CN107576389A - 一种船舶轴系扭振监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶轴系扭振监测装置，其通过设置压电发电模块采集轴系振动产生的机械能量并将其转换为电能，然后通过能量收集存储模块对其进行处理得到恒定直流电，然后直接向监测模块供电的同时，存储剩余电量，而当压电发电模块产生的电量较小时，该能量收集存储模块通过存储的电量向该监测模块供电。也即是说，当轴系振动幅度低于或等于第一预设扭振阈值时，压电发电模块产生的电能较弱，振动监测装置进入休眠模式，由存储的电量供电；当轴系振动幅度高于第二预设扭振阈值时，压电发电模块产生的电能较强，振动监测装置进行监测模式，由转换得到的恒定直流电供电。因此，压电模块总能满足设定的振动幅度监测范围的需要，进而保证了监测装置的长期有效的工作，延迟扭振监测的持续时间，也充分利用资源，节约了成本。

Description

一种船舶轴系扭振监测装置

技术领域

本发明涉及轴系扭振监测技术，尤其涉及一种船舶轴系扭振监测装置。

背景技术

船舶推进轴系是船舶动力装置系统中的重要部件，发生故障所引发的事故后果相当严重，因此，其可靠性和稳定性对于船舶安全具有重要意义。通常，船舶投入营运前，都需要进行轴系扭振测试，且在轴系的故障诊断中也需要进行轴系扭振测试，而轴系扭振测试中，能量供应是非常重要的。

目前，传统的轴系扭振测试都是采用应变片来获取振动信号，并由电池向应变片供电。然而由于电池使用寿命有限，要保证轴系扭振监测的连续性，就必须要停车更换电池，从而导致实际操作中非常困难。因此，如何为监测装置提供足够的、长期的能量，从而保证整个监测装置的长期有效的工作，延长扭振监测的持续时间是当前亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种船舶轴系扭振监测装置，该轴系扭振监测装置能够长期有效的工作。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种船舶轴系扭振监测装置，其特征在于，包括依次相连的压电发电模块、能量收集存储模块和监测模块，其中，

所述压电发电模块用于在轴系振动的作用下产生交流电；

所述能量收集存储模块用于收集所述压电发电模块所产生的交流电，并将所述交流电转换为恒定直流电，然后向所述监测模块供电，同时存储剩余电量；且当所述监测模块监测得到所述船舶轴系的扭振幅度小于或等于第一预设扭振阈值时(即当所述压电发电模块产生的电能较小时)，利用存储的电量向所述监测模块供电；

所述监测模块用于监测所述船舶轴系的振动状态。

其中，所述压电发电模块采用双晶悬臂梁式压电振子。

其中，所述能量收集存储模块包括：能量收集器、并联电池充电器和两个并联的锂电池，

所述能量收集器的输入端与所述压电发电模块的输出端相连，所述能量收集器的第一输出端与所述监测模块的供电端相连，所述能量收集器的第二输出端通过所述并联电池充电器分别与两个所述锂电池相连，所述锂电池还与所述监测模块的供电端相连；

当所述船舶轴系发生扭振时，所述能量收集器收集所述压电发电模块在所述扭振作用下产生的交流电，并将所述交流电转换为恒定直流电，然后向所述监测模块供电，同时通过所述并联电池充电器对所述锂电池充电；且当所述监测模块监测得到所述船舶轴系的扭振幅度小于或等于第一预设扭振阈值时，由所述锂电池向所述监测模块供电。

其中，所述监测模块包括：微处理器、无线传输单元和传感器，所述微处理器分别与所述无线传输单元和所述传感器相连，所述传感器的供电端与所述能量收集存储模块的输出端相连，其中，

所述传感器用于监测并采集所述船舶轴系的扭振数据；所述微处理器用于对所述传感器所采集的扭振数据进行处理，并通过所述无线传输单元发送至外部装置；且当根据所述传感器所采集到的扭振数据，判断出所述船舶轴系扭振幅度小于或等于第一扭振阈值时，控制所述监测模块进入休眠模式；且在休眠模式下，当根据所述传感器所采集到的扭振数据，判断出所述船舶轴系扭振幅度大于或等于第二扭振阈值时，控制所述监测模块进入监测模式，或者，当所述微处理器的电量大于或等于预设电量阈值时，控制所述监测模块进入监测模式。

