一种船用推进轴遥感式应变测量系统及其测量装置和测量方法与流程

本发明涉及船舶测量和监控技术领域，尤其涉及一种船用推进轴扭矩/功率/转速/转向遥感式应变测量系统及其测量装置和测量方法。

背景技术：

扭矩和轴功率是体现整个动力系统性能的重要参数。特别在船舶领域，船舶智能化程度越来越高，越造越大，目前市场上的传递式的扭矩仪已经无法满足像船舶这样的大型轴系扭矩和轴功率的测量。并且传统的工业上使用的扭矩仪无法测量计算轴功率，安装必须要破坏原有轴系，这些都是无法满足船用要求的。

如已公开专利cn109341915a公开了一种港作拖轮轴功率在线监测分析系统，其所披露的无线感应采用的是马蹄u型永磁铁+线圈形式，这样的设计存在一弊端，无线能量传输发射器端所产生交流磁场，会使得u型磁铁内部及转子转轴表面同时产生极大的感应涡流，感应涡流将交流电磁场的能量直接转化为热能，从而使得无线能量传输的效率极大地降低，甚至于几乎无法传递能量，因此这种形式只能适用于非金属的传动轴系，无法使用在金属的轴系上，自然也就无法在船上使用。我们针对金属和非金属不同材料进行了全新的无线感应供电设计，可以满足各种材质的传动轴。此外，该专利没有设置转速采集单元，根据轴功率测量的原理，轴功率是通过扭矩乘以转速乘以2π再除以60得来的，没有动态转速信号的采集，理论上无法计算出轴功率。

又如已公开专利cn20420279u公开了一种船用轴功率测量系统，其所采用的两个编码器之间需要较远的距离才可以保证测量的准确性，而在大多数测量现场环境并不能满足这样的安装条件；该专利是通过测量加速度积分转动惯量来计算功率的，校准也是用的编码器，每一个瞬时值的累积会在长期监测以后产生较大的误差偏离；该专利中使用的编码盘是数字测量的形式，精度限制于编码盘的分辨率，信号不能放大，而我们使用的应变片是模拟电路测量，信号可以无限放大；以及该专利中使用的编码盘采用的是光电信号，受到一点点污染就不能用了，对于船舶的苛刻现场环境有一定的制约性。

轴功率作为船用柴油机及其动力装置最重要的性能参数之一，一般通过间接测量轴系的输出转矩和转速得到。目前，国内船舶轴系轴功率测量还主要采用钢弦式转矩仪，它是利用轴扭转时传感器中的钢弦拉紧或放松，通过钢弦自身频率变化测得转矩。这种转矩仪的体积较大，传感器安装复杂，对测试环境要求较高。属于一种接触式转矩测量法。

应变式转矩仪通过应变式传感器来测量轴在扭矩作用下产生的主应变。其传感器有应变片、铁磁材料等。根据应变信号传输方式的不同，又分为接触式和遥测式应变测量两种方法。目前在舰船上使用的扭矩和轴功率测量的设备都是便携式测量使用的，真正可以安装在舰船轴系上长期使用的扭矩，轴功率监测设备大多数都还停留在理论阶段，没有落地的产品，这是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中的上述问题，提出的一种船用推进轴扭矩/功率/转速/转向遥感式应变测量系统及其测量装置和测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面是提供一种船用推进轴遥感式应变测量系统，用于金属和/或非金属传动轴的测量，包括：

一转子采集系统，其包含设置于被测传动轴上的应力片扭矩测量电桥和转速/转向传感器，用于检测所述传动轴的微应变信号和转速/转向信号，并将检测的所述微应变信号和转速/转向信号无线发送至定子分析系统；

一定子分析系统，用于接收所述转子模块传输的所述微应变信号和转速/转向信号，并对其进行分析处理、存储和显示，以获得所述传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息；以及

一无线感应供电系统，其采用oc型线圈缠绕无线供电、电源激励方式，分别与所述转子采集系统和定子分析系统连接，用于为所述应力片扭矩测量电桥、转速/转向传感器提供电源。

