor is an important indicator to evaluate platform mooring status and anchor force state.It is also an important monitoring parameter of semi-submersible platform.At present,the self-contained sensors are used widely for the measurement of deep water anchor chain.The characteristics of self-contained sensor include low power consumption,high reliability,small size,large storage capacity,high waterproof strength,high withstanding value and so on.Based on the monitoring requirements of the South China Sea Liuhua platform anchor chain,a self-contained inclination sensor was designed and produced.Finally,it was tested in practical applications.

mooring;inclination;self-contained sensor;low power consumption;reliability

TP23

B

1003-2029（2012）02-0077-04

2011-10-25

國家重大專項(2008ZX05026)

鎖劉佳（1987-），女，碩士，研究方向為結構健康監(jiān)測。Email：suolj2012@126.com