CN109839059A - 一种船舶旋转轴系相位角测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶旋转轴系相位角测量装置及方法，该装置包括磁栅条、磁读头A、磁读头B、光电开关、反光片、辨向解耦电路、信号采集单元、相位角计算单元，磁栅条环绕在船舶待测转轴表面，形成与转轴同轴的圆环；磁读头A、磁读头B对称设置在磁栅条上方，其有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，两者输出的磁栅脉冲信号具有相位差；反光片设置在与磁栅条相邻的圆环面上；光电开关设置在反光片所在的圆环面上方；辨向解耦电路对两路脉冲信号进行辨向、解耦之后，由采集单元进行统一计数，计算当前转轴相位角。本发明装置安装方便，可靠性好，相位角测量精度高、频率快，低速性能好。

Description

一种船舶旋转轴系相位角测量装置及方法

技术领域

本发明涉及船舶旋转轴系相位角的测量，具体涉及一种船舶旋转轴系相位角测量装置及方法。

背景技术

轴系是整个船舶动力***的重要组成部分，是主机到螺旋桨之间功率传递的核心，其运行时的稳定性直接影响到船舶的航行性能与航行安全。由于受到主机处产生的激励、轴系自重引起的弯曲变形、螺旋桨产生的阻力矩和推力作用等因素的影响，轴系在运行过程中总是会不可避免地产生振动。当轴系的振动达到一定程度时，将会导致轴系及主机等的故障、降低动力的传递效率，甚至引起主机机体振动、船体振动，因此船舶的振动特性研究具有十分重要的意义，而转轴的相位角则是船舶振动特性研究中的一个关键参数。

光电编码器是目前应用最为广泛的转轴相位角测量装置，该技术将多分度的光电编码器套在待测轴自由端，通过计算光电效应产生的脉冲信号数量得到转轴相位角。但是此方法应用于船舶轴系时，通常需要加装联轴节或者进行断轴操作才能将编码器安装在待测轴上，步骤繁琐。并且传动轴系通常位于船舱底部，灰尘、油污较多，环境恶劣，对光电编码器的测量会产生干扰。加上传动轴系运行时自身的振动，导致其测量准确性难以得到保证。而且受到工艺水平的限制，光电编码器的分度值通常较低，使得其对转轴相位角的测量精度和测量频率均难以达到较高标准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船舶旋转轴系相位角测量装置及方法。

实现本发明的技术解决方案为：一种船舶旋转轴系相位角测量装置，包括磁栅条、磁读头A、磁读头B、光电开关、反光片、辨向解耦电路、信号采集单元、相位角计算单元，所述磁栅条环绕在船舶待测转轴表面，形成的圆环与待测转轴同轴；所述磁读头A、磁读头B设置在磁栅条上方，关于转轴对称，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，其输出的磁栅脉冲信号具有相位差；所述反光片设置在与磁栅条相邻的圆环面上；所述光电开关设置在反光片所在的圆环面上方，用于持续发出光脉冲信号，每次接收到一次反光片反射的光信号时，输出一个零位脉冲；所述辨向解耦电路与磁读头A、磁读头B连接，用于对两路磁栅信号进行辨向、解耦，将解耦后的信号输出至信号采集单元的对应采集信道中；所述信号采集单元具有两路采集功能，用于对磁读头A、磁读头B输出的磁栅信号进行采集和计数；所述相位角计算单元与信号采集单元连接，用于产生高频时钟信号，结合磁栅脉冲数，计算待测转轴的当前相位角。

作为一种具体实施方式，所述磁栅条为由磁性粉末与橡胶复合而成的柔软橡胶磁条。

作为一种具体实施方式，所述磁读头A和磁读头B规格相同，为AMR(各向异性磁电阻)、GMR(巨磁电阻)或TMR(隧道结磁电阻)类型的磁电阻传感器。

作为一种具体实施方式，所述磁读头A和磁读头B每扫过1cm磁栅条，输出不少于100个脉冲。

作为一种具体实施方式，所述光电开关为漫反射式光电开关，到转轴表面的垂直距离为15cm～25cm。

作为一种具体实施方式，所述辨向解耦电路对两路磁栅脉冲信号进行光耦隔离、整形、辨向、解耦、稳压操作。

作为一种具体实施方式，所述转速计算单元产生的时钟频率至少为磁读头A和磁读头B输出最高脉冲频率的两倍。

一种船舶旋转轴系相位角测量方法，包括如下步骤：

步骤1、在船舶待测转轴表面缠绕磁栅条，使磁栅条形成与转轴同轴的圆环，在磁栅条上方对称安装磁读头A、磁读头B，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，在与磁栅条相邻的同一圆环面上对称安装反光片，在反光片所在圆环面的上方安装光电开关；

