CN103900747A - 偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其主要由光电接收块（4）、电涡流位移传感器（5）、光电二极管（3）、半导体激光器（2），以及装在底座（7）上的激光夹块（1）、中块（6）组成；所述激光夹块（1）设有通孔用以容纳和固定半导体激光器（2）；所述光电接收块（4），固定于中块（6）上并作为光电二极管（3）的支撑物；所述中块（6）用以夹持电涡流位移传感器（5）和容纳光电二极管（3）的连接导线。本发明整体采用优化设计，节约空间，并消除了码盘偏心误差所导致的扭转相位角的偏差，同时本发明还提出了两种获知初始相位角的方法。

Description

偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头

技术领域

本发明涉及测量装置的一部分，特别是一种适用于偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，适用于诸如监测轴系扭矩和功率等工作状况的应用场合。

背景技术

在现代科学技术中，各种系统设施为了安全考虑都加强了在线监测系统。若哪里出了问题可以方便预防和维护，从而保障安全。随着现代船舶行业的迅速发展，各不相同的动力装置应运而生，而其复杂度也逐渐增高。柴油机在整个船舶中占据着如同“心脏”的重要位置，而输出轴的功率是柴油机最重要的性能参数之一，它的可靠性关系着船舶的营运以及众多人员的人身安全。目前，在线监测船舶动力系统的运行状态，并对所反馈的信号得以判断和分析来预防事故的发生，从而保障船体以及人身的安全。而轴系扭矩是轴功率测量的重要依据因此开展轴系扭矩监测技术的研究意义甚大。

柴油机轴系是一个非常复杂的弹性阻尼系统，船舶在运行过程中，推进轴系会受到螺旋桨水动力、船体变形、润滑油膜等各种动态因素的影响，在气缸的气体压力以及活塞连杆机构的往复惯性力等周期性干扰力矩的作用下，会激起系统的强迫振动。而当该干扰力矩的频率与系统的固有频率一致时，扭转振动的振幅将会达到一个峰值而产生轴系的共振现象，很有可能引起机体振传动系统零部件损坏、轴承过度磨损、甚至轴系折断等事故。因此，必须对轴系动态性检测进行深入研究。

各种轴功率测量方法一般是通过测量轴系扭矩，计算轴功率。测量旋转轴所传递的扭矩，由于轴本身在旋转，若直接在其上面贴应变片测量，显然长时间之后一定会有很大误差。为此，往往采用各种集流环装置进行测量，但在测量精度、经济性及劳动保护等方面存在许多不足。轴系扭矩测量的基本原理分为平衡力法，能量转换法和传递法。平衡力法是利用平衡扭矩去平衡被测扭矩，从而求得扭矩的方法；能量转换法是按照能量守恒定律来测量扭矩的一种方法，通过测量其它与扭矩有关的能量系数来确定被测扭矩的大小；传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化（变形、应力或应变）来测量扭矩的方法。平衡力法只适用于匀速和静态的情况；能量转换法的间接测量因素太多，而且误差大。这两种方法都不适合于动态测量。

船舶轴系扭矩测装置按测量方法主要分为接触型和非接触型。接触型测量装置技术已经成熟，广泛应用于轴功率和扭矩测量中。虽然目前较为先进的轴功率监测装置采用了遥测应变仪，但是测量效果仍不理想，加上应变片安装维护困难且易被复杂的环境因素所影响等缺陷，性能不够稳定，而且测量结果并不精准，需要定期标定。

作为轴系功率及扭矩测量的未来发展方向的非接触型测量，目前主要有以下两种：

（1）超声波测量技术：

该超声波测量技术的主要优点是不受环境光及电磁场的干扰，工作间隙大，对恶劣环境有一定的适应能力，测量精度高，价格适中。由于上述优点，这种测量技术发展较快，是目前投入应用最多的一种。但这种测量技术也有一些缺点：如受声速、环境介质等因素的干扰较大，抗干扰能力差测试电路复杂，必须进行多种补偿才能获得较高精度。