进一步地，所述转子采集系统，还包含：

一无线能量传输模块，其与所述无线感应供电系统的转子激励c型线圈连接，用于为所述转子采集系统提供电源；

一应变片激励/数据采集模块，其与所述应力片扭矩测量电桥连接，用于采集所述传动轴的微应变信号；以及

一转子微处理单元，其与所述应变片激励/数据采集模块和所述转速/转向传感器连接，用于接收所述微应变信号和转速/转向信号。

进一步优选地，所述定子分析系统，包括：

一主控单元，其通过无线通信模块与所述转子微处理单元连接，用于接收所述微应变信号和转速/转向信号，并对接收的所述微应变信号和转速/转向信号进行分析处理；

一本地显示单元，其与所述主控单元连接，用于实时显示所述传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息；以及

一储存单元，其与所述主控单元连接，用于实时储存所述传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息。

进一步更为优选地，所述无线通信模块包括与所述转子微处理单元连接的无线数据发送模块和与所述主控单元连接的无线数据接收模块。

进一步地，所述的船用推进轴遥感式应变测量系统，还包括：一通过rs485转接模块与所述主控单元连接的远程监控系统，用于远程实时监测所述传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息。

进一步地，所述无线能量传输模块通过所述定子分析系统外接24vdc。

进一步地，所述无线能量传输模块，包括：

一正弦信号产生与放大电路，用于产生高频正弦信号，并将正弦信号放大，以驱动发射线圈；

一o型无线能量发射端，其为圆形绕制的螺旋线，接在正弦信号产生于放大电路上，用于无线能量的发射；

一c型无线能量接收端，其为矩形绕制的螺旋线，并将螺旋线整体弯曲成c型，贴在转子上，接在转子电路中，用于无线能量的接受；

一整流稳压电路，其由二极管整流电路、稳压芯片以及储能电容组成，用于无线能量的接收、整流、滤波、稳压以及存储。

本发明的第二个方面是提供一种基于所述系统的船用推进轴遥感式应变测量装置，其包括转子采集装置和由无线感应供电装置、定子分析装置构成的定子装置，所述无线感应供电装置和定子分析装置位于支座架顶部，其中：

所述转子采集装置设置于传动轴上，其包括转子套环、扭矩测量应变片、设置于所述转子套环上的转子电路板和转速/转向传感器，所述转子电路板分别与所述扭矩测量应变片和转速/转向传感器连接，用于检测所述传动轴的微应变信号和转速/转向信号，并将检测的所述微应变信号和转速/转向信号无线发送至定子分析装置；

所述无线感应供电装置包括定子盒、设置于所述定子盒内的定子激励o型线圈和设置于所述转子套环上的转子激励c型线圈，所述定子激励o型线圈和所述转子激励c型线圈分别采用o型和c型线圈缠绕组合方式进行无线供电，用于为所述扭矩测量应变片、转子电路板和转速/转向传感器提供电源；以及

所述定子分析装置包括控制箱、设置于所述控制箱上的定子电路板和分别与所述定子电路板连接的电源稳压模块和本地显示屏，用于接收所述采集装置采集的所述微应变信号和转速/转向信号，并对其进行分析处理、存储和显示，以获得所述传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息。

进一步地，所述转子套环包括两对称布置的第一半环形固定环和第二半环形固定环，且所述第一半环形固定环和第二半环形固定环通过螺栓可拆卸套设于所述传动轴上。

进一步地，转子激励c型线圈设置于所述转子套环的表面，并与所述定子激励o型线圈对应布置。

作为本发明的第三个方面是提供一种基于所述测量装置的船用推进轴遥感式应变测量方法，包括如下步骤：

s1，将扭矩测量应变片粘贴安装在传动轴上；

s2，将扭矩测量应变片通过电缆连接转子采集装置的转子电路板；

s3，将转子采集装置通过转子套环套设于传动轴上；

s4，将无线感应供电装置的转子激励c型线圈安装于转子套环表面；

s5，将无线感应供电装置的定子激励o型线圈对准转子套环表面，确保无线供电信号正常；

s6，接通电源，使转子采集装置与传动轴同步旋转；

s7，由转子采集装置采集所述传动轴的微应变信号和转速/转向信号并发送至定子分析装置；

s8，并由定子分析装置对接收到的所述微应变信号和转速/转向信号进行分析处理、存储和显示，获得传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息。

