一种船用轴系动态测试系统标定方法与流程

1.本发明涉及传动轴测量技术领域，尤其是一种船用轴系动态测试系统标定方法。


背景技术：

2.随着船舶行业快速发展，船舶建造呈大型化发展趋势，主机功率越来越大，相应的传动轴系也越来越粗，因此对传动轴进行动态负载测量得到更多的重视。一般在实船试验中，通过测量轴系在旋转过程中产生的微小应变量，进而得到所需的轴系脉动力。由于船舶轴系在旋转过程中产生的应变量通常在0.1με以下，传统的应变测量系统是无法满足轴系脉动力测量要求的，而高精度的应变测量系统标定存在一定困难。因此，为校核轴系脉动力测量系统的测试能力和测量精度，保证轴系动态负载测量结果的准确性和可信度，提出了一种船用轴系动态测试系统标定方法。


技术实现要素：

3.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种船用轴系动态测试系统标定方法，本发明的技术方案如下：
4.一种船用轴系动态测试系统标定，包括如下步骤：
5.对标定测试系统进行标定，将标定合格的标定测试系统围绕模拟轴筒布置；标定测试系统包括数据采集系统以及与其相连的若干个加速度传感器、两个待测应变传感器和激振器；
6.在第一预定条件下对模拟轴筒进行幅值线性度测试，计算待测应变传感器在各个有效幅值下的灵敏度，基于计算得到的灵敏度输出幅值线性度标定结果；第一预定条件为：激振器采用特定频率，从激振器输出的最小激励力和最大激励力之间选取多个有效幅值分别对模拟轴筒进行激励，有效幅值使采集到的加速度测量值均在设定加速度范围内；
7.在第二预定条件下对模拟轴筒进行频率响应特性测试，计算待测应变传感器在各个频率下的灵敏度，基于计算得到的灵敏度输出频率响应特性标定结果；第二预定条件为：激振器采用多个频率，在每个频率下，从激振器输出的最小激励力和最大激励力之间选取一个有效幅值对模拟轴筒进行激励，其中选取的多个频率中包含特定频率。
8.其进一步的技术方案为，将标定合格的标定测试系统围绕模拟轴筒布置，包括：
9.模拟轴筒水平悬置，若干个加速度传感器沿轴筒轴向分布在模拟轴筒两个端部的筒壁上，且每端的加速度传感器沿轴向对称布置，两个待测应变传感器分布在模拟轴筒中部的筒壁上，且沿轴向对称布置，激振器分布在模拟轴筒的一端，激励点位于模拟轴筒的端盖中心；数据采集系统包括遥测系统和数据采集器，每个加速度传感器和待测应变传感器依次与遥测系统和数据采集器相连，激振器通过功率放大器与数据采集器相连，数据采集器用于收集测试时加速度传感器输出的加速度测量值、待测应变传感器输出的电压值和激振器输出的激励力。
10.其进一步的技术方案为，计算待测应变传感器在各个有效幅值下的灵敏度与计算
待测应变传感器在各个频率下的灵敏度的方法相同，包括，对于每个有效幅值，或者对于每个频率：
11.在激励过程中获取加速度平均值和电压值，将加速度平均值换算成模拟轴筒中部位置处的理论应变值；
12.基于理论应变值和电压值计算待测应变传感器的灵敏度。
13.其进一步的技术方案为，基于计算得到的灵敏度输出幅值线性度标定结果，包括：
14.对于每个有效幅值，将计算得到的灵敏度与静态标定时获取的待测应变传感器的平均灵敏度进行比较，得到待测应变传感器的幅值线性度偏差，表达式为：
[0015][0016]
其中，e
l
为幅值线性度偏差，表示编号为si的待测应变传感器的灵敏度，表示静态标定时获取的待测应变传感器的平均灵敏度；
[0017]
将数据采集系统收集的传感器数据、所有灵敏度和所有幅值线性度偏差对应有效幅值整理成表格，传感器数据包括加速度传感器输出的加速度测量值和待测应变传感器输出的电压值；
[0018]
若存在幅值线性度偏差不满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器不符合幅值线性度要求规范作为幅值线性度标定结果，与表格一并输出；
[0019]