（2）CCD（Charge Coupled Devices）图像测量技术：

该CCD图像测量技术是一种集光电转换、电荷存储、电荷转移为一体的电荷耦合传感器件，它把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息转换为按时序串行输出的电信一视频信号，能再现入射的光辐射信号。利用CCD器件本身所具有的自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑等特性进行非接触式测量时，无需配置复杂的机械运动结构，从而减少了系统误差的来源。它可以适应高效率、自动化、动态监测、非接触测量等要求。在工程实际检测中，尤其是对小尺寸的测量方面具有很强的优势。

非接触式轴系扭矩测量的方法是在轴系上安装两个光电码盘，当轴上传递一定扭矩时，两个码盘在转动过程中会出现相对的扭转，通过检测这一相对扭转的角度可以计算出当前轴上传递扭矩的大小。两码盘扭转角度的监测依赖于图中所示的光电传感器来完成，而角度监测的准确与否不仅取决于光电传感器的响应速度，而且也取决于对于码盘安装中造成的偏心和不同轴的误差的修正，光电响应速度越快、对于偏心和不同轴误差的修正越好，从而能够准确获得两码盘之间相对扭转角度的变化，进而根据该扭转角计算出轴的功率和扭矩。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，以提高光电非接触式轴功率测量系统的准确性，该测量探头重新优化了测量系统探头的结构，使得测量系统更加精确。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其主要由光电接收块、电涡流位移传感器、光电二极管、半导体激光器，以及装在底座上的激光夹块、中块组成；所述激光夹块设有通孔用以容纳和固定半导体激光器；所述光电接收块，固定于中块上并作为光电二极管的支撑物；所述中块用以夹持电涡流位移传感器和容纳光电二极管的连接导线。

所述的中块，该中块的左部前侧设有航空插头接口；该中块的左部底端设有内凹槽，通过一与该内凹槽同宽的长条孔与该中块的上部相通；该中块的右部设有一从底部贯穿到上部的C形通孔，该C形通孔用以夹持电涡流位移传感器。

所述C形通孔可以根据夹持电涡流位移传感器的强度要求，其厚度与中块左部的厚度不一致，使整个中块纵向从左到右呈现一个阶梯形状。

所述内凹槽，其前端可以通过航空接头口与外界相通。

固定于所述航空接头口上的航空接头可以通过导线与光电二极管的引脚连接。

本发明探头的供电和信号输出通过航空插头直接与主控制板连接，实现通信；所述主控制板是一置于整个探头部分之外的对探头输出信号作出控制与处理的集成电路板。。

所述光电接收块开有L形槽，该L形槽可以从光电接收块的侧面一直延续到底部，L形槽的底部钻有一与光电二极管上螺孔对应的螺钉孔，用以固定光电二极管。

本发明提供的上述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其用途之一是：根据电涡流位移传感器测到的此传感器与转轴上码盘夹套间的距离同偏心距间的关系来修正码盘偏心误差，测量依据全部为逻辑量。

本发明修正码盘偏心误差的方法可以是：在码盘转动的过程中，用固定的、与激光光线和转轴中心线共面的电涡流位移传感器检测此传感器探头与码盘夹套间距离对应的电信号，该电信号中包含了码盘偏心距的信息，经主控控制板的逻辑处理后，即可根据该偏心距信息剔除因偏心导致的扭转相位角忽长忽短相应的信号，从而达到消除码盘偏心误差，提高测量船舶轴系扭矩精确度的目的。

本发明提供的上述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头的用途，其用途之二是：通过相应方法可测得两码盘安装时的初始相位角。

本发明获得初始相位角的方法可以是：通过逐渐加大轴的马力，进而改变轴的扭矩，再根据既得的轴的扭矩与两码盘的扭转相位角的关系，建立一个横轴为转轴的马力、纵轴为两码盘的扭转相位角的关系的坐标系，并将所测的转轴的马力与扭转相位角的关系拟合到坐标系中，该曲线与纵轴的交点所对应的扭转相位角便是初始相位角；亦或通过同马力下的轴的正反转所对应的扭转相位角，将这两个测得的扭转相位角相加后除以2，也可得到初始相位角。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.电涡流传感器的应用消除了码盘偏心引起的误差，使测量精度大大提高：在扭矩计算上，根据电涡流位移传感器中输出的位移量与轴旋转的角度间的关系，便可以分别将码盘扇形通光孔扫过激光时转轴转过的角度读出来，根据转轴的角速度，就能得到此时激光扫过扇形通光孔的时间，减去此时码盘不偏心时的实际通光时间后，就得到偏心导致的通光时间的偏移，再根据相应的逻辑计算就能将光电传感器中输出的脉冲信号中此段时间剔除，从而消除偏心误差。

