CN109870588A - 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测量装置及方法，该装置包括磁栅条、磁读头、信号预处理单元、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；所述磁读头设置在磁栅条上方，其有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同；所述信号预处理单元用于将磁读头读取的磁栅脉冲信号转化为方波脉冲信号；所述信号采集单元用于采集信号预处理单元处理后的磁栅方波信号并进行计数；所述转速计算单元用于产生高频时钟信号，并结合磁栅方波脉冲数，计算待测转轴的瞬时转速。本发明装置安装方便，可靠性好，转速测量精度高、频率快。

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。目前对于船舶旋转轴系的转速测量方法主要有下列三种：

光电编码器测量转速是将多分度的光电编码器套在待测轴自由端，利用光电效应产生脉冲信号从而计算转速。但是此方法通常需要加装联轴节或者进行断轴操作才能将编码器安装在待测轴上，安装步骤繁琐。且传动轴系通常位于船舱底部，灰尘、油污较多，环境恶劣，对光电编码器的测量会产生干扰。加上船身晃动和轴系、齿轮箱等传动部件运行时的振动，导致其测量准确性难以得到保证。

光电传感器转速测量法是将光电传感器安装在待测轴边的固定支座上，按照一定的间隙要求对准粘在轴上的反光光栅，通过对反射光脉冲进行计数来计算转速。但由于运用的原理同样是光电效应，所以仍然会受到船舱内环境及振动的干扰而影响其性能。

电磁脉冲传感器转速测量法是将脉冲传感器固定在转轴所连接的齿轮端外固定座上，垂直对准齿轮的齿，利用传感器与齿轮之间的间隙距离变化生成脉冲信号进行转速计算。由于需要安装在齿轮箱内，故该套系统需要在齿轮箱完成封装前或是打开齿轮箱外壳后才能进行安装，且发生故障时也需要打开齿轮箱外壳才可检修，操作较为复杂。其测量精度高度依赖齿轮分度的精确性，对齿轮制造工艺也要求较高。

上述三种转速测量方法除了各自在船舶轴系测量方面的劣势，还有一个共有的缺点：不论通过光栅、反光片或齿轮，其每圈可产生的脉冲信号数量都过少，无法进行高频率、高精度的瞬时转速测量。

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、信号预处理单元、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；所述磁读头设置在磁栅条上方，其有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同；所述信号预处理单元与磁读头连接，用于将磁读头读取的磁栅脉冲信号转化为方波脉冲信号；所述信号采集单元与信号预处理单元连接，用于采集信号预处理单元处理后的磁栅方波信号并进行计数；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，并结合磁栅方波脉冲数，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，所述磁读头为AMR(各向异性磁电阻)、GMR(巨磁电阻)或TMR(隧道结磁电阻)型的磁电阻传感器。

作为一种具体实施方式，所述磁读头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，所述信号预处理单元对磁栅信号进行滤波、差分、光耦隔离、缩短脉冲上升沿及稳压处理。

作为一种具体实施方式，所述信号预处理单元包括RC滤波电路、驱动器AM26LS32芯片、光耦6N137、CMOS芯片74HC14和3V0稳压二极管，磁读头输出的两路输入差分信号经过RC滤波电路由AM26LS32的引脚1、引脚2输入AM26LS32芯片，经过差分处理后由AM26LS32芯片引脚3输出；差分后信号由6N137芯片的引脚2输入，经过光耦隔离后信号由6N137芯片引脚6输出；隔离后信号由74HC14芯片引脚1输入74HC14芯片，经过整形处理后信号由74HC14芯片引脚2输出；整形处理后信号经3V0稳压二极管稳压后输出至采集单元。

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，在磁栅条上方安装磁读头，其有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同；

步骤2、信号预处理单元对磁读头输出的磁栅信号依次进行滤波、差分、光耦隔离、缩短脉冲上升沿及稳压处理，令其转化为符合信号采集单元的方波信号，信号采集单元对磁栅方波信号并进行计数；

步骤3、转速计算单元产生高频时钟信号，结合磁栅信号脉冲计数，计算待测转轴的转速。

作为一种具体实施方式，步骤3中，转速计算单元采用M/T法或变M/T法计算转轴当前瞬时转速，具体方法如下：

1)M/T法：当脉冲计数累计时间达到设定值时，根据计数累加的结果，计算瞬时转速，计算公式为：

式中，rpm的单位为转/分；N_T为时间T内脉冲计数的累加值；T为计数时间的设定值，单位为秒；N₀为转过一圈磁栅触发的脉冲数。

2)变M/T法：当脉冲计数累加到达一个设定值后，根据累计过程的持续时间，计算瞬时转速，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。

附图说明

图1为本发明瞬时转速测量方法的流程图。

图2为本发明瞬时转速测量装置的结构示意图。

图3为本发明瞬时转速测量装置的安装位置示意图。

图4为本发明信号预处理单元的电路图。

图5为本发明转速测量实验结果图。

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1-2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、信号预处理单元、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；所述磁读头设置在磁栅条上方，其有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，用于感应磁栅条的泄露磁场，产生高密度的相等位移间隔的脉冲序列；所述信号预处理单元与磁读头连接，用于将磁读头读取的磁栅脉冲信号转化为方波脉冲信号；所述信号采集单元与信号预处理单元连接，用于采集信号预处理单元处理后的磁栅方波信号并进行计数；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，并结合磁栅方波脉冲数，计算待测转轴的瞬时转速。

