CN109669048A - 一种船舶旋转轴系瞬时转速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶旋转轴系瞬时转速的测量装置及方法，该装置包括磁栅条、两个磁读头、光电开关、两个反光片、磁读头切换电路、信号采集单元、转速计算单元，磁栅条环绕在船舶待测转轴表面，形成与转轴同轴的圆环；两个磁读头对称设置在磁栅条上方，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同；两个反光片对称设置在与磁栅条相邻的同一圆环面上；光电开关设置在两个反光片所在的圆环面上方。本发明磁读头感应磁栅条的泄露磁场产生等位移间隔脉冲序列；光电开关作为两个磁读头的切换开关，消除磁条接缝处产生的误差；采集单元对磁读头输出的磁栅信号进行脉冲计数，计算转轴瞬时转速，提高了转速测量系统的准确性。

Description

一种船舶旋转轴系瞬时转速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及船舶旋转轴系的转速测量，具体涉及一种船舶旋转轴系瞬时转速测量装置及方法。

背景技术

旋转轴系的旋转轴转速是船舶运行工况的一个关键参数，对于衡量船舶运行状态有着重要意义。例如，叶轮转轴的转速直接影响船舶的航速和航向，而船舶主轴的转速值影响主机输出功率的获得。传统的船舶旋转轴系转速测量方法有光电编码器、光电传感器和电磁脉冲传感器测量法。光电编码器、光电传感器以光线作为介质传递信号，在船舱内部多灰尘、油污，振动剧烈的恶劣工作环境下，其性能受到严重影响；而电磁脉冲传感器在安装检修时需要打开齿轮箱外壳，操作繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船舶旋转轴系瞬时转速测量装置及方法。

实现本发明的技术解决方案为：一种船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，包括磁栅条、磁读头A、磁读头B、光电开关、反光片A、反光片B、磁读头切换电路、信号采集单元、转速计算单元，所述磁栅条环绕在船舶待测转轴表面，形成的圆环与待测转轴同轴；所述磁读头A、磁读头B设置在磁栅条上方，关于转轴对称，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同；所述反光片A、反光片B设置在与磁栅条相邻的同一圆环面上，关于转轴对称；所述光电开关设置在两个反光片所在的圆环面上方，在转轴截面上与磁读头A、磁读头B相距特定角度，使磁读头A、B工作范围不包括接缝处，光电开关用于持续发出光脉冲信号，每接收到一次反光片A或反光片B反射回来的光信号时，输出一个切换脉冲信号；所述磁读头切换电路与光电开关连接，用于产生两路互补使能信号，每接受一个光电开关输入的切换脉冲信号时，两路门极使能信号同时翻转；所述信号采集单元与磁读头切换电路连接，受门极使能信号控制，对磁读头A、磁读头B的输出磁栅信号进行采集和计数；所述转速计算单元与信号采集单元连接，用于产生高频时钟信号，结合磁栅脉冲数，计算待测转轴的瞬时转速。

作为一种具体实施方式，所述磁栅条为由磁性粉末与橡胶复合而成的柔软橡胶磁条。

作为一种具体实施方式，所述磁读头A和磁读头B规格相同，为AMR(各向异性磁电阻)、GMR(巨磁电阻)或TMR(隧道结磁电阻)类型的磁电阻传感器。

作为一种具体实施方式，所述磁读头A和磁读头B的有效感应面到磁栅条的垂直距离为2mm～3mm。

作为一种具体实施方式，所述磁读头A和磁读头B每扫过1cm磁栅条，输出不少于100个脉冲。

作为一种具体实施方式，所述光电开关为漫反射式光电开关，到转轴表面的垂直距离为15cm～25cm。

作为一种具体实施方式，所述磁读头切换电路采用74VHC74芯片，74VHC74的引脚5、引脚6输出两路互补的门极使能信号，光电开关的切换脉冲经由RS232接头的引脚3输出至74VHC74的引脚3，引起门极信号的同时翻转；门极使能信号输入高速光耦6N137进行信号隔离后，经3V0稳压二极管稳压后输出至信号采集单元。