2.整体设计紧凑；全部与底座相连的部分均采用底部钻螺纹孔的设计，且对全部的设计均优化，从而不仅节约了生产成本，也节约了空间。

3.整体结构轻便，设计简单，便于生产和安装，全部机构材料均采用铝合金。

4.整个测量探头在工作的过程中不与被测轴接触，不影响轴的正常工作，并能长时间在线动态测量。

5.半导体激光器和电涡流传感器的具有响应速度快、寿命长的优点。探头所用的器件均可在市场上购买，故在后期的运行维护方便简单，提高了测量系统的可维护性。

6.提出了两种确定初始相位角的方法，使得测量正确性提高。

附图说明

图1是本发明偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头的整体结构示意图。

图2是船舶轴系上安装的用于测量扭转角的码盘示意图。

图3是码盘扫过激光光线时的通光轨迹示意图。

图中：1.激光夹块；2.半导体激光器；3.光电二极管；4.光电接收块；5.电涡流位移传感器；6.中块；7.底座；8.航空接头口；9夹套。

具体实施方式

本发明提供的偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其采用的是半导体激光器+光电二极管+电涡流位移传感器的结构，在底座上适当距离处安装激光夹块和中块，以保证镶在固定于中块上的光电接收块上的光电二极管与激光夹块上的半导体激光器能形成对射。半导体激光器通过导线与航空接头连接，光电二极管通过导线与中块上的航空接头相接，而航空接头则通过电缆与控制电路板相连。在码盘转动后，由于偏心的存在，随着码盘夹套与电涡流位移传感器间距离的来回变化，电涡流传感器中便出现了周期性的电信号，该信号很好的包含了偏心距的信息，根据电涡流位移传感器中输出的位移量与转轴旋转的角度间的关系，便可以分别将码盘扇形通光孔扫过激光时转轴转过的角度读出来，根据转轴的角速度，便能读出此时激光扫过扇形通光孔的时间，减去此时码盘不偏心时的实际通光时间后，就得到偏心导致的通光时间的偏移，根据相应的逻辑计算就能将光电传感器所输出的电脉冲信号中的此段时间剔除，从而消除偏心误差。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明的内容。

本发明提供的偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其结构如图1所示，主要由激光夹块1、半导体激光器2、光电二极管3和电涡流位移传感器5组成。

所述激光夹块1与底座7固定相连，为有效利用空间，在激光夹块1的底部打了几个螺钉孔，因而激光夹块1与底座7的连接采用螺钉连接；距激光夹块1的底部34-46mm处镗了一个轴向通孔，该通孔用以容纳半导体激光器2；在其上部适当位置（一孔距激光夹块1前端面12.5-17.5mm，另一孔距激光夹块一前端面37.5-42.5mm）钻了两个孔，用以螺钉固定半导体激光器2。

所述中块6，其结构功能共分为两部分，其中左部用以固定光电接收块4和容纳光电二极管3的接线以及支持航空接头；右部用以夹持电涡流位移传感器5，但基于节约空间以及实际功能需求，将该两部分设计为一体，整体加工；其左部底端与底座7固定相连，固定方式与上述激光夹块1的连接方式相同；其左部底端设有凹槽用以容纳光电二极管3的接线，凹槽通过一与该凹槽同宽的长条形通孔与中块6的上部相通；其左部前端设有一航空接头口8，光电二极管3的引脚通过导线连接于固定在航空接头口8上的航空接头上，航空接头通过电缆与控制板相连；左部上端面的右端适当位置设有两个螺钉孔（两孔距中块6左端面25-29mm且两孔各自距中块6前后两端面3-7mm），用以固定光电接收块4；其右部与左部同厚，但其宽度较左部小，该右部从下至上设有一C形通孔，此C形通孔的开口端钻有一从前到后贯穿的通孔，螺栓通过该通孔将所述C形通孔的开口端夹紧，从而将电涡流位移传感器5固定，为让C形部分有较好的弹性，因而将该部分的厚度适当减少。

