锁刘佳 ，唐 达，马书义

（1.工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连116023；2.大连理工大学电子信息工程学部，辽宁 大连116023）

深水半潜式平台锚链倾角监测的自容式传感器的设计

锁刘佳1，唐 达2，马书义1

（1.工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连116023；2.大连理工大学电子信息工程学部，辽宁 大连116023）

深水半潜式平台系泊锚链的倾角变化是评价平台系泊状态与锚链受力的重要指标，是半潜式平台重要的监测内容。目前，深水锚链的测量主要是采用自容式的传感器，针对其水下长时间测量的应用特点，要求它的设计必须具有低功耗、高可靠性、大存储量、体积小、防水耐压等指标。根据我国南海流花平台的锚链监测需要，设计与制作了专用的水下自容式倾角传感器，并在实际应用中进行了检验。

系泊；倾角；自容式传感器；低功耗；可靠性

半潜式平台是深水石油开发的主要装备，通常采用多点锚链系泊方式对平台进行定位以保证平台的安全生产[1]。为了保障系泊系统在位正常工作，需要对系泊系统的姿态进行监测。锚链姿态是用来描述在各种荷载共同作用下的锚链状态，可以确定锚链是否正常工作，也可用于锚链力的计算[2]。对锚链姿态的监测，可以通过对锚链倾角的变化测量实现。

海洋因其自然环境的复杂性，使得对锚链长时间的监测非常困难。目前，国内外普遍采用自容式的传感器对锚链进行长期监测。如2H Offshore监测公司[3]开发了一系列自容式倾角传感器用于对锚链的监测。自容式传感器首先要满足深海恶劣环境的要求，如何保证一个防水密封耐压的工作环境是自容式工作的基础。其次，要满足海洋长期监测的需要，如何长时间供电工作以及保证数据的完备性及可靠性也是个关键问题。另外，自容式传感器还要考虑其安装简单方便，所以，小型轻便也是自容式的一个特点。

本文介绍了3种传输形式的水下传感器和自容式传感器的原理及应用，提出了用于深海环境的自容式传感器的指标，包括低功耗、高可靠性、大存储量、体积小和防水耐压等。根据我国南海流花平台锚链的实际监测需要，设计与制作了自容式倾角传感器，该自容式倾角传感器已在南海实际应用中进行了检验。

1 水下测量传感器及其应用

目前，国内外采用的水下传感器按数据传输方式主要分为三大类[4]：在线式、声传输式和自容式。

（1）在线式是利用电缆供电并直接把信号传到中控室，本身不对数据进行保存。在线式的优点是能实时获取数据，但是由于海洋环境的特殊性，使得布线非常难。

（2）声传输式集合了自容式的优点，并把信号以声波的形式传输到水面上。但是声通信过程中会消耗大量电量，导致监测的时间大大缩短，不适用于长期监测。

（3）自容式是一种自备电池和存储卡的测量仪器，数据暂时存在自带的存储卡里，到一定时候回收取出数据。自容式应用于对数据实时性要求不高的场合，其优点是可靠性好、工作水深深、简单易操作等。

自容式传感器[5]是以大容量存储器为存储介质并自备有电源的一种便携式测量仪器，是专门为获取复杂恶劣环境下的某种数据而设计的。使用时将它装载在待测结构体上，让它在单片机的控制下以自容的方式长期进行数据的采集工作。管理员到一定的时候回收，通过通信接口界面将它与上位机相连，回放存储器中的数据，同时上位机还将完成数据的分析和处理。由于仪器具有操作简单、性价比高的优点，使其在各个领域中得到非常广泛的应用。

Nortek三维海流计是一款自容式和在线式的海洋传感器，系统集成了温度、压力、倾斜仪和罗盘等传感器，内配有电池和存储卡；加拿大RBR公司的TGR-2050潮位仪也是一款自容式的海洋传感器，电量足够进行3个月的长期测量；曾永红[5]等人研制的高性能自容式下井计集成了压力传感器、温度传感器，专为井下测量流体介质的压力使用。目前，自容式传感器已广泛应用于海洋工程勘探、井下危险作业、港口监测等。

2 深海自容式传感器的设计

用于海洋的传感器数据采集通常强调抗干扰和稳定性[6]，而深海自容式传感器的工作环境更具有复杂性和特殊性，设计时与普通传感器相比，必须具备以下几个特点：

（1）低功耗。自容式传感器要满足深海长期监测的需要，由于可以携带的能源有限，对电路系统而言，低功耗的设计不仅可以延长系统工作周期，还能降低系统热散耗、提高稳定性和可靠性。

（2）可靠性。深海自容式传感器需要在无人值守的环境下长期工作，所以系统工作的可靠性也是自容式传感器设计中的一个难点。

（3）大容量存储。自容式传感器在长期的监测过程中会产生大量的数据，因此，存储量大、性能稳定的存储设备也是个关键。

（4）体积小。由于自容式传感器工作在深海环境下，浪和流的作用对它的影响不可避免，所以传感器的体积越小，受到的影响就越小。

（5）防水耐压。自容式传感器的采集存储工作需要一个无水稳定的环境，如何保证一个防水密封耐压的工作环境是自容式工作的基础。

根据深海自容式传感器的设计目标和特点，对传感器采集系统进行了相应的设计。

（1）低功耗设计。系统的低功耗设计包含以下3个方面的内容。首先，低功耗元器件的选用。微处理器模块以及传感器模块的低功耗器件选择在降低系统功耗起着关键作用[7-8]。目前微处理器采用超大规模集成电路技术，不仅体积大大减小，在降低功耗上更有着显著的提高。其次，合理的电路设计和结构设计。由于多功能会增加电流的消耗和影响系统的可靠性，因此自容式传感器不需要追求多功能模式和复杂化设计,在满足必需功能的基础上,简化结构和电路设计。第三，软件对系统功耗也有影响,合理的软件设计对系统功耗的降低起着不容忽视的作用。比如，软件可以通过设计合理的单片机睡眠方式来降低仪器的功耗。

