CN105675061A - 基于无线供电的应变轴功率遥测装置 - Google Patents

基于无线供电的应变轴功率遥测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其包括上位机及与上位机通过无线传输的遥测电路；遥测电路中，以电信号相连的扭矩模块、转速模块、ZigBee数据采集发射模块、无线供电模块装在船轴上，而通过数据线与上位机相连的ZigBee数据接收模块设置在上位机旁；扭矩模块和转速模块测量船轴的扭矩和转速信号，通过ZigBee数据采集发射模块发射，由ZigBee数据接收模块接收，之后传输到上位机进行数据处理分析，完成监测。本发明设计合理，易于部署，整套装置一体化集成，节省空间，设有的无线输电模块，消除了电池对轴系的影响；数据通过ZigBee无线传输，实现对轴功率在线显示、监测、分析、预警的功能。

Description

基于无线供电的应变轴功率遥测装置
技术领域
本发明涉及机械测试装置领域，特别是一种基于无线供电的应变轴功率遥测装置。
背景技术
目前，船舶行业快速发展，船舶耗能总量随之也急剧增加，石油资源紧缺，船舶耗能问题成为船舶行业关注的焦点，船舶轴功率与船舶能耗息息相关，所以，轴功率的测量成为新造船舶的主要参数。一般通过测量柴油机转轴的扭矩与转速来计算轴功率。在水上交通运输的过程中，工作情况十分复杂，柴油机与螺旋桨的匹配程度将直接影响到船舶的安全运行，当它们不匹配时，一方面柴油机的输出功率不能充分利用，造成航速与推动力达不到要求；另一方面会使柴油机超负荷运行，使其寿命缩短。因此，我们通过在线监测柴油机的轴功率，不仅可以检查柴油机的技术状况是否符合要求，还可以判断柴油机与螺旋桨是否匹配，从而保证了船舶安全稳定的运行，提高其可靠性。所以，它的测量尤为重要。
目前船舶轴功率的一体测量装置较少，大多只是扭矩测量，通过扭矩传感器的信号采集，将其以有线或无线的方式传输给上位机，再配合转速表进行对轴功率的监测，这样存在扭矩采集与转速采集频率不一致，观察不便等问题。而少部分轴功率测量系统可测出轴功率，然而目前扭矩和转速的测量装置的无线传输形式大多通过Bluetooth、WiFi等方式传输，耗能大且可靠性不高，接受信号后的处理结果，不能够得到实时动态分析，并且不能对处理后果做出预警提醒并采取合理措施。同时测量装置通过蓄电池进行供电，需要将蓄电池和轴功率测量装置一同固定在转轴上，这不仅对功率测量的精度有影响，电池本身的安装和固定会带来很多问题和麻烦，且当电量耗尽需要将轴停止后才能更换电池，电池的存在，影响了轴系的对中性，会对轴的本身造成不利影响。
船舶主轴的是良好的导磁材料，如果利用无线供电装置对轴上设备供电，其效果和效率都有很大的提升，同时可以设计出无线供电的稳压模块，保证电能稳定输出，而接收线圈和稳压降压模块与蓄电池相比而言形状很小、重量很轻，不会对轴功率的测量结果造成很大影响，除非线路出现重大故障，否则无需将轴停转来更换电池。所以，利用无线充电技术给轴系上的数据采集设备提供电能，不仅可以避免接触式有线供电装置对轴的影响，同时也提高了数据采集的精度，降低了电能的损失。具有重大意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于无线供电的应变轴功率遥测装置，以解决电池供电问题，可靠性低的问题及装置信号采集精度问题。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，包括上位机及与上位机通过无线传输的遥测电路；所述遥测电路由扭矩模块、转速模块、ZigBee数据采集发射模块、无线供电模块，ZigBee数据接收模块组成，其中以电信号相连的扭矩模块、转速模块、ZigBee数据采集发射模块、无线供电模块装在船轴上，而通过数据线与上位机相连ZigBee数据接收模块设置在上位机旁；扭矩模块和转速模块测量船轴的扭矩和转速信号，通过ZigBee数据采集发射模块发射信号，由ZigBee数据接收模块接收，之后传输到上位机。
所述的扭矩模块由全桥电路和扭矩测量电路组成，其中：全桥电路由4片电阻丝与轴线呈45度角的应变片连接而成；扭矩测量电路，由电连接的放大器、滤波器、模拟器和A/D转换器组成。
