CN108375437A - 基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，包括以下步骤：1)在轴系上安装逆磁致伸缩扭矩测试装置；2)采集扭矩信号：通过磁路计算或试验得到测试装置中包括放大倍数,灵敏度,线性度,量程在内的特征参数，进而得到输出电压信号与扭矩的对应关系；3)逆磁致伸缩扭矩测试装置测得的电压信号为U，灵敏度为K，转速传感器测得的转速信号为n，计算轴系实际工作时的功率。本发明工艺简单，能保证测量精度。

Description

基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法

技术领域

本发明涉及轴功率测量技术，尤其涉及一种基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法。

背景技术

在线监测船舶轴功率可以判断柴油机运行状态是否良好,也可以用于判断船-机-桨三者之间的匹配状态；结合油耗、转速等参数，可为船舶的经济航行提供技术支持。因此，开展船舶柴油机轴功率在线测试技术研究，对于提高船舶动力系统的安全性、可靠性和经济性具有十分重要的意义。

轴功率测试过程中,转速信号的采集已趋近成熟,而扭矩信号的获取还有待进一步发展。现有的轴功率测试装置主要有钢弦式测功仪，相位差式测功仪，应变片无线遥测系统。钢弦式测功仪与相位差式测功仪存在结构复杂、安装要求高、体积庞大、拆装困难等问题，应变片要求极度严格的粘贴与接线工艺，所以大多只适用于测量轴系匀速转动或静止情况下的功率，一旦应用于船舶，往往存在着测量结果偏差大、测量精度不高等问题。扭矩测试的一个重要发展方向就是在动态条件下实现非接触式测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，包括以下步骤：

1)在轴系上安装逆磁致伸缩扭矩测试装置，具体如下：选择磁致伸缩敏感材料,将其粘贴或均匀喷涂在船舶轴的测试表面，在磁致伸缩材料的正上方，通过支架分别沿船舶轴的轴向45°与135°固定2个磁探头，在磁探头的激励线圈端输入激励信号后,感应线圈端输出电信号；

2)采集扭矩信号：通过磁路计算或试验得到测试装置中包括放大倍数,灵敏度,线性度,量程在内的特征参数，进而得到输出电压信号与扭矩的对应关系；

3)逆磁致伸缩扭矩测试装置测得的电压信号为U，灵敏度为K，转速传感器测得的转速信号为n，则轴系实际工作时的功率为:

按上述方案，所述磁探头为绕有线圈的磁芯，用于产生交变磁场及感应交变磁场。

按上述方案，所述2个磁探头的连接方式如下：2个磁探头中的激励线圈与激励线圈串联,感应线圈与感应线圈串联。

按上述方案，所述磁探头与测试表面磁致伸缩敏感材料之间的距离为1至2mm。

按上述方案，所述步骤1)中磁探头的激励线圈端输入的激励信号产生的磁场强度在磁致伸缩材料B-H曲线的线性段内。

按上述方案，所述粘贴或均匀喷涂在船舶轴测试表面的磁致伸缩敏感材料相对轴不会滑动。

按上述方案，所述磁致伸缩敏感材料为Fe基非晶态合金或Ni基非晶态合金或超磁致伸缩材料，如FeGa合金。

按上述方案，所述磁致伸缩敏感材料为磁致伸缩系数较大，饱和磁感应强度较小的材料。

本发明产生的有益效果是：

1.由于逆磁致伸缩扭矩测试单元的敏感材料是粘贴或喷涂在轴的表面，所以材料不会相对轴滑动，不会影响测量精度，也不需要维护；

2.磁致伸缩材料不存在像应变片那样要求极度严格的粘贴与接线工艺，操作简单；

3.逆磁致伸缩扭矩测量可以直接获取无线信号，不需要发射端与接收端这样的中间环节，所以信号受到的干扰减少，响应速度相对提高。

4.由于逆磁致伸缩扭矩测试单元中的磁场是闭合磁路，磁场较强，外部电机产生的磁场对它的影响可以忽略，所以它的稳定性较磁电测功仪要高。

5.逆磁致伸缩扭矩测试单元的结构简单、体积小，能很好地解决船舶空间有限的问题。

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为本发明实施例中逆磁致伸缩扭矩测试装置的结构图；

图2为本发明实施例中逆磁致伸缩扭矩测试单元的测试系统示意图；

图3为本发明实施例中磁致伸缩材料在未受到扭矩时内部磁分子的排列顺序示意图；

图4为本发明实施例中磁致伸缩材料在受到扭矩时内部磁分子的排列顺序示意图；

图5为本发明实施例中逆磁致伸缩扭矩测试单元等效磁路图；

图6为本发明实施例的方法流程图。

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。

如图6所示，本发明提供一种实时在线非接触式轴功率测量方法，通过逆磁致伸缩效应将轴系产生的扭矩信号转变为电信号来间接测量轴系的轴功率.其具体步骤如下:

S1：选择磁致伸缩系数较大,饱和磁感应强度较低的磁致伸缩材料为敏感材料,将其粘贴或均匀喷涂在轴系约10cm长的测试表面,材料沿轴线一圈喷涂或粘贴，如图1所示.在磁致伸缩材料的正上方，通过支架分别沿轴向45°与135°固定2个磁探头(由磁芯与线圈组成)，磁探头与测试表面之间的距离约为1-2mm，将2个磁探头中的激励线圈与激励线圈串联,感应线圈与感应线圈串联,如图2所示,在激励线圈端输入激励信号后,感应线圈端会输出电信号,电信号经过采集,放大,调零,整流,滤波等后处理电路后输入上位机；

S2：逆磁致伸缩扭矩测试单元构建完成后，通过磁路计算或试验得到测试单元的放大倍数,灵敏度,线性度,量程等特征参数，进而得到输出电压信号与扭矩的对应关系；

S3:当磁致伸缩材料未受到应力时，其内部磁分子呈杂乱无章排列，如图3所示，当轴系转动后，磁致伸缩材料受到45°方向的主压应力与135°方向的主拉应力作用，其内部磁分子呈有序排列，如图4所示，从而造成磁致伸缩材料的磁导率发生改变，沿压力方向磁导率降低、沿拉力方向磁导率增加，这些变化以感应电压的形式表现出来，进而得到扭矩值，其等效磁路图如图5所示；

S4：逆磁致伸缩扭矩测试单元测得的电压信号为U，灵敏度为K，转速传感器测得的转速信号为n，则轴系实际工作时的功率为:

在本发明中，只需在轴上粘贴或喷涂磁致伸缩材料即可测量轴系任意段的扭矩，再结合转速传感器进而得到轴功率，若配合相应的上位机软件系统，则能够实时非接触地监测轴系在任意时刻的扭矩、转速及轴功率的变化.本发明方法使用的测量装置简单易行、拆装及调试方便，既不存在像应变片那样要求极度严格的粘贴与接线工艺，也不需要复杂的无线发射装置，具有高度的稳定性，适合船舶轴功率的在线监测。

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 (8)

1.一种基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在轴系上安装逆磁致伸缩扭矩测试装置，具体如下：选择磁致伸缩敏感材料,将其粘贴或均匀喷涂在船舶轴的测试表面，在磁致伸缩材料的正上方，通过支架分别沿船舶轴的轴向45°与135°固定2个磁探头，在磁探头的激励线圈端输入激励信号后,感应线圈端输出电信号；

2)采集扭矩信号：通过磁路计算或试验得到测试装置中包括放大倍数,灵敏度,线性度,量程在内的特征参数，进而得到输出电压信号与扭矩的对应关系；

3)逆磁致伸缩扭矩测试装置测得的电压信号为U，灵敏度为K，转速传感器测得的转速信号为n，则轴系实际工作时的功率为:

2.根据权利要求1所述的基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，其特征在于，所述磁探头为绕有线圈的磁芯，用于产生交变磁场及感应交变磁场。

3.根据权利要求1所述的基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，其特征在于，所述2个磁探头的连接方式如下：2个磁探头中的激励线圈与激励线圈串联,感应线圈与感应线圈串联。

4.根据权利要求1所述的基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，其特征在于，所述磁探头与测试表面磁致伸缩敏感材料之间的距离为1至2mm。

5.根据权利要求1所述的基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，其特征在于，所述步骤1)中磁探头的激励线圈端输入的激励信号产生的磁场强度在磁致伸缩材料B-H曲线的线性段内。

6.根据权利要求1所述的基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，其特征在于，所述粘贴或均匀喷涂在船舶轴测试表面的磁致伸缩敏感材料相对轴不会滑动。

7.根据权利要求1所述的基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，其特征在于，所述磁致伸缩敏感材料为Fe基非晶态合金或Ni基非晶态合金或超磁致伸缩材料。

8.根据权利要求1所述的基于逆磁致伸缩效应的船舶轴功率测量方法，其特征在于，所述磁致伸缩敏感材料为磁致伸缩系数大，饱和磁感应强度小的材料。