CN106940169A - 一种轴系顶升数据采集及处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶轴承安装测量技术领域，为了减小由仪器精度以及人工读数所带来的误差对所得的实际负荷的影响，快速测量当前轴承所处状态的装置，本发明提供了这样一种轴系顶升数据采集及处理装置，包括光栅尺、压力传感器和信号采集系统，光栅尺和压力传感器安装在轴承与千斤顶之间，将位移信号和压力信号转换成电信号，经数据线传入信号采集系统进行限幅平均滤波法降噪及放大处理，再将处理后信号传入外接计算机，配合相应软件进行实时绘图处理，得出当前轴承的位移量及负荷。本发明达到了减小仪器及环境对数据采集的影响，方便快速的采集数据的效果。

Description

一种轴系顶升数据采集及处理装置

技术领域

本发明属于船舶轴承安装测量技术领域，尤其涉及一种轴系顶升数据采集及处理装置。

背景技术

船舶轴系在设计时应保证有足够的强度、刚度外，在进行船舶轴系在安装时应该保证它具有合理的状态，使得轴系各段内的应力及各轴承上的载荷均在合理的范围之内。虽然理论计算和建模仿真可以尽可能地去模拟和逼近实际船舶轴系的实际运转情况，其结果仍然会与实际情况有较大误差。因此，对于轴系校中状态的实际测量就显得格外重要。因为只有测试到轴系的真实数据，才可以真实地反映出轴系校中时的各种实际情况，包括各个轴承的实际负荷、轴段内的应力、弯矩和各截面转角等参数的实际数值，这对于评价船舶轴系校中的质量具有重要的价值。在实际操作过程中采用理论计算和现场实际测量方法相结合来进行轴系的合理校中。

关于轴承负荷的测试方法，目前常用的有四种——弹簧测力计法、电子测力计、液压千斤项测量轴承负荷和电阻应变片法。前两种可以直接读出负荷的值来，缺点是只能测量中间轴承的。千斤顶虽然不能直接读出测量轴承的负荷值，但是通过描绘千斤顶顶举曲线图，从而可以算出轴承负荷。电阻应变片法是通过测量轴系有关截面上的弯矩，然后按弯矩计算轴承负荷。在实际中只要通过应变片得到对应轴截面的弯矩值就可以相关公式计算出所有轴承的负荷值。在实际测量中，除了测量设备本身的误差外，人为的误差主要是，各测量点粘贴的应变片没有沿轴向在同一条直线上，或者应变片粘贴的位置与理论计算截面弯矩影响系数的位置没有完全重合，这是实测中引起测量误差的两个最主要的因素。这种方法可以得到轴系各轴承上的负荷(包括艉轴管后轴承负荷)，并可进行动态测量。

现采用顶举法进行现场实测来进行轴系的合理校中。顶举法测量轴承负荷设备简单，操作方便，已在国内外各修造船厂被广泛应用。采用千斤顶顶举法测量轴承负荷，就是在轴系的某一位置放置液压千斤顶，将轴逐渐顶起，使被测轴承与轴颈完全脱开。在顶起的过程中,用百分表记录轴的升高量和液压千斤顶的顶升油压值，绘制顶举曲线图，求得千斤顶替代被测轴承时的顶升油压值，换算为顶举力后，乘以顶举系数，即可得到被测轴承的实际负荷。目前轴系顶举试验中，压力及位移数据都采用人工记录的方式，再由这些数据绘制出顶举曲线。这种方式不仅速度慢，而且易出错。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种轴系顶升数据采集及处理装置，达到减小仪器及环境对轴承测量状态的影响，方便快速地采集轴承当前状态数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种轴系顶升数据采集及处理装置，包括光栅尺、压力传感器和信号采集系统，光栅尺由标尺光栅和光栅读数头组成，标尺光栅固定在轴承的上端面，千斤顶置于轴承的正下方，压力传感器固定在千斤顶的顶部，压力传感器的位置处于标尺光栅的正下方，光栅尺的位移信号和压力传感器的压力信号经数据线传入信号采集系统进行降噪处理及放大处理，再将处理后信号传入外接计算机。配合相应软件进行实时绘图处理，由计算机完成数据处理及记录，分析出上升线、下降线和平均线，生成顶举曲线，得出当前轴承的位移量及负荷。

按上述技术方案，所述降噪处理具体为，信号采集系统将每次采样得到的位移信号和压力信号数据先进行限幅处理,再送入队列进行递推平均滤波处理。鉴于船厂工作条件差，对数据采集干扰大，本发明选用限幅平均滤波法达到降噪滤波的目的，每次采样到的位移信号和压力信号数据先进行限幅处理,再送入队列进行递推平均滤波处理。该方法融合了两种滤波法的优点，不仅能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，并且对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度高，对于偶然出现的脉冲性干扰,可消除由其所引起的采样值偏差。在经过滤波后，能量有所损失，故通过差分放大器将信号放大。通过USB接口将数据导入外接计算机。配合相应软件进行实时绘图处理，得出当前轴承的位移量及负荷。