其中，所述能量收集器包括芯片LTC3588-1，所述并联电池充电器包括两个并联的芯片LTC4071，所述存储电池包括并联的两个LIR750锂电池。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明的船舶轴系监测装置和方法通过设置压电发电模块采集轴系振动产生的机械能量并将其转换为电能，然后通过能量收集存储模块对其进行处理得到恒定直流电，然后直接向监测模块供电的同时，存储剩余电量。

本发明中，该监测模块采用非持续工作模式(即工作于监测模式或休眠模式)，从而使压电发电模块电能产生与监测模块电能消耗相匹配，即当轴系振动幅度较大时，监测模块处于监测模式，且此时压电发电模块产生的电能较大，则由该能量收集存储模块将轴系振动产生的机械能转换为电能直接向该监测模块供电；而当轴系振动幅度微小时，压电发电模块产生电能微小，且此时，该监测模块处于休眠模式，其电能需求也减少，因此，可通过已存储的电量直接向监测模块供电，从而为监测装置提供持续的能量，进而保证了监测装置的长期有效的工作，延迟扭振监测的持续时间，也充分利用资源，节约了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的船舶轴系扭振的一实施例的模块结构图；

图2是图1中压电发电模块的一具体实施例的结构示意图；

图3是图2中压电发电模块输出功率-激振频率关系图；

图4是图1中能量收集存储模块的一具体实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于轴系振动的过程中也会产生能量，因此，为了充分的利用这些能量，本发明通过收集轴系振动产生的能量，并加以存储，从而为监测装置提供持续的能量，进而保证了监测装置的长期有效的工作，延迟扭振监测的持续时间，也充分利用资源，节约了成本。

实施例一

参见图1，为本发明的一种船舶轴系扭振监测装置的一实施例的功能模块图，具体地，本实施例中该轴系扭振监测装置包括依次相连的压电发电模块11、能量收集存储模块12和监测模块13，其中，

该压电发电模块11用于在外界激振力的作用下，产生交流电；具体地，参见图2，该压电发电模块11采用双晶悬梁式压电振子，其包括自上而下依次层叠设置的第一压电层21、中性层22和第二压电层23(该第一压电层和第二压电层各自通过导电胶分别粘接在该中性层的上下相对的两个端面)，其中，该第一压电层21和第二压电层23采用PZT-5H压电陶瓷制成，而该中性层22采用可导电青铜薄板制成，其工作原理是：随外界激振力振动，压电层产生变形，由于压电效应，表面产生电荷，当振动停止，变形恢复，则电荷消失，当外界激振频率等于该压电振子的固有频率时，即处于谐振状态时，压电层产生最大变形，输出电压或电荷量最大；在一具体实施例中，该压电振子长度为50mm，宽度为10mm，厚度为1.3mm，当该压电振子在幅值电压V_p-p为0.3V的简谐正弦激振力的作用下，不同激振频率其输出功率如图3所示，可以看出，压电振子在54.05Hz的激振频率下，变形最大，发电能力最强，功率为945μW；