若幅值线性度偏差均满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器符合幅值线性度要求规范作为幅值线性度标定结果，与表格一并输出。
[0020]
其进一步的技术方案为，基于计算得到的灵敏度输出频率响应特性标定结果，包括：
[0021]
将特定频率下计算得到的灵敏度作为参考值，对于每个频率，将计算得到的灵敏度与参考值进行比较，得到待测应变传感器的频响偏差，表达式为：
[0022][0023]
其中，ef为频响偏差，表示编号为si的待测应变传感器的灵敏度，s0表示特定频率下计算得到的灵敏度；
[0024]
将数据采集系统收集的传感器数据、所有灵敏度和所有频响偏差对应选取的频率整理成表格，传感器数据包括加速度传感器输出的加速度测量值和待测应变传感器输出的电压值；
[0025]
若存在频响偏差不满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器不符合频率响应特性要求规范作为频率响应特性标定结果，与表格一并输出；
[0026]
若幅值线性度偏差均满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器符合频率响应特性要求规范作为频率响应特性标定结果，与表格一并输出。
[0027]
其进一步的技术方案为，加速度与应变量换算公式表示为：
[0028][0029]
其中，ε为理论应变值，为所有加速度传感器输出的加速度测量值的平均值，ρ为
模拟轴筒的钢板密度，la为模拟轴筒总长的一半，e为钢板材料杨氏模量；
[0030]
灵敏度的计算公式表示为：
[0031][0032]
其中，表示编号为si的待测应变传感器的灵敏度，表示编号为si的待测应变传感器输出的电压值。
[0033]
其进一步的技术方案为，方法还包括：
[0034]
设定加速度范围的上下限依据加速度与应变量换算公式而确定，当加速度测量值在设定加速度范围内时，理论应变值处于纳米量级；
[0035][0036]amax
＝10
·amin
；
[0037]
其中，a
min
为设定加速度范围的下限值，a
max
为设定加速度范围的上限值。
[0038]
其进一步的技术方案为，对标定测试系统进行标定，包括：
[0039]
分别对加速度传感器、激振器和数据采集器按照国家计量标准进行标定，确保所用仪器仪表符合计量标准。
[0040]
其进一步的技术方案为，方法还包括：
[0041]
在幅值线性度测试和频率响应特性测试过程中分别确定最小有效幅值，在包含最小有效幅值的预定条件下，计算每个加速度传感器和待测应变传感器位置处的信噪比并整理成表格；
[0042]
若最小信噪比不满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器不符合试验要求规范作为幅值线性度或频率响应特性标定结果，与表格一并输出；
[0043]
若最小信噪比满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器符合试验要求规范作为幅值线性度或频率响应特性标定结果，与表格一并输出。
[0044]
本发明的有益技术效果是：
[0045]
该方法基于加速度与应变量换算公式，将模拟轴筒两端加速度平均值换算为轴筒中部应变值，得到待测应变传感器安装位置的理论应变值，进而在幅值线性度测试和频率响应特性测试过程中得到待测应变传感器相应的灵敏度，通过与相应的标准值对比得到幅值线性度偏差和频响偏差，再与试验要求的技术指标对比进而完成待测应变传感器的标定，确定待测应变传感器的测试能力和测量精度；系统通过控制激振器的幅值，保证轴筒中部的理论应变值保持在纳米量级，可有效解决船用轴系微小应变情况下，应变测量系统的标定问题。
附图说明
[0046]
图1是本技术提供的船用轴系动态测试系统标定方法流程图。
[0047]
图2是本技术提供的标定测试系统的电路连接示意图。
[0048]
图3是本技术提供的标定测试系统的布置图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0050]
