一种水轮机主轴机械动态特性实时测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水轮机稳定性监测领域，尤其涉及一种水轮机主轴机械动态特性实时 测量系统。
【背景技术】
[0002] 目前国内对水轮机的稳定性监测，主要集中在对扭矩产生的扭振现象监测方面， 该方法较多应用于大型机组的灾变事故预测，且该方法的精度不高，实时性较差。
[0003] 目前对扭矩测量按照时间历程可分为静态扭矩测量和动态扭矩测量，其测量方法 按照基本原理可以分为传递法、平衡力法及能量转换法三类。传递法，是根据弹性元件在传 递扭矩时，所产生的物理参数的变化而测量扭矩的方法。这里的物理参数可以是弹性元件 的变形、应力或应变，最常用于测量扭矩的弹性元件是扭轴；平衡力法，是测量机体上的平 衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法；能量转换法，是根据其它能量参数测量机 械能参数及扭矩的方法。在能量转换法中，扭矩测量通常为间接测量。根据转矩信号的传 输方式不同，又可分为接触式和非接触式两种。
[0004] 扭矩在线监测对减少事故和快速分析事故或故障有着重要的经济意义。对于水轮 机主轴系统在各种载荷和工作环境下的动态特性，目前国内外还没有较好的解决方案。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种水轮机主轴机械动态特性实时测量系统，旨在解决对 于水轮机主轴系统在各种载荷和工作环境下的动态特性检测，目前国内外还没有较好的解 决方案的问题。
[0006] 本发明是这样实现的，一种水轮机主轴机械动态特性实时测量系统，所述的水轮 机主轴机械动态特性实时测量系统包括：扭矩传感器、光栅测量系统、相位检测单元、A/D 转换单元、数据处理单元和计算机；
[0007] 扭矩传感器，连接法兰、发电机、电动机和传动轴，用于于将主轴受到的扭矩变换 成光信号，通过光电器件进行光电转换，送给信号调理电路进行放大、整形、滤波处理；
[0008] 光栅测量系统，与扭矩传感器连接，用于检测条纹；
[0009] 相位检测单元，与光栅测量系统连接，将光栅测量系统检测的条纹进行信号之间 相位差的测量；
[0010] A/D转换单元，与相位检测单元连接，用于把模拟信号变换成数据处理单元识别的 数字信号，采用移位寄存器将串行信号变换为并行信号，并通过数据处理单元控制时序进 行模数转换；
[0011] 数据处理单元，与A/D转换单元连接，用于对A/D转换单元进行时序控制和移位寄 存器的读取控制，并把A/D转换的结果进行处理，通过串口送给计算机；
[0012] 计算机，与数据处理单元连接，采用串口接收数据处理单元送来的相位差信号，对 信号进行分析、处理以及各种误差分析补偿，实现水轮机主轴系统的动态监测。
[0013] 进一步，扭矩传感器包括顺序放置的光源、准直透镜、主光栅、指示光栅、接收光 学系统、光电检测器；光源采用发光二极管；主光栅采用刻线切于一个小圆的切向圆光栅， 玻璃基底；指示光栅采用和主光栅刻线相同的圆光栅，对称地刻有两个栅线区，分别得到 0°、90°的信号，两栅线区间有Imm的间隙；接收光学系统包括娃光电池、光电二极管和光 电三极管，光电元件的空间位置能调整。
[0014] 进一步，主光栅，栅线占空比为1/2。
[0015] 进一步，扭矩传感器选用一级光谱限制波段范围、消除光谱重叠。
[0016] 进一步，水轮机主轴机械动态特性实时测量系统的数据处理包括信号采集电路、 信号调理电路和模数转换、数据处理单元；
[0017] 信号采集电路实现莫尔条纹的获取，并将莫尔条纹转换成电信号；
[0018] 信号调理电路实现功能包括：将信号采集电路输出的正弦信号进行放大滤波，并 去处暗电流；
[0019] 模数转换电路实现正弦波的细分，计算出相位差和识别旋转方向；
[0020] 数据处理单元转换控制的时序控制和数据处理及通信。
[0021] 效果:T总
[0022] 本发明通过光栅扭矩传感器，将主轴受到的扭矩转换为两路有相位差的正弦波信 号，采用ISP可编程模拟器件对接收到的正弦信号进行放大、滤波，通过A/D转换单元将模 拟信号转换为数字信号以及数据处理单元处理，通过串行口送至计算机进行人机交互，不 仅在匀速状态下有较高的测量精度，而且能够以较高精度检测到主轴加、减速状态下的扭 矩值，适应于各种干扰性强、温度高等恶劣环境。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明实施例提供的水轮机主轴机械动态特性实时测量系统的结构示意 图；
[0024] 图2是本发明实施例提供的扭矩传感器的结构示意图；
[0025] 图3是本发明实施例提供的切向圆光栅示意图；
[0026] 图4是本发明实施例提供的切向圆光栅莫尔条纹示意图；
[0027] 图5是本发明实施例提供的放大电路图；
[0028] 图6是本发明实施例提供的光电转换电路输出波形。
【具体实施方式】
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0030] 图1示出了本发明的水轮机主轴机械动态特性实时测量系统的结构，如图所示， 本发明是这样实现的，一种水轮机主轴机械动态特性实时测量系统包括扭矩传感器、光栅 测量系统、相位检测单元、A/D转换单元、数据处理单元和计算机；
[0031] 扭矩传感器，连接法兰、发电机、电动机和传动轴，用于于将主轴受到的扭矩变换 成光信号，通过光电器件进行光电转换，送给信号调理电路进行放大、整形、滤波处理；
[0032] 光栅测量系统，与扭矩传感器连接，用于检测条纹；
[0033] 相位检测单元，与光栅测量系统连接，将光栅测量系统检测的条纹进行信号之间 相位差的测量；
[0034] A/D转换单元，与相位检测单元连接，用于把模拟信号变换成数据处理单元识别的 数字信号，采用移位寄存器将串行信号变换为并行信号，并通过数