按上述技术方案，信号采集系统包括电源控制主板、单片机、光栅尺输入接口、压力传感器输入接口、USB输出接口、电源接口、电源开关、机壳，电源控制主板、单片机固定于机壳内部，电源接口与电源控制主板连接，电源控制主板为信号采集系统提供电力，机壳上设置光栅尺输入接口和压力传感器输入接口，光栅尺的输出端与光栅尺输入接口的一端连接，压力传感器的输出端与压力传感器输入接口的一端连接，光栅尺输入接口的另一端、压力传感器输入接口的另一端分别与单片机的输入端连接，单片机的输出端通过USB输出接口与外接计算机连接。

按上述技术方案，USB输出接口、电源开关和电源接口分别设置在机壳的两侧。

按上述技术方案，光栅尺的位移信号和压力传感器的压力信号采用光电隔离输入，通过单片机实现与模拟量同步输出。单片机的通道间同步误差小于2ns，总采样频率不低于100K。

本发明产生的有益效果是：解决了船舶轴承安装工艺中，仪器及环境对数据采集干扰大，数据采集耗时长的缺点，本发明轴系顶升数据采集及处理装置达到了减小仪器及环境对数据采集的影响，方便快速地采集数据的效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例轴系顶升数据采集及处理装置的结构示意图；

图2为信号采集系统输入接口示意图；

图3为光栅尺安装示意图；

图4为压力传感器安装示意图；

附图中的标记为：1-信号采集系统，2-光栅尺，3-压力传感器，4-数据线，11-电源控制主板，12-集线器、13-单片机，14-光栅尺输入接口，15-压力传感器输入接口，16-USB输出接口，17-电源接口，20-光栅尺数据线，21-压力传感器数据线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种轴系顶升数据采集及处理装置，包括光栅尺、压力传感器和信号采集系统，光栅尺由标尺光栅和光栅读数头组成，标尺光栅固定在轴承的上端面，千斤顶置于轴承的正下方，压力传感器固定在千斤顶的顶部，压力传感器的位置处于标尺光栅的正下方，光栅尺的位移信号和压力传感器的压力信号经数据线传入信号采集系统进行降噪处理及放大处理，再将处理后信号传入外接计算机。配合相应软件进行实时绘图处理，由计算机完成数据处理及记录，分析出上升线、下降线和平均线，生成顶举曲线，得出当前轴承的位移量及负荷。

进一步地，所述降噪处理具体为，信号采集系统将每次采样得到的位移信号和压力信号数据先进行限幅处理,再送入队列进行递推平均滤波处理。鉴于船厂工作条件差，对数据采集干扰大，本发明选用限幅平均滤波法达到降噪滤波的目的，每次采样到的位移信号和压力信号数据先进行限幅处理,再送入队列进行递推平均滤波处理。该方法融合了两种滤波法的优点，不仅能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，并且对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度高，对于偶然出现的脉冲性干扰,可消除由其所引起的采样值偏差。在经过滤波后，能量有所损失，故通过差分放大器将信号放大。通过USB接口将数据导入外接计算机。配合相应软件进行实时绘图处理，得出当前轴承的位移量及负荷。

本发明实施例中，进一步地，信号采集系统包括电源控制主板、单片机、光栅尺输入接口、压力传感器输入接口、USB输出接口、电源接口、电源开关、机壳，电源控制主板、单片机固定于机壳内部，电源接口与电源控制主板连接，电源控制主板为信号采集系统提供电力，机壳上设置光栅尺输入接口和压力传感器输入接口，光栅尺的输出端与光栅尺输入接口的一端连接，压力传感器的输出端与压力传感器输入接口的一端连接，光栅尺输入接口的另一端、压力传感器输入接口的另一端分别与单片机的输入端连接，单片机的输出端通过USB输出接口与外接计算机连接。

进一步地，USB输出接口、电源开关和电源接口分别设置在机壳的两侧。

其中，光栅尺输入接口、压力传感器输入接口可以设置多组，方便信号采集系统同时采集多组位移信号和压力信号数据。单片机实现输入信号的信号降噪调理以及将输入信号放大等功能，最后实现模拟量同步输出，通过USB输出接口将数据输出。信号采集系统中还包括集线器，集线器固定于机壳内部。

本发明实施例中，进一步地，光栅尺的位移信号和压力传感器的压力信号采用光电隔离输入，通过单片机实现与模拟量同步输出。单片机的通道间同步误差小于2ns，总采样频率不低于100K。