进一步地，所述船用推进轴遥感式应变测量方法，所述测量方法还包括：s9，经由定子分析装置分析处理获得的传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息，发送至远程监控系统进行存储和显示。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)针对金属和非金属不同材料、不同直径的传动轴进行了全新的通用型oc型无线感应供电设计，可以满足各种材质的传动轴测量需求；

(2)通过设置转速/转向传感器对传动轴的旋转方向进行监控，可以实时判断传动轴的旋转方向，而现有技术中没有这项功能；

(3)通过在定子装置上设置本地显示屏，有效解决了在测量现场无法直接观察读取扭矩、功率、转速和转向的问题；

(4)本发明采用应变技术的遥测式扭矩、轴功率测量装置，具有体积小、安装方便、信号在传输过程中受环境噪声的影响较小等优点；

(5)根据对应变片的设置还可以对温度进行自动补偿，有效避免了温度变化对应变片测量值的影响，适合较复杂工况下的测量。

附图说明

图1为本发明一种船用推进轴遥感式应变测量系统的整体结构示意图；

图2为本发明一种船用推进轴遥感式应变测量系统中转子采集系统的结构示意图；

图3为本发明一种船用推进轴遥感式应变测量系统中定子分析系统的结构示意图；

图4为本发明一种船用推进轴遥感式应变测量系统中远程监控系统的结构示意图；

图5为本发明一种船用推进轴遥感式应变测量装置的立体结构示意图；

图6为本发明一种船用推进轴遥感式应变测量装置的侧视结构示意图；

图7为本发明一种船用推进轴遥感式应变测量装置与传动轴的装配结构示意图；

图8为本发明一种船用推进轴遥感式应变测量装置的爆炸结构示意图；

图9为本发明一种船用推进轴遥感式应变测量方法的流程示意图；

其中，各附图标记为：

100-转子采集装置，110-转子套环，111-第一半环形固定环111，112-第一半环形盖板，113-第二半环形固定环，114-第二半环形盖板，115--转子电路板盖板，120-扭矩测量应变片，130-转子电路板，140-转速/转向传感器；200-无线感应供电装置，210-定子盒，211-盒支架，212-散热片，213-盒体，214-盒密封垫，215-盒底板；220-定子激励o型线圈，230-转子激励c型线圈；300-定子分析装置，301-控制箱，302-定子电路板，303-电源稳压模块，304-本地显示屏，305-接线端子排，306-熔断器，307-防水垫圈，308-箱体盖板；400-支座架，401-底座402-支撑架，403-连接板；500-传动轴。

具体实施方式

本发明提供的船用推进轴遥感式应变测量系统和测量装置，针对金属和非金属不同材料不同直径的的传动轴进行了全新的通用型oc型无线感应供电设计，以满足各种材质及尺寸的传动轴测量需求，主要用于对设备的传动轴在旋转工作状态时的实时扭矩、功率、转速和转向进行监测，并可以把相关信息数据传输给其他需要的外部设备。

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1

参阅图1所示，提供一种船用推进轴遥感式应变测量系统，用于金属和/或非金属传动轴的测量，包括：一转子采集系统，其包含设置于被测传动轴上的应力片扭矩测量电桥和转速/转向传感器，24-bit超高精度ad数据转换器ads1255，高精度电压基准芯片及仪器用信号放大器模块ina128，用于检测所述传动轴的微应变信号和转速/转向信号，并将检测的所述微应变信号和转速/转向信号通过无线数据发送模块(zigbee无线模块)发送至定子分析系统；一定子分析系统，用于接收所述转子模块传输的所述微应变信号和转速/转向信号，并利用主控单元对其进行分析处理、存储和显示，以获得所述传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息，所述主控单元采用基于arm核心的stm32微处理器；以及一无线感应供电系统，其采用oc型线圈缠绕无线供电、电源激励方式，其中包括正弦信号产生与放大电路、o型无线能量发射端、c型无线能量接收端和整流稳压电路；其中，正弦信号产生与放大电路，用于产生高频正弦信号，并将正弦信号放大，以驱动发射线圈；o型无线能量发射端，其为圆形绕制的螺旋线，接在正弦信号产生于放大电路上，用于无线能量的发射；c型无线能量接收端，其为矩形绕制的螺旋线，并将螺旋线整体弯曲成c型，贴在转子上，接在转子电路中，用于无线能量的接受；以及整流稳压电路，用于无线能量的接收、整流、滤波、稳压以及存储，分别与所述转子采集系统和定子分析系统连接，用于为所述应力片扭矩测量电桥、转速/转向传感器提供电源。