作为一种具体实施方式，所述转速计算单元产生的时钟频率至少为磁读头A和磁读头B输出最高脉冲频率的两倍。

一种船舶旋转轴系瞬时转速测量方法，包括如下步骤：

步骤1、在船舶待测转轴表面缠绕磁栅条，使磁栅条形成与转轴同轴的圆环，在磁栅条上方对称安装磁读头A、磁读头B，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，在与磁栅条相邻的同一圆环面上对称安装反光片A、反光片B，在反光片A、反光片B所在圆环面的上方安装光电开关；

步骤2、光电开关持续发出光脉冲信号，每接收到一次反光片A或反光片B反射回来的光信号时，输出一个切换脉冲信号，触发信号切换电路产生交替变化的互补门极信号，控制信号采集单元交替采集磁读头A、磁读头B的磁栅脉冲信号并计数，之后将计数值传递至转速计算单元；

步骤3、转速计算单元产生高频时钟脉冲，结合磁栅脉冲计数值，计算转轴的当前瞬时转速。

作为一种具体实施方式，步骤3中，转速计算单元在磁栅脉冲计数累计到设定值时，计算转轴当前瞬时转速，具体计算公式为：

式中，rpm的单位为转/分；N为脉冲计数的设定值；t为计数时间，单位为秒；N₀为转过一圈磁栅触发的脉冲数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明根据待测轴直径截取相应长度的橡胶磁条环绕转轴外围，安装维护方便，对安装位置要求低；2)本发明磁读头采用磁阻传感器，对磁场检测灵敏度高，可在灰尘、油污、振动等恶劣环境下正常工作，抗干扰性好且成本较低；3)本发明能够产生高达500个/cm的磁栅脉冲，结合高频时间脉冲，可以进行10次/s以上的高频率、高精度瞬时转速测量；4)本发明通过双磁读头交替采集信号的方式，解决了磁条接缝处磁栅重叠或缺失的问题，进一步提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明瞬时转速测量装置的结构示意图，其中(a)为装置正面结构图，(b)为装置反面结构图，(c)为装置侧面结构图。

图2为本发明瞬时转速测量装置的安装位置示意图。

图3为本发明双磁读头切换的原理图。

图4为本发明磁读头切换电路的原理图，其中(a)为磁读头A工作状态，(b)磁读头B工作状态

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

如图1所示，本发明船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，包括磁栅条、磁读头A、磁读头B、光电开关、反光片A、反光片B、磁读头切换电路、信号采集单元、转速计算单元，所述磁栅条环绕在船舶待测转轴表面，形成的圆环与待测转轴同轴；所述磁读头A、磁读头B设置在磁栅条上方，关于转轴对称，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同；所述反光片A、反光片B设置在与磁栅条相邻的同一圆环面上，关于转轴对称；所述光电开关设置在两个反光片所在的圆环面上方，在转轴截面上与磁读头A、磁读头B相距特定角度，该角度使磁读头A、B工作范围不包括接缝处，光电开关用于持续发出光脉冲信号，每接收到一次反光片A或反光片B反射回来的光信号时，输出一个切换脉冲信号；所述磁读头切换电路与光电开关连接，用于产生两路互补使能信号，每接受一个光电开关输入的切换脉冲信号时，两路门极使能信号同时翻转；所述信号采集单元与磁读头切换电路连接，受门极使能信号控制，对磁读头A、磁读头B的输出磁栅信号进行采集和计数；所述转速计算单元与信号采集单元连接，用于产生高频时钟信号，结合磁栅脉冲数，计算待测转轴的瞬时转速。

本发明使用磁读头感应粘贴在转轴上磁栅条的泄露磁场，从而产生高密度的等位移间隔脉冲序列；利用光电开关作为两个磁读头的切换开关，用以消除磁读头感应磁条接缝产生脉冲信号时发生的误差。之后通过含有高速计数器的采集单元对磁读头输出的磁栅信号进行脉冲计数，即可计算转轴瞬时转速。

如图2所示，本发明瞬时转速测量装置测量装置可以安装在船舶传动系统的旋转轴系上(包括高速轴、低速轴)。由于橡胶材料容易弯曲，一些实施例中，所述磁栅条采用由铁氧体等磁性粉末与橡胶复合而成的柔软橡胶磁条，还可以附加保护钢带。安装时，根据轴径截取不同长度，通过AB胶粘使其环绕贴合在船舶的待测转轴上，要求磁栅条的接缝处连接工整，无突起。