该能量收集存储模块12用于收集该压电发电模块11所产生的交流电，并将其转换为恒定直流电，然后向监测模块13提供电能，同时将存储剩余的电能；具体地，参见图1，该能量收集存储模块12包括能量收集器121、并联电池充电器122和两个并联的锂电池123，其中，该能量收集器121的输入端与上述压电振子相连，该能量收集器121的第一输出端直接与上述的监测模块13的供电端相连，以向该监测模块13供电，该能量收集器121的第二输出端通过该并联电池充电器122分别与并联的两个锂电池123相连，以通过该锂电池43存储剩余的电量，该能量收集器的工作原理是：当船舶轴系发生扭振时，该能量收集器收集压电发电模块在该扭振作用下产生的交流电，并将该交流电转换恒定直流电，然后向监测模块供电，同时通过并联电池充电器向两个锂电池充电(即能量收集存储模块处于充电模式)，而当该船舶轴系振动幅度小于或等于第一预设振动幅度时，则该能量收集器控制该锂电池向该监测模块供电(即能量收集存储模块处于放电模式)；在一具体实施例中，该能量收集器121采用芯片LTC3588-1(其输入电压为2.7～20V输出电流高达100mA，可选输出电压为1.8V、2.5V、3.3V和3.6V，本实施例中选定输出电压为3.3V)，该并联电池充电器122采用芯片LTC4071，而该锂电池123采用LlR7508mAh锂电池，该能量收集存储模块的工作原理是：充电模式与放电模式交替运行，其中，充电模式为：当船舶轴系发生扭振时，压电振子在扭振激励作用下的弯曲变形产生微弱的交流电，芯片LTC3588-1收集电量并进行整流存储在第二电容C2上，然后转换成3.3V标准电压(通过引脚D0和D1)输出，以向监测模块(即应变片)供电，同时，存储在电容C2上的电能通过芯片LTC4071的调理，为锂电池充电(此过程中，芯片LT04071电池充电器在芯片LTC3588-1的作用下对锂电池进行断续或连续充电，充电电流范围为550nA～50mA)；放电模式为：当船舶轴系扭振的振动幅度小于或等于第一预设扭振阈值时，即压电振子输出电荷微小时，芯片LTC3588-1的VlN端电压下降充电电池开始向电容C2释放电荷，以向监测模块(即应变片)供电，使其正常工作；在一具体实施例中，该压电发电模块在监测模块处于休眠模式的时间内可积累的电荷约为100mA，大于节点收发一次所需能量，满足节点一次工作要求，同时，两块容量为8mAh的LIR750可充电锂电池可在约2h的时间里充满电；

该监测模块13用于监测轴系扭振，且当监测到扭振幅度小于或等于第一扭振阈值时，进入休眠模式，且在休眠模式下，当监测到扭振幅度大于或等于第二扭振阈值时，进入监测模式；具体地，参见图1，该监测模块13包括微处理器131、无线传输单元132和传感器133，该传感器133用于采集船舶轴系的扭振数据，并发送至该微处理器131；该微处理器131接收该传感器133所采集的扭振数据，并根据该扭振数据判断该船舶轴系扭振幅度是否小于或等于第一扭振阈值，若是，则控制该监测模块进入休眠模式，且当该监测模块在休眠模式下，该微处理器131再次根据传感器采集的扭振数据判断出该船舶轴系扭振幅度大于或等于第二扭振阈值时，则唤醒该监测模块，或者当该微处理器检测到该监测模块的电量/端电压大于或者等于预设阈值(即监测模块正常工作所需电压)时，唤醒该监测模块。

在一具体实施例中，该第一扭振阈值为该被监测部位轴系承受的扭振力矩或扭应力长期许用值的40％，当然，其还可根据船舶航行环境或船舶技术状况进行调整；第二扭振阈值为该被监测部位轴系承受的扭振力矩或扭应力瞬时许用值的40％，当然，其还可根据船舶船龄或船舶技术状况进行调整。

在一具体实施例中，该压电模块的休眠模式下，微处理器处于待机状态，无线传输单元处于空闲状态，传感器处于失电状态；该压电模块的检测模式下，微处理器、无线传输单元和传感器均处于正常工作状态。

在一具体实施例中，该微处理器采用MSP430F449单片机，无线传输模块采用nRF24L01无线收发器，传感器采用应变片，且该监测模块还包括外围电路，参见图4，具体地，该监测模块的工作原理是：应变片采集船舶轴系的扭振数据，并送入MSP430F449单片机进行处理，该MSP430F449单片机根据扭振数据判断该船舶轴系扭振幅度是否小于或等于第一扭振阈值，若是，则该微处理器进行进入待机状态，且该无线传输单元进入空闲状态，即该监测模块进入休眠模式，且当该监测模块在休眠模式下，该微处理器131再次根据传感器采集的扭振数据判断出该船舶轴系扭振幅度大于或等于第二扭振阈值时，则唤醒微处理器对扭振数据进行处理，并将处理过后的扭振数据通过nRF24L01无线收发器发送给外界的接收装置。

