CN108981991A - 光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是依据实际船舶的需求设计的，在得到轴的振动信息之后，采用两个高速漫反射式光纤式光电传感器和两条黑白双色反光条纹贴膜，利用光纤式光电传感器的能够识别反光值和设定反光值来决定输出信号的通与断，得到两路脉冲信号，通过FPGA设计的硬件电路对信号进行采集、处理，并通过两次不同的状态(初始状态和负载状态)测量，初始偏差和负载偏差相结合，降低安装和维护难度并且在FPGA芯片中进行计算。在FPGA芯片中通过ASCII直接将计算的信息(转速，扭转角，轴功率)进行输出，在采集板上数码管显示出转速和轴功率，显示为折线图，更加直观明了的观察到轴功率、转速等参数的波动信息，可以做到是实时监测船舶的转速和轴功率信息。

Description

光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪和测量方法

技术领域

本发明涉及力学原理以及信号发生和处理的实际应用，测量实时动态船舶轴功率装置实现。

背景技术

一方面，在船舶的主动力系统中，主机转速以及主机功率是船舶极其重要参数，尤其是主机的输出轴功率在船舶整个动力系统参数中占有着举足轻重的地位。船舶轴功率在实际应用的过程中发挥着重要的作用，新建造的船舶或是船舶结构或设备变动较大船舶，经过修理后船舶或是轴系发生机械故障或主机输出轴的转速无法提升。船舶经过修理之后，主机的负荷特性可能会发生变化，如果桨的部分参数发生变化，那么负荷的特性曲线也将会产生变化。

另一方面，实船的轴功率测量又不能采用像实验室内部的吸收法来进行轴功率测量，现有的电磁式，安装测量精确度不够，应变式但其测量结果的准确度容易受到机舱环境(温度、湿度、粘贴剂等)影响干扰，长期使用损耗会增加，造成测量的不准确等。测量转速的自动化装置也越来越多，但功率的测量仪器的开发远远少于转速的开发。而与轴功率最接近的参数扭矩也经常是静态的测量方式，动态测量相对比较困难。近些年开发出来的功率测量仪器都有着特定的应用领域，难以满足机舱恶劣的环境。

现有开发出来对射式光电传感器利用光栅盘来测量轴功率，该方法存在着安装时难以确定初始的误差，并且光栅盘质量相对而言质量较大，会随着主机输出轴的长期转动发生未知程度的松动和变形，从而对测量结果准确度造成较大的影响。此外，由于采用对射式光电传感器安装时两个光电传感器之间光束的对中情况，在实际的运行过程中会发生未知情况的偏移。现在开发出来的漫反射式利用普通的漫反射光电传感器，其相应频率比较低，并且内部的元件容易受到机舱强磁强脉冲的干扰，造成信号质量出现较大波动；其测量精度同样面临着巨大的初始误差，后期的维护方面困难，测量的准确度容易受到干扰。

发明内容

对于测量船舶轴功率的测量过程容易受到电磁，温度等环境的影响以及成本高、安装复杂，开发一种能够适合机舱长期使用，并相对具有低成本、装置小、精度高，安装简便、寿命长的轴功率测量仪器。本发明意在解决安装困难(例如：光电传感器不对中)，安装完成之后初始偏差的消除，以及测量过程中测量器件发生未知性的偏移(例如：光栅盘长期运行出现变形和偏移)，以及日后维护困难的问题。

本发明采用具有高速响应频率漫反射式光纤式光电传感器(最高响应速度为25us)和可以认为设定的反光值以及结合条纹式反光贴膜，将信号的采集和计算过程集于一体，使得测量系统在硬件方面成为一个整体，直接得到运算结果转速、扭转角和轴功率。解决了光电传感器安装困难，光栅式光栅盘出现松动和偏移，以及后期维护的问题。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，其特征包含：

第一双色反光条纹贴膜与第二双色反光条纹贴膜，分别沿着圆周方向有间隔地贴合设置在主机轴上；每一个贴膜上的一个颜色的条纹反光，另一个颜色的条纹不反光；

第一漫反射式光纤式光电传感器，对准第一双色反光条纹贴膜，用于采集第一双色反光条纹贴膜的光变化信号并输出第一脉冲信号；

第二漫反射式光纤式光电传感器，对准第二双色反光条纹贴膜，用于采集第二双色反光条纹贴膜的光变化信号并输出第二脉冲信号；

FPGA信号采集与处理模块，获取轴的参数及经第一漫反射式光纤式光电传感器、第二漫反射式光纤式光电传感器采集处理得到的双色条纹式反光贴膜的反光信号进行计算，得出转速、轴功率、轴的扭转角。