如图3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，所述信号预处理单元对磁栅信号进行滤波、差分、光耦隔离、缩短脉冲上升沿及稳压处理。

作为一种具体实现，设计信号预处理单元包括RC滤波电路、驱动器AM26LS32芯片、光耦6N137、CMOS芯片74HC14和3V0稳压二极管，磁读头输出的两路输入差分信号经过RC滤波电路由AM26LS32的引脚1、引脚2输入AM26LS32芯片，经过差分处理后由AM26LS32芯片引脚3输出；差分后信号由6N137芯片的引脚2输入，经过光耦隔离后信号由6N137芯片引脚6输出；隔离后信号由74HC14芯片引脚1输入74HC14芯片，经过整形处理后信号由74HC14芯片引脚2输出；整形处理后信号经3V0稳压二极管稳压后输出至采集单元。预处理时，两路输入差分信号首先通过RC滤波电路滤除毛刺；之后输入四位差动输出驱动器AM26LS32芯片进行差分处理，消除机械装配误差、零点漂移和干扰源带来的信号误差，提高信噪比；为防止采集单元触感器因短路烧毁，随后信号输入高速光耦6N137进行信号隔离；为满足采集单元对触发信号上升沿的要求，隔离后的信号被输入至高速CMOS芯片74HC14中，缩短信号上升沿；最后，信号经3V0稳压二极管稳压后输出至信号采集单元。

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。

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速率测量方法，包括如下步骤：

步骤1、安装：在船舶待测转轴转轴表面缠绕磁栅条，使磁栅条形成与转轴同轴的圆环，磁读头采集转轴转动时的磁栅信号；

步骤2、预处理与采集：信号预处理单元对磁读头的输出信号依次进行滤波、差分、光耦隔离、缩短脉冲上升沿及稳压处理，令其转化为符合信号采集单元的方波信号，信号采集单元对磁栅方波信号并进行计数；

步骤3、转速计算：转速计算单元产生高频时钟信号，结合磁栅信号脉冲计数，计算待测转轴的转速，具体是在时钟脉冲或磁栅脉冲计数累计到设定值时，根据预先设置的转速计算方式(M/T法或变M/T法)，计算转轴当前瞬时转速。

1)M/T法：转速计算的触发条件为脉冲计数累计时间达到设定值时，根据采集单元内计数累加的结果，计算转速，其计算公式如下：

式中，rpm的单位为转/分；N_T为时间T内脉冲计数的累加值；T为计数时间的设定值，单位为秒；N₀为转过一圈磁栅触发的脉冲数。

2)变M/T法：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。

实施例

为验证本发明方案的有效性，对本方案进行转速测量实验。在实验室待测转轴上按照安装要求安装完成本套转速测量装置，启动电机带动转轴以300rpm左右的速度定速旋转，同时使用本套装置测量并记录所测转速值。转速测量结果如图5所示。由图中结果可以得出结论：本套装置可以实现对转轴瞬时转速的测量。

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、信号预处理单元、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；所述磁读头设置在磁栅条上方，其有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同；所述信号预处理单元与磁读头连接，用于将磁读头读取的磁栅脉冲信号转化为方波脉冲信号；所述信号采集单元与信号预处理单元连接，用于采集信号预处理单元处理后的磁栅方波信号并进行计数；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，并结合磁栅方波脉冲数，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，所述磁读头为AMR、GMR或TMR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，所述信号预处理单元对磁栅信号进行滤波、差分、光耦隔离、缩短脉冲上升沿及稳压处理。

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，所述信号预处理单元包括RC滤波电路、驱动器AM26LS32芯片、光耦6N137、CMOS芯片74HC14和3V0稳压二极管，磁读头输出的两路输入差分信号经过RC滤波电路由AM26LS32的引脚1、引脚2输入AM26LS32芯片，经过差分处理后由AM26LS32芯片引脚3输出；差分后信号由6N137芯片的引脚2输入，经过光耦隔离后信号由6N137芯片引脚6输出；隔离后信号由74HC14芯片引脚1输入74HC14芯片，经过整形处理后信号由74HC14芯片引脚2输出；整形处理后信号经3V0稳压二极管稳压后输出至采集单元。

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，在磁栅条上方安装磁读头，其有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同；

步骤2、信号预处理单元对磁读头输出的磁栅信号依次进行滤波、差分、光耦隔离、缩短脉冲上升沿及稳压处理，令其转化为符合信号采集单元的方波信号，信号采集单元对磁栅方波信号并进行计数；

步骤3、转速计算单元产生高频时钟信号，结合磁栅信号脉冲计数，计算待测转轴的转速。

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，转速计算单元采用M/T法或变M/T法计算转轴当前瞬时转速，具体方法如下：

1)M/T法：当脉冲计数累计时间达到设定值时，根据计数累加的结果，计算瞬时转速，计算公式为：

式中，rpm的单位为转/分；N_T为时间T内脉冲计数的累加值；T为计数时间的设定值，单位为秒；N₀为转过一圈磁栅触发的脉冲数。

2)变M/T法：当脉冲计数累加到达一个设定值后，根据累计过程的持续时间，计算瞬时转速，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。