所述光电接收块4，其左端面与下端面设有一连贯的L形槽，该槽深度与厚度与所安装的光电二极管3的尺寸相当。在L形槽的底部设有一螺钉孔，该螺钉孔用以螺钉将光电二极管3固定；所述光电接受块4的右端设有两通孔，该通孔用以将所述光电接收块4固定在上述中块6上。

所述光电二极管3，在其正确安装后，将与所述半导体激光器2形成对射关系。

所述底座7，其底部共设有16个小孔和1个大孔。所述16个小孔中有8个为沉头孔用以固定激光夹块2和中块3，其余8个孔用以固定于角钢支架上。所述一个大孔，该孔与中块上的C形孔相对应，电涡流位移传感器5通过该孔夹持与C形孔中。所述底座7，所有孔均在满足结构、功能的需求上尽量做到节约空间。

所述半导体激光器2，其通过螺钉固定于与其直径相当的激光夹块1的通孔中。

所述光电二极管3，其固定于与其外形相同的光电接收块4的L形槽中，通过螺钉与光电接收块4相连。

所述电涡流位移传感器5，其穿过底座7的圆形孔，并通过中块6上的C形孔，然后用连接螺栓将C形通孔的开口端的拉紧，进而将电涡流位移传感器5夹紧，尾部通过电缆与控制板相连。

所述光电二极管3采用的是槽宽10mm带螺纹孔的透视型光电传感器HY810H，前后宽4mm。航空插头采用的是威浦IP13-4芯防水航空插头，此插头带有O型密封圈，可有效防水渗入，同时它具有4个信号传输端子，航空插头引出的电缆中，2根与半导体激光器3相连提供电源，另外2根与光电二极管3相连，将光电二极管3输出的电信号传输到采集卡。该航空插头可将信号输入与输出集成一体，简化探头与控制电路板的连接。

本发明提供的上述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，此探头中的电信号与光信号的传输过程是：首先，控制板通过航空插头接口8将电源电压输入中块6，航空插头接口8通过电线分别与激光夹块1中的半导体激光器3和光电接收块4中的光电二极管3相连。激光夹块1中的半导体激光器2将收到的电信号转变为光信号，与光电接收块4上的光电二极管3形成对射，并被光电二极管3接收，光信号转化为电信号，通过航空插头中的电缆输出到主控电路板。

本发明提供的上述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，此探头中的偏心误差修正的具体过程为：首先，由于码盘安装过程的偏心，因而在码盘转动后，固定于中块6上的电涡流位移传感器5与夹套9的距离来回变化，电涡流位移传感器5变将这个来回变化的位置信号转化为周期性的电信号，该信号与偏心距正相关。其次，偏心距的存在将导致单个通光孔上激光扫过的距离来回变化，根据电涡流位移传感器中输出的位移量与轴旋转的角度间的关系，便可以分别将码盘扇形通光孔扫过激光时转轴转过的角度读出来，根据转轴的角速度，便能读出此时激光扫过扇形通光孔的时间，减去此时码盘不偏心时的实际通光时间后，就得到偏心导致的通光时间的偏移，根据相应的逻辑计算就能将光电传感器中此段时间剔除，从而消除偏心误差。

所述夹套9是一用于夹持光电码盘并将码盘和夹套整体固定于转轴上的圆环，并且按照结构以及节约材料的要求，每一个光电码盘配置两个码盘，两个码盘的厚度分别为10mm和45mm。

本发明提供的上述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其具体工作过程为：半导体激光器2通电点亮后，激光射到与其形成对射的光电二极管3的光敏面上产生电流输出，输出的电流信号被电缆传递到检测电路板后被转换成高电平的电压信号。在轴功率监测系统工作时，轴上安装的光电码盘随轴旋转时，在激光夹块1与光电接收块4的间隙中扫过激光光束的焦点，码盘上的遮光齿会遮挡激光光束，在光电二极管3处形成低电平输出，在码盘连续不断扫过光电测量探头时，光电二极管将输出电平脉冲信号。同时将电涡流位移传感器5中的周期脉冲输入到控制板中与光电二极管3输出的电平脉冲信号采用逻辑处理，将光电二极管3中输出的电平脉冲信号中包含的偏心误差信号剔除，得到一个不包含偏心误差的正确电平脉冲信号。通过两个光电检测器输出的电平脉冲信号就能够检测轴系的扭矩变化。