优选地，所述第二双色反光条纹贴膜安装在靠近功率输出端的位置，所述第一双色反光条纹贴膜安装在远离功率输出端的位置；且，

第二双色反光条纹贴膜的条纹和第一双色反光条纹贴膜的条纹平行于轴的中心线；

所述第一漫反射式光纤式光电传感器与第二漫反射式光纤式光电传感器对准双色反光条纹贴膜的同一个颜色的中心区域。

优选地，所述轴的参数包含测量截取的长度、切变弹性模量、直径。

优选地，第一双色反光条纹贴膜与第二双色反光条纹贴膜的条纹贴膜的条纹数量是固有振动频率的10倍以上，能够测量的信号频率不低于5倍的固有振动频率；

第一双色反光条纹贴膜与第二双色反光条纹贴膜之间的安装距离。

优选地，进一步包含：

支架A和支架B，使其分别固定的第一漫反射式光纤式光电传感器和第二漫反射式光纤式光电传感器，垂直于轴的中心线来对准所述第一双色反光条纹贴膜和第二双色反光条纹贴膜；

信号放大器，设置在光纤式光电传感器之上，根据实际的需要来设定反光值信号大小；

光电电平转换模块，将所述第一漫反射式光纤式光电传感器、第二漫反射式光纤式光电传感器采集到的反光信号转换成电信号之后反馈给FPGA芯片。

优选地，所述测量仪还包含上位机，其与FPGA信号采集与处理模块输出端相连，用于显示FPGA信号采集与处理模块得出的转速、轴功率、轴的扭转角；

所述上位机通过UART串口将FPGA信号采集与处理模块得出的数据输出到上位机的客户端或服务器。

优选地，每一条双色反光条纹贴膜由黑、白条纹组成，黑色条纹不反光，白色条纹反光；

主机实时转速：

其中：n为主机实时转速(转/分钟)；Z为黑白双色条纹式反光贴膜上的条纹的对数(一黑一白为一对)；T为被测基准信号的周期；

其中：T_l代表旋转轴所承受的扭转力矩，单位为N*m；G代表材料的切变弹性模量，单位为N/m²；I_P代表轴的极惯性矩，单位为m⁴；D代表所测轴系截面直径，单位为m；L为实际测量过程中设置的两个截面之间的直线距离，单位为m；φ弹性轴在受到扭转力矩之后所产生的扭转角，单位为rad；

计算轴功率的公式：

一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量方法，利用所述的光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，在实际测量过程中，进行如下步骤：

步骤1：定义偏转方向，其包含第一漫反射式光纤式光电传感器的信号超前或滞后第二漫反射式光纤式光电传感器的信号；

步骤2：确定无负载时反光信号的初始偏差及转速；

步骤3：确定有负载时反光信号的负载偏差及转速；

步骤4：计算转速及轴的扭转角；

步骤5：计算功率。

优选地，以第二光纤式光电传感器的位置作为基准，其输出的信号作为基准信号来计算第一光纤式光电传感器输出的信号相对于第二光纤式光电传感器输出信号的偏差。

优选地，在光纤式光电传感器的信号放大器数字面板上显示出具体的反光值，并根据实际的需要的反光值，设置区分出高低电平的颜色值来控制放大器输出信号。

本发明和以往相比较，具有以下的特点:

1)采用漫反射式光纤式高速光电传感器的非接触式测量测量方法，其信号发射和接收集于一体，漫反射式光纤式光电传感器的响应频率远远高于实际测量过程中的需求，保证了得到的信号的及时性、正确性、稳定性。解决了光电传感器安装不对中以及产生信号不准确的问题。

2)光纤首先能够适应机舱环境、耐腐蚀性强、反映速度快、抗电磁干扰能力强、精度高、质量轻、体积小、安装简便、成本低等的优点，能够适应机舱的环境，解决了传感器的适应性问题。

3)采用黑白双色反光条纹贴膜，具有质量轻，粘附力高，容易随着轴的微变形而变形，由于自身质量非常轻，不会因为轴的转动而引起自身偏移。解决了测量器件自身偏移的问题。

4)信号采集和计算过程采用芯片分过程处理，分为初始偏差和负载偏差测量过程，做到最大化的消除初始偏差，并且也降低了安装时的难度。解决了初始偏差和安装困难的问题。

5)由于黑白双色条纹式反光贴膜生产成本低，容易更换。在后期贴膜如果出现人为破损情况，都能够随意的更换，并通过上位机或者信号采集计算的硬件板完成一次初始偏差测量即可完成一次维护；如果贴膜未损坏，仅仅通过一次初始偏差测量即可完成一次维护。解决了后期维护的问题。