所述的转速模块由小磁铁和转速测量电路组成。
所述的小磁铁通过固定装置设置在与船轴轴线同等高度，与转速测量电路内的霍尔元件正对应的位置。所述固定装置可由安装者自行设置，实现对小磁铁的固定即可。
所述的转速测量电路主要由霍尔元件和信号处理电路组成，所述信号处理电路由电连接的放大器、滤波器、模拟器和A/D转换器组成。
所述的ZigBee数据采集发射模块，转速测量电路、扭矩测量电路安置在集成电路板内，该集成电路板内还设有电压供给单元。
所述的集成电路板固定在船轴上，全桥电路粘贴于船轴上，集成电路板和全桥电路由无线供电模块的接收线圈供电。
所述的无线供电模块，主要由发射线圈、接收线圈、电压供给单元组成，其中：发射线圈缠绕于圆环之上；圆环直径略大于船轴，分为左右各一半，然后左右分开将船轴套入，之后闭合，与其无接触；将发射线圈紧密缠绕在圆环上，圆环经支架进行安装和固定；接收线圈缠绕在船轴上，该接收线圈和圆环大小根据轴系大小而调整；调整发射线圈与接收线圈的距离，以便得到合适且稳定的电流；之后所述接收线圈与电压供给单元连接。
所述的ZigBee数据采集发射和数据接收模块，主要由搭载cc2530芯片的ZigBee模块组成，应变信号和转速信号通过ZigBee数据采集发射模块进行数据采集、处理后发射到ZigBee数据接收模块。
所述的ZigBee数据采集发射模块将信号发射ZigBee数据接收模块，之后传输到上位机，经上位机处理后得到船舶轴功率；通过船舶主机及轴系的出厂指标可得到轴功率的可用范围，通过船舶的正常航行建立数据库，当上位机接收到的信号超过许用范围，将会自动报警。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
1.将传感器与采集发射模块集成在一个小型电路板中，节省了较大的空间。结构紧凑、安装方便。
2.轴系的数据采集装置由无线供电模块供电，取代了传统的电池供电，消除了电池重量对轴系的影响，提高了扭矩采集的精准度，使得检测的轴功率更为真实。
3.轴功率实时显示系统的安装不仅能够在线监测船舶扭矩、转速、轴功率的变化，同时根据柴油机及轴系的许用扭矩、转速、功率范围和船舶运营建立起的数据库可以判断船舶的运行情况，及时对可能出现的轴系故障情况作出预判及报警，对船舶正常运行具有重大意义。
附图说明
图1是本发明基于无线供电的应变轴功率遥测装置的整体结构示意图。
图2是本发明基于无线供电的应变轴功率遥测装置的无线供电结构示意图。
图3是本发明基于无线供电的应变轴功率遥测装置的信号传输示意图。
图4为本发明装置的ZigBee模块的结构框图。
图中：1.船轴；2.发射线圈；3.接收线圈；4.集成电路板；5.全桥电路；6.小磁铁；7.轴承；8.ZigBee数据接收模块；9.上位机；10.电压供给单元；11.支架；12.圆环；13.ZigBee数据采集发射模块；14.转速测量电路；15.扭矩测量电路，16.应变片；17.固定装置。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其结构如图1、图2和图3所示：其主要是由上位机9，以及与上位机9通过无线传输的遥测电路组成。遥测电路中由电信号相连的扭矩模块、转速模块、ZigBee数据采集发射模块13、无线供电模块安装在船轴1上，而ZigBee数据接收模块8则通过数据线与上位机9相连。扭矩模块和转速模块测量船轴1的扭矩和转速信号，通过ZigBee数据采集发射模块13发射，由ZigBee数据接收模块8接收，之后传输到上位机9。
所述的扭矩模块由全桥电路5和扭矩测量电路15组成，其中：全桥电路5由4片电阻丝与轴线呈45度角的应变片16连接而成，所述全桥电路设置在船轴1上。扭矩测量电路15，由电连接的放大器、滤波器、模拟器和A/D转换器组成，该扭矩测量电路15记录所在船轴1运转过程中的应变片16的电阻值变化，应变片16的电阻值变化通过全电桥路5和扭矩测量电路15的稳压放大，得到与应变片16的电阻值成正比的数字信号，所得信号送往ZigBee数据采集发射模块13。
所述的转速模块由小磁铁6和转速测量电路14组成。
