CN105928648B - 光纤光栅式水下动态扭矩测量装置及方法 - Google Patents

光纤光栅式水下动态扭矩测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅式水下动态扭矩测量装置及方法。本发明中的测量装置，包括传动轴系、水下环境模拟及控制装置、外接设备，传动轴系由表面贴有光纤光栅传感器和一端连有光纤旋转接头的传动轴组成；水下环境模拟及控制装置主要由水箱、恒温水槽、注水管、水泵、电磁阀、压力传感器和温度传感器组成；外接设备包括测控箱、光纤光栅传感解调仪、变频电机和可调负载。测控箱中的硬件电路连接光纤光栅传感解调仪、压力传感器和温度传感器。本发明使用了光纤旋转接头这一旋转微结构，解决了光纤光栅在传动轴旋转状态下信号不易输出的难题；本发明为在地面模拟水下动态扭矩测量环境提供了手段，有助于提高水下动态扭矩测量精度。

Description

光纤光栅式水下动态扭矩测量装置及方法
技术领域
本发明涉及水下扭矩测量领域，特别是涉及水下环境光纤光栅式动态扭矩测量的实验装置及方法。
背景技术
建设海洋强国对于推动经济持续健康发展，维护国家主权安全具有重大意义。
提升我国的船舶制造技术能力和水平是海洋战略的重点内容。动力系统是船舶的心脏，对动力系统输出的动力进行实时精确监测成为了一个急需解决的问题，因为根据监测结果可以进行设备的故障预测和诊断、异常振动源识别、机-桨优化匹配等等。对处在水下的动力参数测量就是要测量传动轴的转矩和转速，进而确定输出功率。但由于水下的复杂环境，再加上在高速回转轴上提取动态测量信号，以及无法实施传统的电信号测量方法等因素，使得该项测量变得异常困难。此外，就算能测到动态转矩信号，由于该参量不能有效溯源而无法确切知道测量方法的正确性。因此，探索新的测量原理和方法、解决动态环境下的参数溯源问题，已成为我国军用船舶动力系统实时监测的当务之急。
轴功率是船舶主机最重要的性能参数之一，船-机-桨的匹配对主机性能有很大的影响。传动轴的扭矩测量及分析是保证多种船舶设备正常运行、节省能源、提高系统效率的重要手段。提高扭矩测量的准确性、扭矩监测和控制的实时性以及扭矩异常分析的可靠性，是减少事故发生、使生产正常进行的重要手段。由于意外故障造成的危害极大，对机械系统动力传递过程进行动态监测与控制就成为消除事故、确保安全、可靠运行的前提条件和重要手段。扭矩在线监测对减少非计划检修时间和事故、快速分析产生事故或故障的原因，对提高生产效率和经济效益都有重要意义。
随着船舶向大型化、高速化和自动化方向发展，船舶的快速性、高效益、经济性等，已成为造船的重要指标。作为计算转换效率的重要手段，轴功率测量已成为船厂及船东验收新造船舶的主要参数。通过对主机不同工况下轴功率的测量，可以了解及检验船体-主机-推进器三者之间匹配情况，同时也可对旧船船-机-桨工作状态及故障做出诊断。轴功率测量已成为各大船厂新造船舶以及旧船改造必须进行测量的项目之一，因此，其测量的准确度、数据的可靠性尤为重要。 当机-桨不匹配时，主机可能不能充分发挥其额定功率，船舶不能达到设计航速；同时，主机还可能发生严重超载，其使用寿命就大大缩短。通过测量船舶动力系统的轴功率，不仅可以发现主机的工作状况是否良好，还可以判断船-机-桨的匹配的优劣情况。因此，为了给船舶动力设备安全可靠运行提供有力的计量保障，在测量轴功率之前，必须精确的实时测量传动轴的扭矩这一重要参数。
发明内容
针对背景技术所述的现状，本发明的目的在于提供一种光纤光栅式水下动态扭矩测量装置及方法，来对水下环境中动力传动轴的扭矩进行实时模拟测量。
光纤光栅式水下动态扭矩测量实验装置，包括传动轴系、水下环境模拟及控制装置、外接设备，所述的传动轴系由表面贴有光纤光栅传感器和一端连有光纤旋转接头的传动轴组成；水下环境模拟及控制装置主要由水箱、恒温水槽、注水管、水泵、电磁阀、压力传感器和温度传感器组成，其中水箱是模拟水下环境的装置，恒温水槽用来控制水箱中的水温，注水管利用连通器结构控制水箱中水位，进而根据物理学公式P=ρgh来控制水箱中的水压，水泵和电磁阀用来控制水箱中水的进出和水的流速，压力传感器和温度传感器分别用来检测水箱中的水压和水温；外接设备包括测控箱、光纤光栅传感解调仪、变频电机和可调负载，其中测控箱中主要包括操作开关、硬件电路和软件程序等。