本实施例的船用推进轴遥感式应变测量系统，针对金属和非金属不同材料、不同直径的传动轴进行了全新的oc型无线感应供电设计，可以满足各种材质及直径的传动轴测量需求；通过设置转速/转向传感器对传动轴的旋转方向进行监控，可以实时判断传动轴的旋转方向，而现有技术中没有这项功能。

参阅图2所示，在本实施例中，所述转子采集系统，还包含：一无线能量传输模块，其与所述无线感应供电系统的转子激励c型线圈连接，用于为所述转子采集系统提供电源；一应变片激励/数据采集模块，其与所述应力片扭矩测量电桥连接，用于采集所述传动轴的微应变信号；以及一转子微处理单元，其与所述应变片激励/数据采集模块和所述转速/转向传感器连接，用于接收所述微应变信号和转速/转向信号。

参阅图3所示，在本实施例中，所述定子分析系统，包括：一主控单元，其通过无线通信模块与所述转子微处理单元连接，用于接收所述微应变信号和转速/转向信号，并通过基于arm的stm32微处理器对所述微应变信号和转速/转向信号进行分析处理；一本地显示单元，其与所述主控单元连接，用于实时显示所述传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息；以及一储存单元，其与所述主控单元连接，用于实时储存所述传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息。此外，根据构成应力片扭矩测量电桥的应变片的设置，还可以通过主控单元对温度进行自动补偿，有效避免了温度变化对应变片测量值的影响，适合较复杂工况下的测量。

请继续参阅图3所示，在本实施例中，所述da数据转换模块为若干个，且分别与主控单元连接，用于对经所述主控单元分析处理后的微应变信息和转速/转向信息通过信号放大器转换为转速和功率，并实时地显示在本地显示屏上。此外，该主控单元还可通过rs485转接模块连接连接拓展接口。

参阅图1-3所示，在本实施例中，所述zigbee无线通信模块包括与所述转子微处理单元连接的无线数据发送模块和与所述主控单元连接的无线数据接收模块。所述无线数据发送模块设置在转子装置的转子电路上，所述无线数据接收模块设置在定子分析装置的定子电路板上。

参阅图4所示，在本实施例中，所述的船用推进轴遥感式应变测量系统，还包括：一通过rs485转接模块与所述主控单元连接的远程监控系统，用于远程实时监测所述传动轴的扭矩、功率、转速和转向信息，实现远程监控。

此外，请继续参阅图1所示，在本实施例中，所述无线能量传输模块通过所述定子分析系统外接24vdc。

实施例2

参阅图5-7所示，本实施例提供一种基于所述系统的船用推进轴遥感式应变测量装置，其包括转子采集装置100和由无线感应供电装置200、定子分析装置300构成的定子装置，所述无线感应供电装置200和定子分析装置300位于支座架400顶部，其中：通过无线感应供电装置200采用oc型线圈缠绕无线供电、电源激励的方式，为所述扭矩测量应变片120、转子电路板130和转速/转向传感器140提供电源；通过转子采集装置100实时采集检测所述传动轴500的微应变信号和转速/转向信号，并将检测的所述微应变信号和转速/转向信号无线发送至定子分析装置300；以及通过定子分析装置300对所述采集装置100采集的所述微应变信号和转速/转向信号进行分析处理、存储和显示，从而获得所述传动轴500的扭矩、功率、转速和转向信息。该船用推进轴遥感式应变测量装置具有体积小、安装方便、信号在传输过程中受环境噪声的影响较小等优点。

参阅图7和图8所示，作为一个优选本实施例，所述转子采集装置100设置于传动轴500上，其包括转子套环110、扭矩测量应变片120、设置于所述转子套环110上的转子电路板130和转速/转向传感器140，所述转子电路板130分别与所述扭矩测量应变片120和转速/转向传感器140连接，用于检测所述传动轴500的微应变信号和转速/转向信号，并将检测的所述微应变信号和转速/转向信号通过zigbee无线通信模块发送至定子分析装置300。