本技术提供了一种船用轴系动态测试系统标定方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
[0051]
步骤1：对标定测试系统进行标定。
[0052]
如图2所示，标定测试系统包括数据采集系统以及与其相连的若干个加速度传感器、两个待测应变传感器和激振器。数据采集系统包括遥测系统和数据采集器，每个加速度传感器和待测应变传感器依次与遥测系统和数据采集器相连，激振器通过功率放大器与数据采集器相连，数据采集器用于收集测试时加速度传感器输出的加速度测量值、待测应变传感器输出的电压值和激振器输出的激励力。
[0053]
具体的，分别对加速度传感器、激振器和数据采集器按照国家计量标准进行标定，确保所用仪器仪表符合计量标准，排出标定测试系统不准确导致标定失败的问题。
[0054]
步骤2：将标定合格的标定测试系统围绕模拟轴筒布置。
[0055]
如图3所示，将模拟轴筒1水平悬置，若干个加速度传感器沿轴筒轴向分布在模拟轴筒1两个端部的筒壁上，且通过端板固定在筒壁上，每端的加速度传感器沿轴向对称布置。两个待测应变传感器s1、s2分布在模拟轴筒1中部的筒壁上，且沿轴向对称布置，激振器分布在模拟轴筒1的一端，激励点位于模拟轴筒1的端盖中心。
[0056]
可选的，模拟轴筒1的材料为钢材，本实施例采用四个加速度传感器，记为a1、a2、a3、a4，按照上述方式布置。
[0057]
可选的，在安装好标定测试系统后，调试整个系统，确保信号采集正常。
[0058]
步骤3：在第一预定条件下对模拟轴筒进行幅值线性度测试。
[0059]
其中，第一预定条件为：激振器采用特定频率，从激振器输出的最小激励力(也即测量信号的最小信噪比)和最大激励力(也即激振器的最大输出力)之间选取多个有效幅值分别对模拟轴筒进行激励，有效幅值使采集到的加速度测量值均在设定加速度范围内。
[0060]
在本实施例中，特定频率选用传统静态标定悬臂梁时的10.5hz，并选取8个有效幅值分别对模拟轴筒进行激励。
[0061]
步骤4：计算待测应变传感器在各个有效幅值下的灵敏度，具体包括：
[0062]
步骤41：对于每个有效幅值，在激励过程中获取加速度平均值和电压值，将加速度平均值换算成模拟轴筒中部位置处的理论应变值。
[0063]
加速度与应变量换算公式的推导原理如下：
[0064]
根据圣维南原理，轴筒端部结构的受力对轴筒中部结构影响很小，可以认为其中部处于均匀轴向受力状态。考虑钢材料一维准纵波相速为则当频率远小于f1＝c/(2l)时，可以认为轴筒结构在外界激励作用下做准刚体运动，即轴筒自身的纵向变形与其加速度相比极为微小。因此，模拟轴筒两个端部所测得的加速度测量值均能够正确反映轴筒的轴向运动加速度，则模拟轴筒中部的应变量ε与加速度平均值存在如下关系：
[0065]
[0066][0067]
其中，为所有加速度传感器输出的加速度测量值的平均值；fa、f分别为对模拟轴筒结构的总激励力及模拟轴筒中部截面的内力；m1、m2分别为沿轴向对称的两个端板的质量；l为模拟轴筒的总长度，la为模拟轴筒端部到中部的距离；ρ为模拟轴筒的钢板密度，a为模拟轴筒的截面面积；ε为理论应变值，e为钢板材料杨氏模量。
[0068]
将公式(2)代入公式(1)中，得到：
[0069][0070]
由于端板质量与模拟轴筒相比较小，忽略此量，则式(3)简化为：
[0071][0072]
本实施例中，取ρ＝7800，l＝1.4m，la＝0.7m，e＝2.1
×
10
11
，则转换为微应变量级，即
[0073]
从式(4)可以看出，模拟轴筒中部的应变量与轴筒整体加速度平均值成正比关系，当加速度测量值在设定加速度范围内时，能够保证模拟轴筒中部的理论应变值处于纳米量级。设定加速度范围的上下限依据加速度与应变量换算公式(4)而确定：
[0074][0075]amax
＝10
·amin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0076]