通过以上特点可以表明，开发出来的轴功率测量仪器具有成本低，装置小，容易安装和更换，采用初始偏差与负载偏差形结合的模式保证了测量结果的准确性，也降低了实际过程中安装和维护的难度。同时也避免了传统上的只能测量转速或是只能测量静态轴功率的测量仪器。做到了一种工具，多种用途。

附图说明

图1是船舶主机轴功率测量结构图；

图2是局部反光贴膜外观；

图3是光纤头与反光贴膜上的安装情况示意图；

图4是信号a滞后于信号b的示意图；

图5是信号a超前于信号b的示意图；

图6是FPGA芯片内部控制与信号处理部分模块关系图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明是基于漫反射光纤式光电传感器和黑白双色条纹式反光贴膜相结合的方式，利用功率输出轴的微变形而产生的扭转角和FPGA的高速实时处理能力，以及通过UART串口与软件辅助系统相结合搭建的一种自动化测量转速轴功率等重要船舶参数的装置。

具体装置可参阅图1，两条黑白双色反光条纹贴膜有间隔地安装在主机输出轴上，B组黑白双色反光条纹贴膜安装在靠近功率输出端的位置，A组黑白双色反光条纹贴膜安装在远离功率输出端的位置；A组漫反射式光纤式光电传感器，对准A组黑白双色反光条纹贴膜，B组漫反射式光纤式光电传感器，对准B组黑白双色反光条纹贴膜；B组支架支撑B组漫反射式光纤式光电传感器，A组支架支撑A组漫反射式光纤式光电传感器；A组漫反射式光纤式光电传感器与B组漫反射式光纤式光电传感器所读取的反光信号a、b经过放大器的放大环节之后转换成电信号，再传输到FPGA芯片中进行计算。计算的结果通过UART串口传输到上位机进行显示，或者是在开发板上的数码管上直接显示计算信息。

本发明涉及以下的过程：

反光贴膜参数的确定。局部放大图如图2所示，每个贴膜规格为(50mm*输出轴的周长)，黑白条纹等间距排列。黑白条纹的对数Z(一黑一白为一对)由船舶主机的振动信息确定。由香农采样定理可知，为了避免收集到的信号发生丢失，光电传感器传感器的采样频率不低于采样信号频率的两倍，否则采集到的信号将与实际信号差别很大而导致后续计算错误。根据香农采样定理以及实际工程中的经验选取采样的频率，第一双色反光条纹贴膜与第二双色反光条纹贴膜的条纹数量(一条黑纹和一条白纹构成一个信号周期)是固有振动频率的10倍以上，即条纹在测量过程中能够测量的信号周期不低于5倍的固有振动频率；值得注意的是，理论上采样频率越高，得到的信号越精准，但是随着采样频率的升高，条纹数量增加，轴周长固定的情况下，条纹越窄，每个条纹通过光纤式光电传感器的时间变短，信号波动性变强，则会造成测量误差增大。为了避免条纹过窄，取5到6倍之间固有振动频率。如果采用更高响应频率的光纤式光电传感器或者更大的输出轴的直径，可以考虑适当的增加条纹数量。每条反光贴膜上条纹的宽度为输出轴的周长与2Z的商；每条反光贴膜带有编号，贴膜完成之后直接可以得到反光条纹的实际数量。

确定反光贴膜之间的安装距离。对于采集到的信号需要实时的对于信号之间的偏差方向，船舶主机的输出轴扭转角一般非常微小，偏移量通过控制安装距离使其控制在π弧度之内，即两条反光带之间的相对扭转距离不超过一个反光条纹的宽度。

偏转方向的定义。由于信号之间存在偏移，必定进入信号采集芯片的时间上存在偏差，按照其先后进入FPGA的时间，对信号进入采集芯片的时间做出规定，即偏转方向。实际运用过程中通过对步骤2加以限制，仅会出现两种情况，即图4和图5两种情况的规定，图5是信号a在后b在前定义为sign＝0；图6是信号a在前b在后定义为sign＝1。偏转方向能够对信号的偏转程度做出指示，控制偏转的弧度在π之内，一旦出现信号的方向的持续错误，在上位机可以出现提示或者报警。偏转方向的不同，则实际的偏差的计算方法也会不同。