本发明的较佳实施例中，提供一种轴系顶升数据采集及处理装置，如图1-图4所示，包括光栅尺、压力传感器和信号采集系统。信号采集系统包括电源控制主板11、单片机13、光栅尺输入接口14、压力传感器输入接口15、USB输出接口16、电源接口17、电源开关、机壳，电源控制主板、单片机固定于机壳内部，电源接口与电源控制主板连接，电源控制主板为信号采集系统提供电力，机壳上设置光栅尺输入接口和压力传感器输入接口，光栅尺的输出端与光栅尺输入接口的一端连接，压力传感器的输出端与压力传感器输入接口的一端连接，光栅尺输入接口的另一端、压力传感器输入接口的另一端分别与单片机的输入端连接，单片机的输出端通过USB输出接口与外接计算机连接。由光栅尺2和压力传感器3将位移信号和压力信号转变为电信号，经数据线4，由光栅尺输入接口14和压力传感器接口15输入信号采集系统1，其中各输入线路先经过集线器12(集线器在此处起到固定线路的作用)，之后再通过信号采集系统的单片机13对数据进行降噪滤波及放大处理，通过程序编写，利用C语言以及基于WindowsXP及以上平台，将单片机的处理系统分为多个模块，分别执行滤波处理、数据实时采集和放大输出等不同功能，本发明实施例中包括4路光栅尺输入(TTL)，6路AD输入且采样精度不低于16位。通道间同步误差小于2ns，总采样频率不低于100K。最终，将两组或多组同时采集的位移信号和压力信号数据以数字化信号的形式同步输出，通过USB输出接口将数据导入外接计算机对应的软件系统，从而达到了采集顶升试验所需参数并以数字化的形式显示出测量值这一目的，减小仪器及环境对数据采集的影响，方便快速的采集数据的效果。光栅尺2通过光栅尺数据线20将信号输出，经光栅尺输入接口14输入信号采集系统1。压力传感器3能够测得轴承的实际负荷，通过压力传感器数据线21将信号输出，经压力传感器输入接口15输入信号采集系统1。

其中，如图1所示，光栅尺2固定在轴承上，使其与压力传感器3、千斤顶在同一垂线上。压力传感器3放置在千斤顶上，上表面与轴承接触，压力直接作用在膜片上使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使压力传感器的电阻发生变化，压力传感器通过压力传感器数据线21，将信号传入信号采集系统，如图4所示。在实际顶举测试时，压力传感器和光栅尺的精度将直接影响绘图和计算结果的精度，故采用灵敏度较高的光栅尺和压力传感器，以保证该系统的精度。并且该压力传感器和光栅尺体积小，能适用于船舱内的测量，能适应恶劣的环境，并同时有效地将信号输入信号采集系统，是信号采集系统必不可少的配件。

将压力和位移数据采集到外接计算机中，直接利用计算机来生成顶举曲线，生成曲线速度快，精度高，能为船舶轴系合理安装提供准确依据。减小由仪器精度以及人工读数所带来的误差对所得的实际负荷的影响，快速测量当前轴承所处状态。将被测参数自动转换成可直接观测指示或者等效信息。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种轴系顶升数据采集及处理装置，其特征在于，包括光栅尺、压力传感器和信号采集系统，光栅尺由标尺光栅和光栅读数头组成，标尺光栅固定在轴承的上端面，千斤顶置于轴承的正下方，压力传感器固定在千斤顶的顶部，压力传感器的位置处于标尺光栅的正下方，光栅尺的位移信号和压力传感器的压力信号传入信号采集系统进行降噪处理及放大处理，再将处理后信号传入外接计算机。

2.根据权利要求1所述的轴系顶升数据采集及处理装置，其特征在于，所述降噪处理具体为，信号采集系统将每次采样得到的位移信号和压力信号数据先进行限幅处理, 再送入队列进行递推平均滤波处理。

3.根据权利要求1或2所述的轴系顶升数据采集及处理装置，其特征在于，信号采集系统包括电源控制主板、单片机、光栅尺输入接口、压力传感器输入接口、USB输出接口、电源接口、电源开关、机壳，电源控制主板、单片机固定于机壳内部，电源接口与电源控制主板连接，电源控制主板为信号采集系统提供电力，机壳上设置光栅尺输入接口和压力传感器输入接口，光栅尺的输出端与光栅尺输入接口的一端连接，压力传感器的输出端与压力传感器输入接口的一端连接，光栅尺输入接口的另一端、压力传感器输入接口的另一端分别与单片机的输入端连接，单片机的输出端通过USB输出接口与外接计算机连接。

4.根据权利要求3所述的轴系顶升数据采集及处理装置，其特征在于，USB输出接口、电源开关和电源接口分别设置在机壳的两侧。

5.根据权利要求3所述的轴系顶升数据采集及处理装置，其特征在于，单片机的通道间同步误差小于2ns，总采样频率不低于100K。