参见图4，本实施例中，该能量收集存储模块还包括电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻RT1、第四电阻R3、第五电阻RT2、二极管D1、第一发光二极管D2、第三发光二极管D3，其中，

第一芯片LTC3588-1的PZ1引脚和PZ2引脚分别与压电发电模块的两个输出引脚电连接，第一芯片LTC3588-1的PGOOD引脚与第三芯片P1，即压电发电模块的充电切换开关电连接；第一芯片LTC3588-1的VIN1引脚通过第二电容C2接地，第二电容C2与VIN1引脚之间的节点依次通过第一电阻R1、开关SW、第一发光二极管D2，分别与一个第二芯片LTC4071的VCC引脚和BAT引脚电连接；第一芯片LTC3588-1的CAP引脚通过第一电容C1与第二电容C2与VIN1引脚之间的节点电连接；第一芯片LTC3588-1的VIN2引脚、D1引脚、D0引脚通过第三电容C3接地；第一芯片LTC3588-1的SW引脚通过电感L1与第三芯片P1的电压输入引脚电连接；第一芯片LTC3588-1的OUT引脚通过第四电容C4接地，且OUT引脚与第四电容C4之间的节点与第三芯片P1的第一电压输入电连接；

第二芯片LTC4071的VCC引脚和DAT引脚还与第一电池BAT1的正极电连接，所述第一电池BAT1的负极分别与LBSET引脚、GND引脚，以及另一个第二芯片LTC4071的VCC引脚和BAT引脚电连接；第二芯片LTC4071的LBSET引脚接地；第二芯片LTC4071的NTCB引脚依次通过第二电阻R2和第三电阻RT1与接地；第二芯片LTC4071的NTC引脚与第二电阻R2和第三电阻RT1之间的节点电连接；第二芯片LTC4071的HBO引脚与第三芯片P1的第一高电量监视引脚电连接；第一电阻R1的两端并联有一个二极管D1，第一发光二极管D2的两端并联有第二发光二极管D3；

该另一个第二芯片LTC4071的BAT引脚和VCC引脚与第二电池BAT2的正极电连接，第二电池BAT2的负极接地，该另一个第二芯片LTC4071的NTCB引脚依次通过第四电阻R3和第五电阻RT2接地，该另一个第二芯片LTC4071的NTC引脚与第四电阻R3和第五电阻RT2之间的节点电连接；该另一个第二芯片LTC4071的HBO引脚与第三芯片P1的第二高电量监视引脚电连接。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种船舶轴系扭振监测装置，其特征在于，包括依次相连的压电发电模块、能量收集存储模块和监测模块，其中，

所述压电发电模块用于在轴系振动的作用下产生交流电；

所述监测模块用于监测所述船舶轴系的振动状态；

所述能量收集存储模块用于收集所述压电发电模块所产生的交流电，并将所述交流电转换为恒定直流电，向所述监测模块供电，同时存储剩余电量；且当所述监测模块监测得到所述船舶轴系的扭振幅度小于或等于第一预设扭振阈值时，利用所存储的电量向所述监测模块供电。

2.如权利要求1所述的船舶轴系扭振监测装置，其特征在于，所述压电发电模块采用双晶悬臂梁式压电振子。

3.如权利要求1或2所述的船舶轴系扭振监测装置，其特征在于，所述能量收集存储模块包括：能量收集器、并联电池充电器和两个并联的锂电池，

所述能量收集器的输入端与所述压电发电模块的输出端相连，所述能量收集器的第一输出端与所述监测模块的供电端相连，所述能量收集器的第二输出端通过所述并联电池充电器分别与两个所述锂电池相连，所述锂电池还与所述监测模块的供电端相连；