粘贴反光贴膜。如图3所示，在实际的测量过程中采用两个黑白双色条纹式反光贴膜和两个高速光纤式光电传感器相结合，两条反光条纹带之间的距离按照理论计算和实际过程中具有的距离进行设置，将反光贴膜在轴上粘贴，并尽可能使得轴的中心线与贴膜条纹平行。

安装和固定光纤头和调校漫反射光纤式光电传感器信号放大器参数。使用用A组和B组支架，使两个光纤头分别对准黑白双色条纹式反光贴膜同为黑色或者白色的中心位置，在光纤式光电传感器的信号放大器数字面板上显示出具体的反光值，并根据实际的需要的反光值，设置区分出高低电平的颜色值来控制放大器输出信号电平的高低。

运行测试仪，测量功率。在实际测量过程中，两路光纤式光电传感器的输出信号进入高速光电电平转换模块，进行处理之后将两路信号引入到FPGA的引脚中，由FPGA芯片将经过转换模块之后的两路信号，采用等精度的测量方法，对信号周期进行测量，以及对两路信号进行异或运算后测量两路信号的偏差值和偏差方向，再将数据传送到计算模块中，按照偏差方向选定不同的计算方法。在信号偏差和信号周期测量过程中，由于FPGA采用的是二进制计算方式，浮点数的运算过程比较消耗逻辑资源。在系统采用计算的过程中，为了规避浮点数的运行算，并非采用的直接测量时间，而是测量的固定时间段之内标准时钟的脉冲个数。一方面为了强化计算的精确度，另一方面简化了计算的过程。

如附图6所示，FPGA芯片有按键控制模块、串口输入命令模块、有限状态机、信号周期测量模块、初始偏差测量模块、信号方向测量模块、负载偏差测量模块、按键控制模块、数据计算模块、数据进制转换模块、数据编码模块、数码管显示模块、串口发送模块等；其总体工作流程为：通过按键控制模块或串口输入命令(上位机按钮)模块对有限状态机的进行控制，启动测量之后，周期测量模块已经启动，在首次测试过程中，首先进入初始偏差测量模块，测量得到初始偏差值和偏差方向，然后通过上位机或者按键控制状态机跳转到负载偏差测量模块，测量得到负载偏差值和偏差方向，将初始偏差值和偏差方向、负载偏差值和偏差方向、周期脉冲个数传送到数据计算模块。为了将系统形成一个独立的整体，方便使用，将FPGA内的二进制数据转换为十进制，一方面可以方便数码管的显示，另一方面方便将数据进行编码，通过串口数据发送模块，将十进制的数据输出到上位机。

将实际过程中使用的黑白双色条纹式反光贴膜的条纹数量和轴的参数(测量截取的长度，切变弹性模量，直径等)输入到FPGA的芯片中，两路信号按照FPGA内部设计的硬件逻辑进行计算，并将计算出的结果通过UART串口进行输出到上位机，上位机得到的数据包括：当前的测量状态，转速、轴功率、轴的扭转角。或者是在开发板上的数码管上直接显示出转速和轴功率。

其中的主要计算过程涉及力学原理与信号处理部分的计算如下：

根据船舶最基本的计算轴功率的公式：

其中P为主机轴的输出功率，单位为kw

T_l为主机输出轴的所承受的扭矩，单位为N.m

N为主机轴的实时转速，单位为r/min

其中：T_l代表旋转轴所承受的扭转力矩，单位为N*m；

G代表材料的切变弹性模量，单位为N/m²；

I_P代表轴的极惯性矩，单位为m⁴；

D代表所测轴系截面直径，单位：m；

L为实际测量过程中设置的两个截面之间的直线距离，单位为m；

φ为弹性轴在受到扭转力矩之后所产生的扭转角，单位为rad。

得到主机实时转速：

n为主机实时转速(转/分钟)。

Z为黑白双色条纹式反光贴膜上的条纹的对数(一黑一白为一对)。

T为被测基准信号的周期。

其中：f信号采集计算的FPGA芯片所用的时钟晶振频率；

ΔN是两路光电传感器信号之间相位差的包含时钟脉冲个数；

ΔT是两路光电传感器产生的信号之间相位差的周期；

N是光电传感器输出信号单个周期内包含时钟脉冲的个数；

T是光电传感器所产生的信号周期。

由上位机对数据进行处理和通过折线图直观的显示出来所示，并由上位机对数据按照指定的格式进行保存，以供给日后查阅。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求。

Claims (10)

