基于光电传感器的船舶主机轴功率测量装置和测量方法与流程

本发明涉及料力学原理和机械动力学原理，特别涉及一种基于光电传感器的船舶主机轴功率测量装置和测量方法。

背景技术：

船舶主机作为船舶动力装置的核心，其稳定性与可靠性是保障船舶海上安全航行的关键，由于船舶工作环境恶劣，主机系统结构复杂，其运行期间出现故障的概率也相当高。船舶主机轴功率作为船舶主机最重要的性能参数之一，无论是新船试航、船级社验收还是船舶故障处理，均要对其进行测量。主机轴功率不达标严重影响船舶总体能耗效率和船舶动力系统稳定性，危害船舶海上航行。因此，主机轴功率的准确度、数据的可靠性就显得相当重要。

现有的船舶主机轴功率测量主要是是利用电阻应变片的测量其与应变成正比的模拟信号得出船舶主机轴转动过程的扭矩信号，并通过所测的模拟电压信号分离出轴转速，从而实现在船舶主机轴工作过程中同步测量船舶主机轴转速和扭矩。但这种方式属于接触式测量，电阻应变片工作状态下摩擦损耗大，且易受船舶主机轴润滑油腐蚀，并不能长期、稳定地进行船舶主机轴功率测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于光电传感器的船舶主机轴功率测量装置和测量方法，能实时测量主机轴功率，不仅消除了现有技术测量过程中对船舶主机轴的影响，且测量数据准确度高、数据可靠性好，在船舶主机轴功率测量应用上具有一定的可操作性。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于光电传感器的船舶主机轴功率测量装置，其特点是，包含：

第一反光带组、第二反光带组，其分别沿着圆周方向贴合设置在主机轴上，所述的主机轴位于飞轮与水力测功仪之间，所述的第一反光带组靠近飞轮，且所述第二反光带组位于第一反光带组与水力测功仪之间；

第一光电传感器，其对准第一反光带组，用于采集第一反光带组的光变化信号并输出第一脉冲信号；

第二光电传感器，其对准第二反光带组，用于采集第二反光带组的光变化信号并输出第二脉冲信号；

信号采集处理模块，其输入端分别连接第一光电传感器、第二光电传感器；

计算机，其与信号采集处理模块输出端相连，用于根据所述的第一脉冲信号与第二脉冲信号的时间差及第一、二脉冲信号周期得出主机轴功率。

所述的第一反光带组包含若干条第一反光带，相邻的两个第一反光带的间距相等；所述的第二反光带组包含若干条第二反光带，相邻的两个第二反光带的间距相等；其中第一反光带的数量和第二反光带的数量相等，第一反光带与第二反光带的宽度相同。

所述的第二脉冲信号周期与第一脉冲信号周期相等。

所述的信号采集处理模块提取所述的第一脉冲信号与第二脉冲信号的时间差及第一脉冲信号周期。

一种基于光电传感器的船舶主机轴功率测量方法，其特点是，该方法包含：

S1，第一反光带组、第二反光带组，其分别沿着圆周方向贴合设置在主机轴上，所述的主机轴位于飞轮与水力测功仪之间，所述的第一反光带组靠近飞轮，且所述第二反光带组位于第一反光带组与水力测功仪之间；

S2，第一光电传感器对准第一反光带组，采集第一反光带组的光变化信号并输出第一脉冲信号；同时第二光电传感器对准第二反光带组，采集第二反光带组的光变化信号并输出第二脉冲信号；

S3，计算机根据所述的第一脉冲信号与第二脉冲信号的时间差及第一、二脉冲信号周期得出主机轴功率。

所述的第二脉冲信号周期与第一脉冲信号周期相等。

所述的步骤S2后还包含：

S4，信号采集处理模块提取所述的第一脉冲信号与第二脉冲信号的时间差及第一脉冲信号周期。

所述的第一反光带组包含若干条第一反光带，相邻的两个第一反光带的间距相等；所述的第二反光带组包含若干条第二反光带，相邻的两个第二反光带的间距相等；其中第一反光带的数量和第二反光带的数量相等，第一反光带与第二反光带的宽度相同。