本发明中所提供的获知初始相位角的方法为：

第一是通过逐渐加大轴的马力，改变轴的扭矩，根据即得的轴的扭矩与两码盘的扭转相位角的关系，建立一个横轴为轴的马力、纵轴为两码盘的扭转相位角的关系的坐标系，并将所测的轴的马力与扭转相位角的关系拟合到坐标系中，该曲线与纵轴的交点所对应的扭转相位角便是初始相位角。

第二是通过同马力下的轴的正反转所对应的扭转相位角，由于相同的马力下转轴实际的扭转角度相同，因而将这两个测得的扭转相位角相加后除以2，便得到初始相位角。

本发明提供的上述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其制造方法如下：

在激光夹块的制作上，根据图纸中各部分的尺寸，在金属块上镗出通孔，打好倒角，并在上端面钻出两个Ф5通孔，在下端面上攻出4个M4螺钉孔，所有部分均按图纸所标尺寸严格加工。

在光电接收块的制作上，根据图纸中各部分的尺寸，在金属块上铣出L形深槽，注意该L形深槽与所加工金属块的中心线对齐，在金属块上端面右端攻出两个M4的螺钉孔，在L形槽的底部攻出一个M3的螺钉孔，注意该螺钉孔的中心线与L形槽的中心线对齐，所有部分均按图纸所标尺寸严格加工。

在中块的制作上，根据图纸中各部分的尺寸，在金属块左部下端铣出一个深槽，并在深槽上方钻铣出一个长条通孔，使深槽与上端面相通，并在该部分的上端面右端攻出两个M4的螺纹孔；在金属块的右部加工一个C形孔，并将C形孔在宽度上削薄，以达到良好的弹性，在该部分纵向上镗出一个贯穿整的C形孔开口端的通孔，所有部分均按图纸所标尺寸严格加工。

在固定底座的加工上，根据图纸上各部分的尺寸，金属板上设有8个M4的沉头螺钉孔、8个M6.5的螺钉通孔、一个Ф16的通孔，所有部分均按图纸所标尺寸严格加工。

该测量探头详细装配方法如下：首先进行激光夹块部分的装配，将半导体激光器穿入激光夹块的通孔中，然后上端用两个紧固螺钉固定，最后将半导体激光器尾部的导线，连接到航空接头上的两个端子上，最后用4个M4的沉头螺钉将激光夹块固定在固定底座上；然后进行光电接收块部分的装配，将光电二极管的光电接收端安装于光电接收块的L形槽中，用M3的螺钉将光电二极管固定，然后用用两根适当长的导线分别连接于光电二极管的两个引脚上，最后用2个M4的螺钉将其固定于中块上；最后完成中块的装配，首先将光电二极管的连接导线穿入到中块中，将其从航空接头孔穿出，然后将其连接于航空接头上的连接端子上，待连接紧固后将航空接头安装在中块上的航空接头孔上，然后用沉头螺钉将中块连接于固定底板上（注意先不扭紧螺钉），最后让电涡流传感器依次穿过底座上的圆孔和C形孔，用紧固螺栓将C形孔的开口端夹紧，夹紧电涡流位移传感器后，扭紧中块下的螺钉。

中块和激光夹块同固定底座之间通过4个M4的沉头螺钉相连，角钢支架通过8个M6.5的螺钉与底座相连。

在装配过程中，注意半导体激光器与光电二极管的中心线对齐，便于激光二极管接收光信号。

本发明提供的上述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其具体应用过程如下：

通过测量轴系扭转角度的方法，在被测转动轴上适当距离处安装两个光电编码盘，如图2所示，在被测转动轴转动过程中两个光电码盘分别扫过该测量探头的光电发射与接收部分，在探头光线透过和被码盘遮挡过程中形成了亮/暗光脉冲信号，该脉冲信号中包含了码盘偏心导致的误差信号，因而将电涡流传感器中输出的脉冲信号与光电接收端输出的亮/暗光脉冲信号进行逻辑运算，使光电接收端输出的亮/暗光脉冲信号中的偏心信号剔除，得到一个不包含偏心误差的脉冲信号。当被测转动轴加上负载后，该转动轴扭转加剧，两齿轮盘之间会发生微小的相对扭转。通过对比两个不包含偏心误差的脉冲信号的相位差，就能计算出被测转动轴的扭转角度。该角度越大说明轴系当前传递的扭矩越大。当计算出这一角度后，结合被测轴材料的弹性模量等物理参数，即可计算出轴系在加载后的扭矩值。计算公式如下：