参阅图8所示，在本实施例中，所述转子套环110包括两对称布置的第一半环形固定环111和第二半环形固定环113，第一半环形固定环111和第二半环形固定环113分别呈半环形结构，将第一半环形固定环111和第二半环形固定环113装配后可构成一个完环形的且可套设在传动轴500上的转子套环110。且所述第一半环形固定环111和第二半环形固定环113通过螺栓可拆卸套设于所述传动轴500上，操作简单，安装维修方便。

此外，请继续参阅图8所示，在本实施例中，第一半环形固定环111和第二半环形固定环113上分别配设有第一半环形盖板112和第二半环形盖板114。如图5和图8所示，转子电路板130和转速/转向传感器140设置在第二半环形固定环113内，且在第二半环形固定环113的内壁对应转子电路板130的位置可拆卸设置有转子电路板盖板115，优选地，转子电路板盖板115采螺栓连接方式固定在第二半环形固定环113上。

参阅图7和图8所示，作为一个优选本实施例，所述无线感应供电装置200包括定子盒210、设置于所述定子盒210内的定子激励o型线圈220和设置于所述转子套环110上的转子激励c型线圈230，所述定子激励o型线圈220和所述转子激励c型线圈230采用oc型线圈缠绕进行无线供电，用于为所述扭矩测量应变片120、转子电路板130和转速/转向传感器140提供电源。

请继续参阅图8所示，在本实施例中，该定子盒210位于支座架400的一侧，且与转子采集装置100对应布置，其包括盒支架211、散热片212、盒体213和盒底板215，所述盒支架211固定子在连接板403上，且定子激励o型线圈220套设在盒支架211，所述散热片212固定安装在盒支架211上其位于定子激励o型线圈220内，通过散热片212定子激励o型线圈220进行散热。散热片212和定子激励o型线圈220均位于盒体213内，且盒体213的底部设置盒底板215，并在盒底板215于盒体213布置盒密封垫214进行密封处理。

参阅图7和图8所示，作为一个优选本实施例，所述定子分析装置300包括控制箱301、设置于所述控制箱301上的定子电路板302和分别与所述定子电路板302连接的电源稳压模块303和本地显示屏304，用于接收所述采集装置100采集的所述微应变信号和转速/转向信号，并对其进行分析处理、存储和显示，以获得所述传动轴500的扭矩、功率、转速和转向信息。

请继续参阅图8所示，在本实施例中，所述控制箱301内还设置有电源稳压模块303、接线端子排305和熔断器306，电源稳压模块303、接线端子排305和熔断器306分别与定子电路板302连接，且控制箱301的正面设置有箱体盖板308，所述本地显示屏304装设在该箱体盖板308上，通过本地显示屏304有效解决了在测量现场无法直接观察读取扭矩、功率、转速和转向的问题。

请继续参阅图8所示，在本实施例中，转子激励c型线圈230设置于所述转子套环110的表面，并与所述定子激励o型线圈220对应布置，并确保无线供电信号正常。

实施例3

请参阅图9所示，提供一种基于所述测量装置的船用推进轴遥感式应变测量方法，包括如下步骤：

s1，将扭矩测量应变片120粘贴安装在传动轴500上；

s2，将扭矩测量应变片120通过电缆连接转子采集装置100的转子电路板130；

s3，将转子采集装置100通过转子套环110套设于传动轴500上；

s4，将无线感应供电装置200的转子激励c型线圈230安装于转子套环110表面；

s5，将无线感应供电装置200的定子激励o型线圈220对准转子套环110表面，确保无线供电信号正常；

s6，接通电源，使转子采集装置100与传动轴500同步旋转；

s7，由转子采集装置100采集所述传动轴500的微应变信号和转速/转向信号并发送至定子分析装置300；

s8，并由定子分析装置300对接收到的所述微应变信号和转速/转向信号进行分析处理、存储和显示，获得传动轴500的扭矩、功率、转速和转向信息。

在本实施例中，所述测量方法还包括：s9，经由定子分析装置300分析处理获得的传动轴500的扭矩、功率、转速和转向信息，发送至远程监控系统进行存储和显示。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。