其中，a
min
为设定加速度范围的下限值，a
max
为设定加速度范围的上限值，将ρla/e＝2.6
×
10-8
代入式(5)，得到设定加速度范围为[0.038,0.38]，加速度单位为m/s2。
[0077]
步骤42：基于理论应变值和电压值计算待测应变传感器的灵敏度。
[0078]
测试时将待测应变传感器的灵敏度设置为1，也即测量值是以mv为单位的电压值，则灵敏度的计算公式表示为：
[0079][0080]
其中，表示编号为si的待测应变传感器的灵敏度，表示编号为si的待测应变传感器输出的电压值。
[0081]
步骤5：基于计算得到的灵敏度输出幅值线性度标定结果，具体包括：
[0082]
步骤51：对于每个有效幅值，将计算得到的灵敏度与静态标定时获取的待测应变传感器的平均灵敏度进行比较，得到待测应变传感器的幅值线性度偏差，表达式为：
[0083][0084]
其中，e
l
为幅值线性度偏差，表示编号为si的待测应变传感器的灵敏度，表示静态标定时获取的待测应变传感器的平均灵敏度。
[0085]
步骤52：将数据采集系统收集的传感器数据、所有灵敏度和所有幅值线性度偏差
对应有效幅值整理成表格，传感器数据包括加速度传感器输出的加速度测量值和待测应变传感器输出的电压值。
[0086]
可选的，表格中还包括每个有效幅值下的加速度平均值和理论应变值。本实施例以待测应变传感器s2为例，其幅值线性度测量结果如表1所示。
[0087]
表1待测应变传感器幅值线性度测量结果(10.5hz)
[0088][0089]
步骤53：若存在幅值线性度偏差不满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器不符合幅值线性度要求规范作为幅值线性度标定结果，与表格一并输出。若幅值线性度偏差均满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器符合幅值线性度要求规范作为幅值线性度标定结果，与表格一并输出。
[0090]
从表1可以看出，待测应变传感器s2的幅值线性度偏差绝对值均小于4％，满足通常试验要求的幅值线性度偏差小于5％的技术指标。因此将待测应变传感器s2符合幅值线性度要求规范以及表1作为幅值线性度标定结果输出。同理，也可以得到待测应变传感器s1的幅值线性度标定结果，在此不进行赘述。
[0091]
可选的，步骤5还包括：
[0092]
在步骤52中：确定最小有效幅值，在包含最小有效幅值的预定条件下，计算每个加速度传感器和待测应变传感器位置处的信噪比并整理成表格。
[0093]
从表1可以看出，第5次测量时的加速度测量值以及理论应变值与其他测量时获取的值相比更小，因此第5次测量时的激励力幅值最小。可选的，表格中还包括各测点在无激励时采集的背景振动噪声，则相应的各测点的有效值如表2所示。
[0094]
表2第5次测量时各测点的有效值
[0095][0096]
在步骤53中：若最小信噪比不满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器不符合试验要求规范作为幅值线性度标定结果，与表格一并输出。若最小信噪比满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器符合试验要求规范作为幅值线性度标定结果，与表格一并输出。
[0097]
从表2可以看出，最小信噪比为14.1db，满足通常试验要求的大于10db的技术指标，证实了标定结果，因此将待测应变传感器s2符合幅值线性度要求规范以及表1、表2作为幅值线性度标定结果输出。同理，也可以得到待测应变传感器s1的幅值线性度标定结果，在此不进行赘述。
[0098]
步骤6：在第二预定条件下对模拟轴筒进行频率响应特性测试。
[0099]