所述小磁铁6通过固定装置设置在与船轴1的轴线同等高度，与转速测量电路14内的霍尔元件正对应的位置。所述固定装置可由安装者自行设置，实现对小磁铁6的固定即可。
所述的转速测量电路14主要由霍尔元件和信号处理电路组成。所述信号处理电路同样由电连接的放大器、滤波器、模拟器和A/D转换器组成。该信号处理电路将霍尔元件感应到的电压变化值处理为数字信号也传输至ZigBee数据采集发射模块13。
所述的ZigBee数据采集发射模块13，转速测量电路14、扭矩测量电路15安置在集成电路板4内，电路板内还设置有电压供给单元10。
所述集成电路板5固定在船舶轴1上，全桥电路5粘贴于船舶轴1上，二者由接收线圈3供电。
所述的无线供电模块的结构如图2所示，主要由发射线圈2、接收线圈3、电压供给单元10组成。发射线圈缠绕于圆环12之上，所述圆环12分为左右各一半，直径略大于船轴1，然后左右分开将船轴1套入，之后闭合，与其无接触，将发射线圈2紧密缠绕在圆环12上，将圆环12经支架11进行安装和固定。而接收线圈3缠绕在船轴上，该接收线圈3和圆环12大小可根据轴系大小而调整。调整发射线圈2与接收线圈3的距离，以便得到合适且稳定的电流。之后所述接收线圈3与电压供给单元10连接。发射线圈2接通电源，通过电磁感应使接收线圈3得到电压，通过电压供给单元10使得电压能够持续稳定输出，对集成电路板4及全桥电路5进行供电。
如图4所示，为ZigBee数据采集发射和数据接收模块的组成及其宏观连接图，主要由搭载cc2530芯片的ZigBee模块组成，应变信号和转速信号通过ZigBee数据采集发射模块13进行数据采集、处理后发射到ZigBee数据接收模块8。
如图1所示，ZigBee数据采集发射模块13将信号发射ZigBee数据接收模块8，之后传输到上位机9，上位机9处理后得到船舶轴功率。通过船舶主机及轴系的出厂指标可得到轴功率的可用范围，通过船舶的正常航行建立数据库，当上位机9接收到的信号超过许用范围，将会自动报警。
所述船舶主机的轴功率通过间接测量传动轴的扭矩和转速，再将其转换为轴功率，其计算式如下：
P e = 2 πM e n 60 × 10 3 ≈ M e n 9550 - - - ( 1 )
式中：Pe—表示轴功率，kW；Me—表示轴扭矩，N·m；n—表示轴转速，r/min。
在整个轴功率遥测系统中，输出的电压信号与船轴的扭矩成正比，因此轴系扭矩可通过以下表达式进行计算：
M e = V 0 10 × M F S = V F S π E × 4 ( d 0 4 - d i 4 ) 16000 V E X C k G F N ( 1 + μ ) G X M T d 0 - - - ( 2 )
式中：Vo—表示ZigBee数据接收模块调理后的输出电压；MFS—表示满量程扭矩；μ—表示泊松比；VFS—表示满量程电压；E—表示轴的杨氏弹性模量；di—表示轴内径；do—表示轴外径；VEXC—表示电桥励磁电压；kGF—表示应变片灵敏系数；N—表示电桥臂数；GXMT—表示发射器放大倍数。
计算式(1)中的转速n可通过计算式(3)式求解，表达式为：
n = 60 N M t - - - ( 3 )
式中：N—表示时间t内计数器测定的脉冲数；M—表示轮齿数；t—表示计数时间。
通过上述计算式(1)-(3)的推导便很容易计算出船轴功率。
本发明提供的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其工作过程如下：
当船舶转轴转动时，无线输电模块向集成电路板和全桥电路供电，扭矩测量电路与转速测量电路采集数据，采集到的扭矩和转速信号由ZigBee数据采集发射模块13将信号发射，ZigBee数据接收模块8接收传送至上位机9，通过上位机9进行数据处理分析，完成监测。本轴功率的测量方法此方法测量过程简单，方便易操作，并且有较高的准确性。而无线供电装置的引入，取代了传统的电池供电，消除了电池对轴系的影响，提高了传感器采集数据的精度，具有深远意义。

Claims (10)