所述的步骤S3具体为：

S3.1，计算机得出主机轴转速n，

其中，T_A为第一脉冲信号的周期，Z为第一反光带的数量；

S3.2，根据材料力学原理，主机轴扭矩M满足下式：

其中，G为主机轴切变弹性模量D为主机轴截面直径，L为第一反光带所处轴截面与第二反光带所处轴截面的间距，为第一反光带所处轴截面和第二反光带所处轴截面的扭转角，且

扭转角满足：其中Δt为第一脉冲信号与第二脉冲信号的时间差；

S3.3，计算出主机轴扭矩M：

S3.4，得出主机轴功率P：

$P=M\frac{2\mathrm{\π}n}{60}.$

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明由于只在所述主机轴粘贴反光带，而光电传感器、FPGA脉冲信号采集处理单元并不与主机轴功率接触，且FPGA处理分析数据快、精确度高。因此不仅消除了现有技术测量过程中对船舶主机轴的影响，且测量数据准确度高、数据可靠性好，在船舶主机轴功率测量应用上具有一定的可操作性。

附图说明

图1为本发明一种基于光电传感器的船舶主机轴功率测量装置的结构示意图；

图2为本发明信号采集处理模块中对脉冲信号的提取图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种基于光电传感器的船舶主机轴功率测量装置，包含：第一反光带组1、第二反光带组2，其分别沿着圆周方向贴合设置在主机轴3上，主机轴3位于飞轮4与水力测功仪5之间，第一反光带组1靠近飞轮4，且第二反光带组位于第一反光带组与水力测功仪之间；第一光电传感器6，其对准第一反光带组1，用于采集第一反光带组1的光变化信号并输出第一脉冲信号PIN_1；第二光电传感器7，其对准第二反光带组2，用于采集第二反光带组2的光变化信号并输出第二脉冲信号PIN_2；

信号采集处理模块8，其输入端通过信号调理电路分别连接第一光电传感器6、第二光电传感器7，用于采集处理模块提取所述的第一脉冲信号PIN_1与第二脉冲信号PIN_1的时间差Δt及第一脉冲信号周期T_A或第二脉冲信号周期T_B；计算机9，其通过RS232线与信号采集处理模块8输出端相连，用于根据所述的第一脉冲信号PIN_1与第二脉冲信号PIN_2的时间差Δt及第一、二脉冲信号周期得出主机轴功率。本实施例中信号采集处理模块为FPGA信号采集处理模块。

上述的第一反光带组1包含若干条第一反光带，相邻的两个第一反光带的间距相等；所述的第二反光带组2包含若干条第二反光带，相邻的两个第二反光带的间距相等；其中第一反光带的数量和第二反光带的数量相等，第一反光带与第二反光带的宽度相同。本实施例中，所述的第二脉冲信号周期T_B与第一脉冲信号周期T_A相等。

一种基于光电传感器的船舶主机轴功率测量方法，该方法包含：

S1，第一反光带组、第二反光带组，其分别沿着圆周方向贴合设置在主机轴上，所述的主机轴位于飞轮与水力测功仪之间，所述的第一反光带组靠近飞轮，且所述第二反光带组位于第一反光带组与水力测功仪之间；

S2，调节光电传感器感光灵敏度，使光电传感器照射到主机轴上反光带区域时输出脉冲信号，此时光电传感器上LED灯亮；照射到主机轴非反光带区域时无信号输出，此时光电传感器上LED灯灭，即第一光电传感器对准第一反光带组，采集第一反光带组的光变化信号并输出第一脉冲信号；同时第二光电传感器对准第二反光带组，采集第二反光带组的光变化信号并输出第二脉冲信号；

S3，计算机根据所述的第一脉冲信号与第二脉冲信号的时间差Δt及第一、二脉冲信号周期得出主机轴功率P。

上述的第二脉冲信号周期T_B与第一脉冲信号周期T_A相等，T_B＝T_A。

上述的步骤S2后还包含：

S4，信号采集处理模块提取所述的第一脉冲信号与第二脉冲信号的时间差Δt及第一脉冲信号周期T_A(第二脉冲信号周期T_B)(参见图2)。

上述的步骤S3具体为：

S3.1，计算机得出主机轴转速n，

其中，T_A为第一脉冲信号的周期，Z为第一反光带(第二反光带)的数量；

S3.2，根据材料力学原理，主机轴扭矩M满足下式：

其中，G为主机轴切变弹性模量D为主机轴截面直径，L为第一反光带所处轴截面与第二反光带所处轴截面的间距，为第一反光带所处轴截面和第二反光带所处轴截面的扭转角，且

扭转角满足：其中Δt为第一脉冲信号与第二脉冲信号的时间差；

S3.3，计算出主机轴扭矩M：

S3.4，得出主机轴功率P：

$P=M\frac{2\mathrm{\π}n}{60}.$

综上所述，本发明一种基于光电传感器的船舶主机轴功率测量装置和测量方法，能实时测量主机轴功率，不仅消除了现有技术测量过程中对船舶主机轴的影响，且测量数据准确度高、数据可靠性好，在船舶主机轴功率测量应用上具有一定的可操作性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。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来限定。