所述的光纤旋转接头利用自身的旋转结构解决了传动轴转动条件下光纤光栅传感器和光纤光栅传感解调仪之间光信号不易传输的问题，能够实现传动轴转动条件下光纤光束的准直传输，而且具有抗电磁干扰、传输带宽大、无接触传输、无磨损和寿命长等优点。
所述的测控箱中的硬件电路由处理器模块、接口模块、输入模块和检测模块组成。其中，处理器模块由MCU、液晶显示屏、数据存储器、电源和按键组成；接口模块由JTAG调试接口、USB口和串行口组成；输入模块由温度传感器输入模块、压力传感器输入模块和光波信号输入模块；检测模块由温度传感器检测模块、压力传感器检测模块和动态扭矩检测模块。
所述的MCU选用型号为STM32F103ZET6的ARM核芯片，液晶显示屏选用4.3寸电容触摸屏，分辨率为800*480，数据储存器选用型号为AT24C02，I2C接口的EEPROM芯片，温度传感器选用型号为DS18B20的防水型温度传感器，压力传感器选用GZB型压力传感器。
一种基于上述实验装置的实验方法：分为水箱中无水、水箱中不同水位、水箱中不同水温和水箱中不同水体流速四种情况。
1. 水箱中无水时，实验操作步骤如下：
S1：设备开机，打开所有设备的电源开关，对操作软件初始化；
S2：使光纤光栅传感解调仪和粘贴在动力传动轴上的光纤光栅传感器处在工作状态；
S3：打开调速电机的开关，调节使其工作在额定转速；
S4：根据实验方案所设定的负载值调节负载大小，使动力传动轴处在不同的扭矩状态；
S5：MCU计算处理来自光纤光栅传感解调仪输出的信号，储存器存储相关数据信息，并在液晶显示屏上显示；
S6：设备进入待机状态，直到实验完成，设备关机。
2. 水箱中不同水位时，实验操作步骤如下：
S1：设备开机，打开所有设备的电源开关，对操作软件初始化；
S2：使光纤光栅传感解调仪和粘贴在动力传动轴上的光纤光栅传感器处在工作状态；
S3：打开电机和负载的开关，使电机工作在额定转速，负载大小设定为固定值；
S4：打开水泵和电磁阀的开关，向水箱中注水，并根据实验方案的设定值控制水位，以此模拟水压对传动轴扭矩的影响；
S5：MCU计算处理来自光纤光栅传感解调仪输出的信号和采集水箱中压力传感器的数据，储存器存储相关数据信息，并在液晶显示屏上显示扭矩、压力值；
S6：设备进入待机状态，直到实验完成，设备关机。
3. 水箱中不同水温时，实验操作步骤如下：
S1：设备开机，打开所有设备的电源开关，对操作软件初始化；
S2：使光纤光栅传感解调仪和粘贴在动力传动轴上的光纤光栅传感器处在工作状态；
S3：打开电机和负载的开关，使电机工作在额定转速，负载大小设定为固定值；
S4：打开水泵和电磁阀的开关，向水箱注水，控制水箱中水位为实验1中某一固定值；
S5：打开恒温水槽和电磁阀的开关，使恒温水槽中的水流向水箱，并根据实验方案的设定值控制水温，以此模拟水温对传动轴扭矩的影响；
S6：MCU计算处理来自光纤光栅传感解调仪输出的信号和采集水箱中温度传感器的数据，储存器存储相关数据信息，并在液晶显示屏上显示扭矩、温度值；
S7：设备进入待机状态，直到实验完成，设备关机。
4. 水箱中不同水体流速时，实验操作步骤如下：
S1：设备开机，打开所有设备的电源开关，对操作软件初始化；
S2：使光纤光栅传感解调仪和粘贴在动力传动轴上的光纤光栅传感器处在工作状态；
S3：打开电机和负载的开关，使电机工作在额定转速，负载大小设定为固定值；
S4：打开水泵、恒温水槽和电磁阀的开关，控制水箱中水位和水温都为固定值；
S5：打开控制水流的水泵和电磁阀的开关，使水箱中的水流动起来，并根据实验方案的设定值控制水体流速，以此模拟水体流速对传动轴扭矩的影响；
S6：MCU计算处理来自光纤光栅传感解调仪输出的信号，储存器存储相关数据信息，并在液晶显示屏上显示扭矩值；
S7：设备进入待机状态，直到实验完成，设备关机。
本发明的有益效果：
本发明使用了光纤旋转接头这一旋转微结构，解决了光纤光栅在传动轴旋转状态下信号不易输出的难题；
本发明为在地面模拟水下动态扭矩测量环境提供了手段，有助于提高水下动态扭矩测量精度。
附图说明
图1是本发明的立体结构图；
图2是本发明的传动轴一端①的局部放大图；
图3是本发明的硬件电路设计框图；