1.一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，其特征在于，包含：

第一双色反光条纹贴膜与第二双色反光条纹贴膜，分别沿着圆周方向有间隔地贴合设置在主机轴上；每一个贴膜上的一个颜色的条纹反光，另一个颜色的条纹不反光；

第一漫反射式光纤式光电传感器，对准第一双色反光条纹贴膜，用于采集第一双色反光条纹贴膜的光变化信号并输出第一脉冲信号；

第二漫反射式光纤式光电传感器，对准第二双色反光条纹贴膜，用于采集第二双色反光条纹贴膜的光变化信号并输出第二脉冲信号；

FPGA信号采集与处理模块，获取轴的参数及经第一漫反射式光纤式光电传感器、第二漫反射式光纤式光电传感器采集处理得到的双色条纹式反光贴膜的反光信号进行计算，得出转速、轴功率、轴的扭转角。

2.如权利要求1所述的一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，其特征在于，所述第二双色反光条纹贴膜安装在靠近功率输出端的位置，所述第一双色反光条纹贴膜安装在远离功率输出端的位置；且，第二双色反光条纹贴膜的条纹和第一双色反光条纹贴膜的条纹平行于轴的中心线；

所述第一漫反射式光纤式光电传感器与第二漫反射式光纤式光电传感器对准双色反光条纹贴膜的同一个颜色的中心区域。

3.如权利要求2所述的一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，其特征在于，所述轴的参数包含测量截取的长度、切变弹性模量、直径。

4.如权利要求2所述的一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，其特征在于，第一双色反光条纹贴膜与第二双色反光条纹贴膜的条纹贴膜的条纹数量是固有振动频率的10倍以上，能够测量的信号频率不低于5倍的固有振动频率；

第一双色反光条纹贴膜与第二双色反光条纹贴膜之间的安装距离。

5.如权利要求4所述的一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，其特征在于，进一步包含：

支架A和支架B，使其分别固定的第一漫反射式光纤式光电传感器和第二漫反射式光纤式光电传感器，垂直于轴的中心线来对准所述第一双色反光条纹贴膜和第二双色反光条纹贴膜；

信号放大器，设置在光纤式光电传感器之上，根据实际的需要来设定反光值信号大小；

光电电平转换模块，将所述第一漫反射式光纤式光电传感器、第二漫反射式光纤式光电传感器采集到的反光信号转换成电信号之后反馈给FPGA芯片。

6.如权利要求5所述的一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，其特征在于，所述测量仪还包含上位机，其与FPGA信号采集与处理模块输出端相连，用于显示FPGA信号采集与处理模块得出的转速、轴功率、轴的扭转角；

所述上位机通过UART串口将FPGA信号采集与处理模块得出的数据输出到上位机的客户端或服务器。

7.如权利要求1所述的一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，其特征在于，每一条双色反光条纹贴膜由黑、白条纹组成，黑色条纹不反光，白色条纹反光；

主机实时转速：

其中：n为主机实时转速(转/分钟)；Z为黑白双色条纹式反光贴膜上的条纹的对数(一黑一白为一对)；T为被测基准信号的周期；

其中：T_l代表旋转轴所承受的扭转力矩，单位为N*m；G代表材料的切变弹性模量，单位为N/m²；I_P代表轴的极惯性矩，单位为m⁴；D代表所测轴系截面直径，单位为m；L为实际测量过程中设置的两个截面之间的直线距离，单位为m；φ弹性轴在受到扭转力矩之后所产生的扭转角，单位为rad；

计算轴功率的公式：

8.一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量方法，其特征在于，利用权利要求1-7中任意一项所述的光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪，在实际测量过程中，进行如下步骤：

步骤1：定义偏转方向，其包含第一漫反射式光纤式光电传感器的信号超前或滞后第二漫反射式光纤式光电传感器的信号；

步骤2：确定无负载时反光信号的初始偏差及转速；

步骤3：确定有负载时反光信号的负载偏差及转速；

步骤4：计算转速及轴的扭转角；

步骤5：计算功率。

9.如权利要求8所述的一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量方法，其特征在于，以第二光纤式光电传感器的位置作为基准，其输出的信号作为基准信号来计算第一光纤式光电传感器输出的信号相对于第二光纤式光电传感器输出信号的偏差。

10.如权利要求9所述的一种光纤式光电传感器船舶轴功率测量方法，其特征在于，在光纤式光电传感器的信号放大器数字面板上显示出具体的反光值，并根据实际的需要的反光值，设置区分出高低电平的颜色值来控制放大器输出信号。