一些实施例中，所述磁读头所述磁读头A和磁读头B规格相同，可以采用具有高响应频率的AMR(各向异性磁电阻)、GMR(巨磁电阻)或TMR(隧道结磁电阻)类型的磁电阻传感器，能够无遗漏读取高频磁栅脉冲信号，精确测量微弱磁场。

考虑到转速读取的有效性，一些实施例，将磁读头的有效感应面到磁栅条的垂直距离为2mm～3mm。考虑到转速测量的效率，一些实施例，磁读头每扫过1cm磁栅条时，输出不少于100个脉冲。

一些实施例中，所述光电开关采用漫反射式光电开关，其与转轴的距离需控制为可感应反光片A和反光片B，但对转轴本身无感应。在一些实施例中，设置光电开关到转轴表面的垂直距离为15cm～25cm。

一些实施例中，所述磁读头切换电路采用74VHC74芯片，用于产生两路高低电平交替变换且互补的电平信号。如图3所示，由74VHC74的引脚5、引脚6输出两路互补的门极使能信号，光电开关的切换脉冲经由RS232接头的引脚3输出至74VHC74的引脚3，引起门极信号的同时翻转；随后门极信号输入高速光耦6N137进行信号隔离；最后，信号经3V0稳压二极管稳压后输出至信号采集单元。

双磁读头切换原理：结合图4所示，待测转轴转动时，磁读头A、磁读头B均正常读磁，输出两组磁栅脉冲信号至信号采集单元IN0,IN1输入端。光电开关输出信号触发磁读头切换电路产生两组互补的门极使能信号G0、G1。由于门极信号互补，故只有一路计数信号能正常输入采集单元，不妨设G0为高电平，G1为低电平。此时IN0工作，IN1不工作。转轴继续旋转，反光片A在磁栅条接缝即将扫过磁读头A之前触发光电开关，使得门极信号翻转，此时G0变为低电平，G1为高电平，IN0不工作，IN1工作。当磁栅条接缝扫过磁读头A时，虽然读头会读入接缝磁栅信号，但是由于G0为低电平，G1为高电平，故只有磁读头B的信号被采集，而磁读头A的信号不会被写入采集单元，所以避免了接缝信号对于转速测量系统精度干扰。一段时间后，接缝即将扫过磁读头B，反光片B触发光电开关，引起磁读头切换电路的输出信号再次翻转，G0变为高电平，G1变为低电平，IN0工作，IN1不工作，采集单元转为读取磁读头A的连续磁栅信号进行计数，避开了磁读头B读取的磁栅条接缝信号。周而复始，则信号采集单元采集的信号将始终是无接头接缝处的磁栅脉冲，避免了错误脉冲对测速系统精度的影响。

一些实施例中，所述信号采集单元为含有但不局限于8254型高速计数器的采集单元，其信号接入口与磁读头A、磁读头B的信号输出口相匹配，在捕捉到每一个磁栅脉冲信号上升沿时，进行减1计数，并将计数值传递至转速计算单元。

还有一些实施例中，为了保证转速测量的效率，所述转速计算单元产生的时钟频率至少为磁读头输出最高脉冲频率的两倍。

基于上述船舶旋转轴系瞬时转速测量装置的瞬时转速测量方法，包括如下步骤：

步骤1、安装：在船舶待测转轴表面缠绕磁栅条，使磁栅条形成与转轴同轴的圆环，在磁栅条上方对称安装磁读头A、磁读头B，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，在与磁栅条相邻的同一圆环面上对称安装反光片A、反光片B，在反光片A、反光片B所在圆环面的上方设置光电开关，在转轴截面上与磁读头A、磁读头B相距特定角度，使磁读头A、B工作范围不包括接缝处；

步骤2、双磁读头切换：光电开关持续发出光脉冲信号，每接收到一次反光片A或反光片B反射回来的光信号时，输出一个切换脉冲信号，触发信号切换电路产生交替变化的互补门极信号，控制信号采集单元交替采集磁读头A、磁读头B的磁栅脉冲信号并计数，之后将计数值传递至转速计算单元；