当所述船舶轴系发生扭振时，所述能量收集器收集所述压电发电模块在所述扭振作用下产生的交流电，并将所述交流电转换为恒定直流电，然后向所述监测模块供电，同时通过所述并联电池充电器对所述锂电池充电；且当所述监测模块监测得到所述船舶轴系的扭振幅度小于或等于第一预设扭振阈值时，由所述锂电池向所述监测模块供电。

4.如权利要求1或2所述的船舶轴系扭振监测装置，其特征在于，所述监测模块包括：微处理器、无线传输单元和传感器，所述微处理器分别与所述无线传输单元和所述传感器相连，所述传感器的供电端与所述能量收集存储模块的输出端相连，其中，

所述传感器用于监测并采集所述船舶轴系的扭振数据；

所述微处理器用于对所述传感器所采集的扭振数据进行处理，并通过所述无线传输单元发送至外部装置；且当根据所述传感器所采集到的扭振数据，判断出所述船舶轴系扭振幅度小于或等于第一扭振阈值时，控制所述监测模块进入休眠模式；且休眠模式下，当根据所述传感器所采集到的扭振数据，判断出所述船舶轴系扭振幅度大于或等于第二扭振阈值时，控制所述监测模块进入监测模式，或者，当判断出所述监测模块的端电压大于或等于预设电量阈值时，控制所述监测模块进入监测模式。

5.如权利要求3所述的船舶轴系扭振监测装置，其特征在于，所述能量收集器包括第一芯片LTC3588-1，所述并联电池充电器包括并联的两个第二芯片LTC4071，所述存储电池包括并联的第一电池BAT1和第二BAT2。

6.如权利要求5所述的船舶轴系扭振监测装置，其特征在于，所述能量收集存储模块还包括电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻RT1、第四电阻R3、第五电阻RT2、二极管D1、第一发光二极管D2、第三发光二极管D3，其中，

所述第一芯片LTC3588-1的PZ1引脚和PZ2引脚分别与所述压电发电模块的两个输出引脚相连，所述第一芯片LTC3588-1的PGOOD引脚与所述压电发电模块的充电切换开关相连；

所述第一芯片LTC3588-1的VIN1引脚通过第二电容C2接地，所述第二电容C2与VIN1引脚之间的节点依次通过第一电阻R1、开关SW、第一发光二极管D2，分别与一个第二芯片LTC4071的VCC引脚和BAT引脚电连接；

所述第一芯片LTC3588-1的CAP引脚通过第一电容C1与所述第二电容C2与VIN1引脚之间的节点电连接；所述第一芯片LTC3588-1的VIN2引脚、D1引脚、D0引脚通过第三电容C3接地；所述第一芯片LTC3588-1的SW引脚通过电感L1与所述压电发电模块的电压输入引脚电连接；所述第一芯片LTC3588-1的OUT引脚通过第四电容C4接地，且所述OUT引脚与第四电容C4之间的节点与所述压电发电模块的电压输入引脚电连接；

所述第二芯片LTC4071的VCC引脚和DAT引脚还与第一电池BAT1的正极电连接，所述第一电池BAT1的负极分别与LBSET引脚、GND引脚，以及另一个第二芯片LTC4071的VCC引脚和BAT引脚电连接；所述第二芯片LTC4071的LBSET引脚接地；所述第二芯片LTC4071的NTCB引脚依次通过第二电阻R2和第三电阻RT1与接地；所述第二芯片LTC4071的NTC引脚与所述第二电阻R2和所述第三电阻RT1之间的节点电连接；所述第二芯片LTC4071的HBO引脚与所述压电发电模块的第一高电量监视引脚电连接；所述第一电阻R1的两端并联有一个二极管D1，所述第一发光二极管D2的两端并联有第二发光二极管D3；所述另一个第二芯片LTC4071的BAT引脚和VCC引脚与第二电池BAT2的正极电连接，所述第二电池BAT2的负极接地，所述另一个第二芯片LTC4071的NTCB引脚依次通过第四电阻R3和第五电阻RT2接地，所述另一个第二芯片LTC4071的NTC引脚与第四电阻R3和第五电阻RT2之间的节点电连接；所述另一个第二芯片LTC4071的HBO引脚与所述压电发电模块的第二高电量监视引脚电连接。