深水半潛式平臺錨鏈傾角監測的自容式傳感器的設計

鎖劉佳 ，唐 達，馬書義

（1.工業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與錨鏈受力的重要指標，是半潛式平臺重要的監測內容。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。根據我國南海流花平臺的錨鏈監測需要，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[1]。為了保障系泊系統在位正常工作，需要對系泊系統的姿態進行監測。錨鏈姿態是用來描述在各種荷載共同作用下的錨鏈狀態，可以確定錨鏈是否正常工作，也可用于錨鏈力的計算[2]。對錨鏈姿態的監測，可以通過對錨鏈傾角的變化測量實現。

海洋因其自然環境的復雜性，使得對錨鏈長時間的監測非常困難。目前，國內外普遍采用自容式的傳感器對錨鏈進行長期監測。如2H Offshore監測公司[3]開發了一系列自容式傾角傳感器用于對錨鏈的監測。自容式傳感器首先要滿足深海惡劣環境的要求，如何保證一個防水密封耐壓的工作環境是自容式工作的基礎。其次，要滿足海洋長期監測的需要，如何長時間供電工作以及保證數據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。根據我國南海流花平臺錨鏈的實際監測需要，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據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，本身不對數據進行保存。在線式的優點是能實時獲取數據，但是由于海洋環境的特殊性，使得布線非常難。

（2）聲傳輸式集合了自容式的優點，并把信號以聲波的形式傳輸到水面上。但是聲通信過程中會消耗大量電量，導致監測的時間大大縮短，不適用于長期監測。

（3）自容式是一種自備電池和存儲卡的測量儀器，數據暫時存在自帶的存儲卡里，到一定時候回收取出數據。自容式應用于對數據實時性要求不高的場合，其優點是可靠性好、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境下的某種數據而設計的。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據的采集工作。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，回放存儲器中的數據，同時上位機還將完成數據的分析和處理。由于儀器具有操作簡單、性價比高的優點，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、港口監測等。

2 深海自容式傳感器的設計

用于海洋的傳感器數據采集通常強調抗干擾和穩定性[6]，而深海自容式傳感器的工作環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測的需要，由于可以攜帶的能源有限，對電路系統而言，低功耗的設計不僅可以延長系統工作周期，還能降低系統熱散耗、提高穩定性和可靠性。

（2）可靠性。深海自容式傳感器需要在無人值守的環境下長期工作，所以系統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測過程中會產生大量的數據，因此，存儲量大、性能穩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定的環境，如何保證一個防水密封耐壓的工作環境是自容式工作的基礎。

根據深海自容式傳感器的設計目標和特點，對傳感器采集系統進行了相應的設計。

（1）低功耗設計。系統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功耗起著關鍵作用[7-8]。目前微處理器采用超大規模集成電路技術，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，軟件對系統功耗也有影響,合理的軟件設計對系統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。為了保證整機系統的高可靠和長壽命,一個首要的環節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,在實現規定功能的前提下,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。在水下長時間數據采集，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據查詢的方便。

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化來實現的。

（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

根據我國南海流花平臺的海域特點以及監測要求，確定如下指標作為設計依據：

（1）工作水深300 m；

（2）監測時間3～6個月；

（3）傾角傳感器測量精度0.1°；

（4）存儲數據2G。

自容式傳感器的硬件系統主要分成七大模塊：微處理器模塊、傳感器模塊、數據存儲模塊、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

軟件系統整體包括4部分：各模塊的初始化、串口通信、傳感器數據采集以及數據存儲，各模塊采用完全事件觸發驅動方式編寫，從而使系統以最低功耗運行。

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部分不能發生相對位移，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。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 實驗室實驗和南海現場測試

在完成自容式傳感器采集系統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，包括對采集系統的靜態性能測試和外殼的防水耐壓測試。

采集系統靜態性能測試采用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°）進行靜態性能測試。對于靜態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的壓力環境下保壓了10 d，無漏水壓潰等情況，采集系統在該深水壓力環境下工作正常。另外，對系統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 小角度靜態性能測試數據對比

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場測試，經過5個月的測試后成功打撈，然后對自容式傳感器里面的數據進行回收分析，圖4是采集頻率為1 Hz傾角傳感器某天其中1 h的傾角數據曲線圖。

5 結論

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

[1]API Recommended Practice for Design and Analysis ofStationkeepingSystems for FloatingStructures[Z].DRAFT,1994.

[2]AugustoOB,Andrade BL.Anchor deployment for deep water floatingoffshore equipments[J].Ocean Engineering,2003(30)：611-624.

[3]Pei AN,Neil Willis,Steve Hatton.Standalone Subsea Data MonitoringSystem[C]//The 6th Underwater Science SymposiumAberdeen University,Scotland,UK3rd to6th April 2003.

[4]Van den BoomH,KoningJ,Aalberts P.Offshore monitoring,real world data for design,engineeringand operation [C]//Proceedings of Offshore TechnologyConference,Houston,USA：OTC,2005：17172.

[5]曾永紅,曾延安,易新建.高性能自容式下井計的研制[J].儀表技術與傳感器,2002(02)：18-20.

[6]武東生,張齊.海洋站數據采集器的設計要點[J].海洋技術,2001,20(1)：59-61.

[7]楊冠群.智能傳感器中MCU的節電設計[J].傳感器技術，2005,24(8)：41-43.

[8]騰召勝,陳繼斌.智能傳感器的低功耗設計[J].傳感器世界，1999,5(5）：27-30.

[9]張海藩.軟件工程導論[M].北京：清華大學出版社,1997.

[10]任曉榮.單片機系統可靠性設計[J].計算機測量與控制,2003,11(8)：621-623，626.

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測。Email：suolj2012@126.com