电涡流位移传感器输出的包含偏心误差的脉冲信号函数如下：

式中：L—电涡流位移传感器到夹套外表面的距离（m）；M—电涡流位移传感器探头到转轴中线的距离（m）；R—夹套的外半径（m）；δ—码盘的偏心距（m）；β—轴转过的角度（rad），将β的起始变设为纵轴的负半轴，且规定顺时针方向为正。

根据分析，了解到公式（1）为一周期函数，因而当β分别为0和π时，对应一个最大的L和最小的L，于是将β和L代入公式（1）便能得到M和δ的值。

图3中弧长AB为码盘上扇形通光孔上激光扫过的轨迹；O₁为转轴的圆心；O₂为码盘的圆心；θ为扇形通光孔相对于码盘圆心的夹角。则光电码盘扇形通光孔上激光扫过的时间的变化值同偏心距的关系如下：

首先，使控制板执行以下命令：当光电二极管接收到激光信号时（即图1中的位置B），输入电涡流位移传感器中信号a，当光电二极管从接收到激光信号到接收不到激光信号时（即图1中的位置A），输入电涡流位移传感器中的信号b。在此条件下，信号a对应一个距离L₁，信号b对应一个距离L₂。根据公式（1）将L₁和L₂分别代入公式得到O₁B与竖直轴O₁O₂的夹角

、O₁A与竖直轴O₁O₂的夹角α，则

则

式中：Δt—偏心导致的偏移时间量（s）；θ—光电码盘扇形通光孔夹角（rad）；α—O₁A与竖直轴O₁O₂的夹角（rad）；

与竖直轴O₁O₂的夹角(rad)；ω—转轴的角速度（rad/s）。

当旋转轴承受负载时，产生一个扭矩T，轴发生变形，在相距为L的任意两个横截面上将产生一个相对扭转角θ（rad），其计算公式如下：

$T=\frac{\mathrm{\π}}{180}\·\frac{{\mathrm{GI}}_p\mathrm{\θ}}{L}$

其中：T—轴系的输出扭矩（N·m）；L—两光电码盘之间的距离（m）；I_p—轴的转动惯性矩（m⁴）；G—材料的剪切弹性模量（Pa）；θ—光电码盘扇形通光孔夹角（rad）；

当轴为实心轴时， $I_p=\frac{\mathrm{\π}}{2}\·R^4,---\left(4\right)$

当轴为空心轴时， $I_p=\frac{\mathrm{\π}}{2}\·(R^4-r^4)---\left(5\right)$

式中：R—轴的外半径（m）；r—轴的内半径（m）。

同时本发明还提供了两种得到初始相位角的方法：

第一是根据转轴马力与扭矩成正比的关系，当用不同的马力时，相应得到一个扭矩，于是在X-Y坐标系中建立一个马力与扭转相位差的关系图，其中纵坐标为扭转相位差，横轴为马力值，拟合马力与扭转相位差的曲线，取该曲线与纵轴的交点，便能得到初始相位角。

第二是通过同马力下的轴的正反转所对应的扭转相位角，将这两个测得的扭转相位角相加后除以2，便得到初始相位角。其计算公式如下：

τ=（θ₁+θ₂）/2   (6)

式中：τ—两码盘的初始相位角（rad）；θ₁—轴正转所测得的相位角（rad）；θ₂—轴反转所测得的相位角（rad）。

在设计中以暗脉冲为测量依据，也就是光电开关输出的低电平脉冲，在被测转动轴上未加负载时，第一光电码盘和第二光电码盘上的对应的第一遮光片和第二遮光片分别扫过光电开关，产生了两路低电平的脉冲输出。根据这两路低电平脉冲之间的相位差大小的变化就能测量得到该段轴系工作过程中的扭转角度，从而计算出轴系上传递的扭矩大小。