其中，第二预定条件为：激振器采用多个频率，在每个频率下，从激振器输出的最小激励力(也即测量信号的最小信噪比)和最大激励力(也即激振器的最大输出力)之间选取一个有效幅值对模拟轴筒进行激励，其中选取的多个频率中包含特定频率，有效幅值使采集到的加速度测量值均在设定加速度范围内。
[0100]
在本实施例中，考虑到激振器的频响特性，选择5hz、10.5hz、20hz、50hz和100hz共5个频率点对模拟轴筒进行激励，同样在纳应变的量级上进行。
[0101]
步骤7：计算待测应变传感器在各个频率下的灵敏度。
[0102]
步骤71：对于每个频率，在激励过程中获取加速度平均值和电压值，将加速度平均值换算成模拟轴筒中部位置处的理论应变值。
[0103]
步骤72：基于理论应变值和电压值计算待测应变传感器的灵敏度。
[0104]
该步骤与步骤4计算灵敏度的方法相同，在此不进行赘述。
[0105]
步骤8：基于计算得到的灵敏度输出频率响应特性标定结果，具体包括：
[0106]
步骤81：将特定频率(也即10.5hz)下计算得到的灵敏度作为参考值，对于每个频率，将计算得到的灵敏度与参考值进行比较，得到待测应变传感器的频响偏差，表达式为：
[0107][0108]
其中，ef为频响偏差，表示编号为si的待测应变传感器的灵敏度，s0表示特定频率下计算得到的灵敏度。
[0109]
步骤82：将数据采集系统收集的传感器数据、所有灵敏度和所有频响偏差对应选取的频率整理成表格，传感器数据包括加速度传感器输出的加速度测量值和待测应变传感器输出的电压值。
[0110]
可选的，表格中还包括每个频率下的加速度平均值和理论应变值，待测应变传感器s1、s2的频率响应测量结果如表3所示。
[0111]
表3应变传感器频率响应测量结果
[0112][0113]
步骤83：若存在频响偏差不满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器不符合频率响应特性要求规范作为频率响应特性标定结果，与表格一并输出。若幅值线性度偏差均满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器符合频率响应特性要求规范作为频率响应特性标定结果，与表格一并输出。
[0114]
从表3可以看出，频率为5hz时激励力最小，对应的理论应变值为4.67nε，频率为100hz时激励力最大，对应的理论应变值为8.06nε，s1和s2的最大频响偏差分别为2.40％和-2.20％，其绝对值均满足通常试验要求的频响不大于5％的技术指标。因此将待测应变传感器s1、s2均符合频率响应特性要求规范以及表3作为频率响应特性标定结果输出。
[0115]
可选的，步骤8还包括：
[0116]
在步骤82中：确定最小有效幅值，在包含最小有效幅值的预定条件下，计算每个加速度传感器和待测应变传感器位置处的信噪比并整理成表格。
[0117]
从表3可以看出，频率为5hz时的加速度测量值以及理论应变值与其他测量时获取的值相比更小，因此频率为5hz时的激励力幅值最小。可选的，表格中还包括各测点在无激励时采集的背景振动噪声，则相应的各测点的有效值如表4所示。
[0118]
表4 5hz激励时各测点的有效值
[0119][0120]
在步骤83中：若最小信噪比不满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器不符合试验要求规范作为频率响应特性标定结果，与表格一并输出。若最小信噪比满足试验要求的技术指标，则将待测应变传感器符合试验要求规范作为频率响应特性标定结果，与表格一并输出。
[0121]
从表4可以看出，最小信噪比为18.4db，满足通常试验要求的大于10db的技术指标，证实了标定结果，因此将待测应变传感器s1、s2符合频率响应特性要求规范以及表3、表4作为频率响应特性标定结果输出。
[0122]
需要说明的是，当待测应变传感器不符合幅值线性度要求规范时，后续步骤6-8无需继续执行。
[0123]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。