光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪和测量方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
光纤式光电传感器船舶轴功率测量仪和测量方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。本专利技术意在解决安装困难(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。本专利技术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，本专利技术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：Tl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；IP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。本专利技术和以往相比较，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，容易更本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建超，王海燕，徐左安邦，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海,31