图4是本发明的实验1操作流程框图；
图5是本发明的实验2操作流程框图；
图6是本发明的实验3操作流程框图；
图7是本发明的实验4操作流程框图；
图中1-1. 传动轴，1-2. 光纤光栅传感器，1-3. 光纤旋转接头；2-1. 水箱，2-2.恒温水槽，2-3. 注水管，2-4. 水泵，2-5. 电磁阀，2-6. 压力传感器，2-7. 温度传感器；3-1. 测控箱，3-2. 光纤光栅传感解调仪，3-3. 变频电机，3-4. 可调负载。
具体实施方式
如图1所示的光纤光栅式水下动态扭矩测量装置，包括传动轴系、水下环境模拟及控制装置、外接设备。传动轴系由传动轴1-1、光纤光栅传感器1-2和光纤旋转接头1-3组成。水下环境模拟及控制装置主要由水箱2-1、恒温水槽2-2、注水管2-3、水泵2-4、电磁阀2-5、压力传感器2-6和温度传感器2-7组成。外接设备包括测控箱3-1、光纤光栅传感解调仪3-2、变频电机3-3和可调负载3-4。
表面贴有光纤光栅传感器1-2的传动轴1-1穿过水箱2-1，部分密封于其中。由于光纤旋转接头1-3由可以相对转动的两端组成，一端固定于传动轴1-1，另一端和光纤光栅传感解调仪3-2一侧连接，当传动轴1-1转动时，光纤光栅传感器1-2一侧的光纤和光纤光栅传感解调仪3-2一侧的光纤可通过光纤旋转接头1-3实现旋转状态下的光束准直传输，从而把采集的动态扭矩信息传输到测控箱3-1中。变频电机3-3和可调负载3-4分别连接在传动轴1-1的两端，两者用来改变传动轴1-1上的扭矩大小。恒温水槽2-2、注水管2-3、水泵2-4和电磁阀2-5都通过水管和水箱2-1相连接，用来改变水箱2-1中水压和水温等模拟参数。恒温水槽2-2、光纤光栅传感解调仪3-2、压力传感器2-6和温度传感器2-7都与测控箱3-1中的硬件电路相连接，经硬件电路的处理器模块后，扭矩、水压和水温数据值在液晶显示屏上显示。
如图3所示的光纤光栅式水下动态扭矩测量装置的硬件电路设计框图，测控箱3-1中硬件电路由接口模块、处理器模块、检测模块和输入模块组成；接口模块由USB接口、串行口和JTAG调试接口模块组成，USB接口模块用于读取测控箱2-2内储存的数据，串行口和JTAG调试接口模块用于测控箱2-2内软件程序的调试和下载；处理器模块由MCU、液晶显示屏、数据存储器、电源和按键组成。按键用于复位、开关等操作，液晶显示屏用于显示采集到的水箱2-1中水压、水温值，以及传动轴1-1的动态扭矩值。
如图4所示的基于上述实验装置水箱中无水时的实验步骤流程图，操作步骤如下：S1：设备开机，打开所有设备的电源开关，对操作软件初始化；S2：使光纤光栅传感解调仪和粘贴在动力传动轴上的光纤光栅传感器处在工作状态；S3：打开调速电机的开关，调节使其工作在额定转速；S4：根据实验方案所设定的负载值调节负载大小，使动力传动轴处在不同的扭矩状态；S5：MCU计算处理来自光纤光栅传感解调仪输出的信号，储存器存储相关数据信息，并在液晶显示屏上显示；S6：设备进入待机状态，直到实验完成，设备关机。
如图5所示的基于上述实验装置水箱中不同水位时的实验步骤流程图，操作步骤如下：S1：设备开机，打开所有设备的电源开关，对操作软件初始化；S2：使光纤光栅传感解调仪和粘贴在动力传动轴上的光纤光栅传感器处在工作状态；S3：打开电机和负载的开关，使电机工作在额定转速，负载大小设定为固定值；S4：打开水泵和电磁阀的开关，向水箱中注水，并根据实验方案的设定值控制水位，以此模拟水压对传动轴扭矩的影响；S5：MCU计算处理来自光纤光栅传感解调仪输出的信号和采集水箱中压力传感器的数据，储存器存储相关数据信息，并在液晶显示屏上显示扭矩、压力值；S6：设备进入待机状态，直到实验完成，设备关机。
如图6所示的基于上述实验装置水箱中不同水温时的实验步骤流程图，操作步骤如下：S1：设备开机，打开所有设备的电源开关，对操作软件初始化；S2：使光纤光栅传感解调仪和粘贴在动力传动轴上的光纤光栅传感器处在工作状态；S3：打开电机和负载的开关，使电机工作在额定转速，负载大小设定为固定值；S4：打开水泵和电磁阀的开关，向水箱注水，控制水箱中水位为实验1中某一固定值；S5：打开恒温水槽和电磁阀的开关，使恒温水槽中的水流向水箱，并根据实验方案的设定值控制水温，以此模拟水温对传动轴扭矩的影响；S6：MCU计算处理来自光纤光栅传感解调仪输出的信号和采集水箱中温度传感器的数据，储存器存储相关数据信息，并在液晶显示屏上显示扭矩、温度值；S7：设备进入待机状态，直到实验完成，设备关机。