1.基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征包括上位机(9)及与上位机(9)通过无线传输的遥测电路；所述遥测电路由扭矩模块、转速模块、ZigBee数据采集发射模块(13)、无线供电模块，ZigBee数据接收模块(8)组成，其中以电信号相连的扭矩模块、转速模块、ZigBee数据采集发射模块(13)、无线供电模块装在船轴(1)上，而通过数据线与上位机(9)相连的ZigBee数据接收模块(8)设置在上位机(9)旁；扭矩模块和转速模块测量船轴(1)的扭矩和转速信号，通过ZigBee数据采集发射模块(13)发射信号，由ZigBee数据接收模块(8)接收，之后传输到上位机(9)。
2.根据权利要求1所述的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征在于所述的扭矩模块由全桥电路(5)和扭矩测量电路(15)组成，其中：全桥电路(5)由4片电阻丝与轴线呈45度角的应变片(16)连接而成；扭矩测量电路(15)由电连接的放大器、滤波器、模拟器和A/D转换器组成。
3.根据权利要求1所述的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征在于所述的转速模块由小磁铁(6)和转速测量电路(14)组成。
4.根据权利要求3所述的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征在于所述的小磁铁(6)通过固定装置设置在与船轴(1)的轴线同等高度，与转速测量电路(14)内的霍尔元件正对应的位置。所述固定装置可由安装者自行设置，实现对小磁铁(6)的固定即可。
5.根据权利要求3所述的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征在于所述的转速测量电路(14)主要由霍尔元件和信号处理电路组成，所述信号处理电路由电连接的放大器、滤波器、模拟器和A/D转换器组成。
6.根据权利要求1或2或5所述的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征在于所述的ZigBee数据采集发射模块(13)，转速测量电路(14)、扭矩测量电路(15)安置在集成电路板(4)内，该集成电路板内还设有电压供给单元(10)。
7.根据权利要求6所述的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征在于所述的集成电路板(4)固定在船轴(1)上，全桥电路(5)粘贴于船轴(1)上，集成电路板(4)和全桥电路(5)由无线供电模块的接收线圈(3)供电。
8.根据权利要求1所述的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征在于所述的无线供电模块，主要由发射线圈(2)、接收线圈(3)、电压供给单元(10)组成，其中：发射线圈缠绕于圆环(12)之上；圆环(12)直径略大于船轴(1)，分为左右各一半，然后左右分开将船轴(1)套入，之后闭合，与其无接触；将发射线圈(2)紧密缠绕在圆环(12)上，圆环(12)经支架(11)进行安装和固定；接收线圈(3)缠绕在船轴(1)上，该接收线圈(3)和圆环(12)大小根据轴系大小而调整；调整发射线圈(2)与接收线圈(3)的距离，以便得到合适且稳定的电流；之后所述接收线圈(3)与电压供给单元(10)连接。
9.根据权利要求1所述的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征在于所述的ZigBee数据采集发射和数据接收模块，主要由搭载cc2530芯片的ZigBee模块组成，应变信号和转速信号通ZigBee数据采集发射模块(13)进行数据采集、处理后发射到ZigBee数据接收模块(8)。
10.根据权利要求9所述的基于无线供电的应变轴功率遥测装置，其特征在于所述的ZigBee数据采集发射模块(13)将信号发射ZigBee数据接收模块(8)，之后传输到上位机(9)，经上位机(9)处理后得到船舶轴功率；通过船舶主机及轴系的出厂指标可得到轴功率的可用范围，通过船舶的正常航行建立数据库，当上位机(9)接收到的信号超过许用范围，将会自动报警。
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