（2）可靠性设计。系统的可靠性设计也包含3个方面的内容。首先，选用高可靠性的元器件。为了保证整机系统的高可靠和长寿命,一个首要的环节就是要选择具有高可靠性的元器件。其次，电路的可靠性设计。降低电路的复杂性可以相应地提高电路的可靠性,在实现规定功能的前提下,应尽量使电路结构简单。最后，软件设计不合理是直接导致软件运行不可靠的因素[9]，软件设计要有逻辑性、结构清晰[10]。

（3）大容量设计和小型化设计。在水下长时间数据采集，存储介质的容量要足够大，同时，也必须考虑其采集频率要求以及今后数据查询的方便。

小型化的设计是通过器件的选择、功能最小化和电路板布局的优化来实现的。

（4）自容式传感器外壳的设计。主要考虑自容式传感器工作环境的特殊性，通常需要工作在几百米甚至上千米的水深，所以对自容式的防水耐压外壳设计需要考虑到工作水深。外壳的设计主要通过对外壳材料的选择以及壳体的厚度。

3 南海流花平台自容式倾角传感器的研制

根据我国南海流花平台的海域特点以及监测要求，确定如下指标作为设计依据：

（1）工作水深300 m；

（2）监测时间3～6个月；

（3）倾角传感器测量精度0.1°；

（4）存储数据2G。

自容式传感器的硬件系统主要分成七大模块：微处理器模块、传感器模块、数据存储模块、串口通信模块、时钟模块、电源管理模块和电源模块。其设计框图1所示。微处理器选用德州电子的MSP430系列芯片，传感器模块选用精度为0.03°的MEMS双轴倾角传感器，存储模块选用大容量2G的TF卡。

图1 自容式传感器设计框图

图2 主程序流程图

软件系统整体包括4部分：各模块的初始化、串口通信、传感器数据采集以及数据存储，各模块采用完全事件触发驱动方式编写，从而使系统以最低功耗运行。

对自容式传感器外壳的设计，主要考虑防水耐压以及易于安装。对防水耐压的要求，系统采用厚度为10 mm的海洋专用钢材作为深海自容式传感器的外壳材料。自容式外壳形状不仅要考虑易于安装和拆卸，且与内部的传感器采集系统部分不能发生相对位移，如图3（a）所示，外壳整体分为桶帽、封盖和筒体三部分组成，筒体内半径略大于传感器采集系统。图3（b）为自容式外壳的实物图。

图3 自容式传感器外壳结构设计

4 实验室实验和南海现场测试

在完成自容式传感器采集系统和防水耐压外壳设计的基础上，对自容式传感器的整体性能在实验室做了测试，包括对采集系统的静态性能测试和外壳的防水耐压测试。

采集系统静态性能测试采用TCS型倾斜传感器标定架（量程12°，可扩展到90°，分辨率9〞）配合高精度标准传感器（分辨率0.001°，精度0.01°）进行静态性能测试。对于静态性能的测试主要是选取固定的点，然后将AT203的输出值和待测传感器的输出值进行比较测试，见表1。经过反复试验，结果表明，自容式倾角传感器的零点漂移小于0.02°，精度为0.03°，误差最大为0.52%。

对外壳的防水耐压性能测试采用深水压力仓进行测试，自容式传感器在2 MPa的压力环境下保压了10 d，无漏水压溃等情况，采集系统在该深水压力环境下工作正常。另外，对系统电量的使用时间和存储容量进行了测试，按照每3 h工作20 min计算，电池按总容量19 000 mAh的50%放电(主要考虑海底是低温放电)，传感器工作了3个月，存储卡存储容量也还有剩余。

表1 小角度静态性能测试数据对比

图4 自容式倾角传感器的倾角值

在实验室进行测量得到了良好的效果后，自容式倾角传感器又在南海流花平台进行了现场测试，经过5个月的测试后成功打捞，然后对自容式传感器里面的数据进行回收分析，图4是采集频率为1 Hz倾角传感器某天其中1 h的倾角数据曲线图。

5 结论

根据我国南海流花平台锚链实际监测的需要，分析了深海自容式传感器开发的技术难点，自行研制了专用的深海自容式倾角传感器数据采集系统，其功耗和存储容量可以达到对流花平台长期监测3～6个月的目标，采集精度达到0.03°，满足流花平台的监测要求。目前，该深海自容式倾角传感器已对流花平台锚泊系统进行了一个周期的实际监测，完成了数据回收，其可靠性得到了实践的检验。

[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]曾永红,曾延安,易新建.高性能自容式下井计的研制[J].仪表技术与传感器,2002(02)：18-20.

[6]武东生,张齐.海洋站数据采集器的设计要点[J].海洋技术,2001,20(1)：59-61.

[7]杨冠群.智能传感器中MCU的节电设计[J].传感器技术，2005,24(8)：41-43.

[8]腾召胜,陈继斌.智能传感器的低功耗设计[J].传感器世界，1999,5(5）：27-30.

[9]张海藩.软件工程导论[M].北京：清华大学出版社,1997.

[10]任晓荣.单片机系统可靠性设计[J].计算机测量与控制,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

国家重大专项(2008ZX05026)

锁刘佳（1987-），女，硕士，研究方向为结构健康监测。Email：suolj2012@126.com