如图7所示的基于上述实验装置水箱中不同水体流速时的实验步骤流程图，操作步骤如下：S1：设备开机，打开所有设备的电源开关，对操作软件初始化；S2：使光纤光栅传感解调仪和粘贴在动力传动轴上的光纤光栅传感器处在工作状态；S3：打开电机和负载的开关，使电机工作在额定转速，负载大小设定为固定值；S4：打开水泵、恒温水槽和电磁阀的开关，控制水箱中水位和水温都为固定值；S5：打开控制水流的水泵和电磁阀的开关，使水箱中的水流动起来，并根据实验方案的设定值控制水体流速，以此模拟水体流速对传动轴扭矩的影响；S6：MCU计算处理来自光纤光栅传感解调仪输出的信号，储存器存储相关数据信息，并在液晶显示屏上显示扭矩值；S7：设备进入待机状态，直到实验完成，设备关机。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.光纤光栅式水下动态扭矩测量装置，包括传动轴系、水下环境模拟及控制装置、外接设备，其特征在于：所述的传动轴系由表面贴有光纤光栅传感器（1-2）和一端连有光纤旋转接头（1-3）的传动轴（1-1）组成；水下环境模拟及控制装置主要由水箱（2-1）、恒温水槽（2-2）、注水管（2-3）、水泵（2-4）、电磁阀（2-5）、压力传感器（2-6）和温度传感器（2-7）组成；外接设备包括测控箱（3-1）、光纤光栅传感解调仪（3-2）、变频电机（3-3）和可调负载（3-4）；
所述的传动轴（1-1）穿过水箱（2-1），部分封装于其中，连接部分用密封圈密封；变频电机（3-3）和可调负载（3-4）分别连接在传动轴（1-1）的两端，两者用来控制传动轴（1-1）的转速和负载大小；
所述的水箱（2-1）是模拟水下环境的装置，恒温水槽（2-2）用来控制水箱中的水温，注水管（2-3）利用连通器结构控制水箱中水位，水泵（2-4）和电磁阀（2-5）用来控制水箱中水的进出和水的流速，压力传感器（2-6）和温度传感器（2-6）分别用来检测水箱中的水压和水温；
所述的光纤光栅传感解调仪（3-2）通过光纤旋转接头（1-3）与粘贴在传动轴（1-1）上的光纤光栅传感器（1-2）连接，其中光纤旋转接头（1-3）利用自身的旋转结构实现传动轴（1-1）在转动状态下的光信号准直传输，从而把采集到的动态扭矩信息发送至测控箱（3-1）；水下环境模拟及控制装置中的压力传感器（2-6）和温度传感器（2-7）都与测控箱（3-1）中的硬件电路相连接。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅式水下动态扭矩测量装置，其特征在于：所述的测控箱（3-1）中的硬件电路由处理器模块、接口模块、输入模块和检测模块组成；
其中，处理器模块由MCU、液晶显示屏、数据存储器、电源和按键组成；接口模块由JTAG调试接口、USB口和串行口组成；输入模块由温度传感器输入模块、压力传感器输入模块和光波信号输入模块组成；检测模块由温度传感器检测模块、压力传感器检测模块和动态扭矩检测模块组成；
所述的MCU选用型号为STM32F103ZET6的ARM核芯片，液晶显示屏选用4.3寸电容触摸屏，分辨率为800*480，数据储存器选用型号为AT24C02，I2C接口的EEPROM芯片，温度传感器选用型号为DS18B20的防水型温度传感器，压力传感器选用GZB型压力传感器。
3.一种基于权利要求1所述装置的实验方法，分为水箱中无水、水箱中不同水位、水箱中不同水温和水箱中不同水体流速四种情况，其特征在于：
实验操作步骤如下：
S1：设备开机，打开测控箱电源开关，程序初始化；
S2：使光纤光栅传感解调仪和光纤光栅传感器处在工作状态；
S3：调节变频电机；
S4：根据实验方案的设定值调节负载大小、水箱中水位、水箱中水温和水体流速，来模拟水下不同环境；
S5：MCU计算处理采集到的数据信号，储存并显示数据信息；
S6：完成实验，设备待机。
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