步骤3、转速计算单元产生高频时钟脉冲，结合磁栅脉冲计数值，计算转轴的当前瞬时转速，具体是：当磁栅脉冲计数累计到设定值时，转速计算单元即计算转轴当前瞬时转速。

转速计算的触发条件为脉冲计数累加到达一个设定值后，从系统调出累计过程的持续时间，计算转速。其计算公式如下：

式中，rpm的单位为转/分；N为脉冲计数的设定值；t为计数时间，单位为秒；N₀为转过一圈磁栅触发的脉冲数。

Claims (10)

1.一种船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，其特征在于，包括磁栅条、磁读头A、磁读头B、光电开关、反光片A、反光片B、磁读头切换电路、信号采集单元、转速计算单元，所述磁栅条环绕在船舶待测转轴表面，形成的圆环与待测转轴同轴；所述磁读头A、磁读头B设置在磁栅条上方，关于转轴对称，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同；所述反光片A、反光片B设置在与磁栅条相邻的同一圆环面上，关于转轴对称；所述光电开关设置在两个反光片所在的圆环面上方，在转轴截面上与磁读头A、磁读头B相距特定角度，使磁读头A、B工作范围不包括接缝处，光电开关用于持续发出光脉冲信号，每接收到一次反光片A或反光片B反射回来的光信号时，输出一个切换脉冲信号；所述磁读头切换电路与光电开关连接，用于产生两路互补使能信号，每接受一个光电开关输入的切换脉冲信号时，两路门极使能信号同时翻转；所述信号采集单元与磁读头切换电路连接，受门极使能信号控制，对磁读头A、磁读头B的输出磁栅信号进行采集和计数；所述转速计算单元与信号采集单元连接，用于产生高频时钟信号，结合磁栅脉冲数，计算待测转轴的瞬时转速。

2.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，其特征在于，所述磁栅条为由磁性粉末与橡胶复合而成的柔软橡胶磁条。

3.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，其特征在于，所述磁读头A和磁读头B规格相同，为AMR、GMR或TMR类型的磁电阻传感器。

4.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，其特征在于，所述磁读头A和磁读头B的有效感应面到磁栅条的垂直距离为2mm～3mm。

5.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，其特征在于，所述磁读头A和磁读头B每扫过1cm磁栅条，输出不少于100个脉冲。

6.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，其特征在于，所述光电开关为漫反射式光电开关，到转轴表面的垂直距离为15cm～25cm。

7.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，其特征在于，所述磁读头切换电路采用74VHC74芯片，74VHC74的引脚5、引脚6输出两路互补的门极使能信号，光电开关的切换脉冲经由RS232接头的引脚3输出至74VHC74的引脚3，引起门极信号的同时翻转；门极使能信号输入高速光耦6N137进行信号隔离后，经3V0稳压二极管稳压后输出至信号采集单元。

8.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系瞬时转速测量装置，其特征在于，所述转速计算单元产生的时钟频率至少为磁读头A和磁读头B输出最高脉冲频率的两倍。

9.一种船舶旋转轴系瞬时转速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在船舶待测转轴表面缠绕磁栅条，使磁栅条形成与转轴同轴的圆环，在磁栅条上方对称安装磁读头A、磁读头B，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，在与磁栅条相邻的同一圆环面上对称安装反光片A、反光片B，在反光片A、反光片B所在圆环面的上方安装光电开关，其在转轴截面上与磁读头A、磁读头B相距特定角度，使磁读头A、B工作范围不包括接缝处；

步骤2、光电开关持续发出光脉冲信号，每接收到一次反光片A或反光片B反射回来的光信号时，输出一个切换脉冲信号，触发信号切换电路产生交替变化的互补门极信号，控制信号采集单元交替采集磁读头A、磁读头B的磁栅脉冲信号并计数，之后将计数值传递至转速计算单元；

步骤3、转速计算单元产生高频时钟脉冲，结合磁栅脉冲计数值，计算转轴的当前瞬时转速。

10.根据权利要求9所述的船舶旋转轴系瞬时转速测量方法，其特征在于，步骤3中，转速计算单元在磁栅脉冲计数累计到设定值时，计算转轴当前瞬时转速，具体计算公式为：

式中，rpm的单位为转/分；N为脉冲计数的设定值；t为计数时间，单位为秒；N₀为转过一圈磁栅触发的脉冲数。