本发明提供的上述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其用途是：采用光电技术来测量被测转动轴的扭转角度，测量依据全部为逻辑量。具体是：在被测转动轴转动过程中，用至少两个测量探头检测同样数量的光电码盘扫过对应的测量探头时输出的方波信号，通过检测两路方波之间的相位差来测量被测转动轴发生扭转变形的角度信号，该角度信号在控制器中经过逻辑计算和处理后，由计算机计算被测转动轴的扭矩。

该测量探头测量过程固定在转动轴的旁边，不与轴发生直接或间接接触，不影响该轴的正常工作。

该测量探头能在同一被测转动轴旁安装多个，探头个数与码盘个数相等，一一对应，以满足测量多段轴的扭矩变化情况。

上述实施例所述的元件均可以市场上购买。便于后期维修和更换零部件。

上述实施例所述的尺寸也可以依据实际情况变更。

Claims (11)

1.一种偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其特征是主要由光电接收块（4）、电涡流位移传感器（5）、光电二极管（3）、半导体激光器（2），以及装在底座（7）上的激光夹块（1）、中块（6）组成；所述激光夹块（1）设有通孔用以容纳和固定半导体激光器（2）；所述光电接收块（4），固定于中块（6）上并作为光电二极管（3）的支撑物；所述中块（6）用以夹持电涡流位移传感器（5）和容纳光电二极管（3）的连接导线。

2.根据权利要求1所述的偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其特征是所述的中块（6），其左部前侧设有航空插头接口（8）；其左部底端设有内凹槽，通过一与该内凹槽同宽的长条孔与其上部相通；其右部设有一从底部贯穿到上部的C形通孔，该C形通孔用以夹持电涡流位移传感器（5）。

3.根据权利要求2所述的偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其特征是所述C形通孔根据夹持电涡流位移传感器（5）的强度要求，其厚度与中块（6）左部的厚度不一致，使整个中块（6）纵向从左到右呈现一个阶梯形状。

4.根据权利要求2所述的偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其特征是所述内凹槽，其前端通过航空接头口（8）与外界相通。

5.根据权利要求4所述的偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其特征是固定于所述航空接头口（8）上的航空接头通过导线与光电二极管（3）的引脚连接。

6.根据权利要求2所述的偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其特征是该探头的供电和信号输出通过航空插头（8）直接与主控制板连接，实现通信；所述主控制板是一置于整个探头部分之外的信号控制与处理模块。

7.根据权利要求1所述的偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头，其特征是所述光电接收块（4）开有L形槽，该L形槽从光电接收块的侧面一直延续到底部，L形槽的底部钻有一与光电二极管（3）上螺孔对应的螺钉孔，用以固定光电二极管（3）。

8.权利要求1至7中任一权利要求所述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头的用途，其特征是根据电涡流位移传感器（5）测到的此传感器与转轴上码盘夹套间的距离同偏心距间的关系来修正码盘偏心误差，测量依据全部为逻辑量。

9.根据权利要求8所述的用途，其用途是在码盘转动的过程中，用固定的、与激光光线和转轴中心线共面的电涡流位移传感器（5）检测此传感器探头与码盘夹套间距离对应的电信号，该电信号中包含了码盘偏心距的信息，经主控控制板的逻辑处理后，即可根据该偏心距信息剔除因偏心导致的扭转相位角忽长忽短相应的信号，从而达到消除码盘偏心误差，提高测量船舶轴系扭矩精确度的目的。

10.权利要求1至7中任一权利要求所述偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头的用途，其特征是通过相应方法可测得两码盘安装时的初始相位角。

11.根据权利要求10所述的用途，其特征是通过逐渐加大轴的马力，进而改变轴的扭矩，再根据既得的轴的扭矩与两码盘的扭转相位角的关系，建立一个横轴为转轴的马力、纵轴为两码盘的扭转相位角的关系的坐标系，并将所测的转轴的马力与扭转相位角的关系拟合到坐标系中，该曲线与纵轴的交点所对应的扭转相位角便是初始相位角；亦或通过同马力下的轴的正反转所对应的扭转相位角，将这两个测得的扭转相位角相加后除以2，也可得到初始相位角。

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