步骤2、光电开关持续发出光脉冲信号，每接收到一次反光片A或反光片B反射回来的光信号时，输出一个零位脉冲，触发信号采集单元将计数清零；

辨向解耦电路对两个磁读头输出的磁栅信号进行解耦，并结合转轴旋转方向，将解耦后的信号输出至信号采集单元的对应采集信道中，由信号采集单元进行统一采集和计数；

步骤3、相位角计算单元产生高频时钟信号，结合磁栅脉冲数，计算待测转轴的当前相位角。

作为一种具体实施方式，步骤2中，信号采集单元在转轴正转时，脉冲计数值加1，在转轴反转时，脉冲计数值减1。

作为一种具体实施方式，步骤3中，相位角计算单元在脉冲计数累计时间达到设定值时计算相位角，具体计算公式如下：

式中，θ为转轴当前相位角，单位为rad；N_T为时间T内脉冲计数的累加值；N₀为转过一圈磁栅触发的脉冲数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明根据待测轴直径截取相应长度的橡胶磁条环绕转轴***，安装维护方便，对安装位置要求低；2)本发明磁读头采用磁阻传感器，对磁场检测灵敏度高，可在灰尘、油污、振动等恶劣环境下正常工作，抗干扰性好且成本较低；3)本发明能够产生高达500个/cm的磁栅脉冲，结合高频时间脉冲，可以进行10次/s以上的高频率、高精度瞬时转速测量。

附图说明

图1为本发明相位角测量装置的结构示意图。其中(a)为装置正面结构图，(b)为装置反面结构图，(c)为装置侧面结构图。

图2为本发明相位角测量装置的安装位置示意图。

图3为本发明辨向解耦电路的原理图。

图4为本发明相位角测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

如图1所示，本发明船舶旋转轴系相位角测量装置，包括磁栅条、磁读头A、磁读头B、光电开关、反光片、辨向解耦电路、信号采集单元、相位角计算单元，所述磁栅条环绕在船舶待测转轴表面，形成的圆环与待测转轴同轴；所述磁读头A、磁读头B设置在磁栅条上方，关于转轴对称，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，其输出的磁栅脉冲信号具有相位差(相位差不能为0°或180°)；所述反光片设置在与磁栅条相邻的圆环面上；所述光电开关设置在反光片所在的圆环面上方，用于持续发出光脉冲信号，每次接收到一次反光片反射的光信号时，输出一个零位脉冲；所述辨向解耦电路与磁读头A、磁读头B连接，用于对两路磁栅信号进行辨向和解耦，并根据转轴旋转方向将解耦后的信号输出至信号采集单元的对应采集信道中；所述信号采集单元具有两路采集功能，用于对磁读头A、磁读头B输出的磁栅信号进行采集和计数；所述相位角计算单元与信号采集单元连接，用于产生高频时钟信号，结合磁栅脉冲数，计算待测转轴的当前相位角。

本发明使用磁读头感应粘贴在转轴上的磁栅条的泄露磁场，从而产生高密度的等位移间隔脉冲序列，使用光电开关与反光片作为相位角测量的基准点(零点)，并利用一对同规格磁读头输出有相位差的磁栅脉冲信号，经过辨向解耦电路对两路脉冲信号的辨向、解耦之后，由包含高速计数器的采集单元读取该对信号并进行脉冲计数，即可计算当前转轴相位角。

如图2所示，本发明瞬时转速测量装置测量装置可以安装在船舶传动***的旋转轴系上(包括高速轴、低速轴)。由于橡胶材料容易弯曲，一些实施例中，所述磁栅条采用由铁氧体等磁性粉末与橡胶复合而成的柔软橡胶磁条，还可以附加保护钢带。安装时，根据轴径截取不同长度，通过AB胶粘使其环绕贴合在船舶的待测转轴上，要求磁栅条的接缝处连接工整，无突起。

一些实施例中，所述磁读头所述磁读头A和磁读头B规格相同，可以采用具有高响应频率的AMR(各向异性磁电阻)、GMR(巨磁电阻)或TMR(隧道结磁电阻)类型的磁电阻传感器，能够无遗漏读取高频磁栅脉冲信号，精确测量微弱磁场。

考虑到转速读取的有效性，一些实施例，将磁读头的有效感应面到磁栅条的垂直距离为2mm～3mm。考虑到转速测量的效率，一些实施例，磁读头每扫过1cm磁栅条时，输出不少于100个脉冲。

一些实施例中，所述光电开关采用漫反射式光电开关，其与转轴的距离需控制为可感应反光片A和反光片B，但对转轴本身无感应。在一些实施例中，设置光电开关到转轴表面的垂直距离为15cm～25cm。

一些实施例中，所述辨向解耦电路用于对两路磁栅脉冲信号进行光耦隔离、整形、辨向、解耦、稳压操作，并将该对信号分别输出至信号采集单元的两个独立采集信道。作为一种具体实现，如图3所示，所述辨向解耦电路包括RS232接头、两个6N137芯片、74HC14芯片、74HC74D芯片，磁读头A、磁读头B输出的两路磁栅脉冲信号分别通过RS232接头的引脚2、引脚3进入辨向解耦电路，输入两个6N137芯片的引脚2进行光耦隔离，隔离后信号由6N137芯片引脚6输出，由74HC14芯片引脚1、引脚3输入74HC14芯片进行整形处理，经过整形处理后信号由74HC14芯片引脚2、引脚4输出，由74HC14引脚2输出的信号输入74HC74D芯片的引脚3、引脚13，由74HC14引脚4输出的信号输入74HC74D的引脚1、引脚11，74HC74D芯片通过对两路磁栅脉冲信号的相位差判断转轴旋转方向，根据方向判断结果，由引脚5、引脚9分别输出一路矩形波和一路低电平。

一些实施例中，所述信号采集单元为含有但不局限于8254型高速计数器的采集单元，具有与磁读头A、磁读头B的信号输出口相匹配的两路信号采集接口(IN0,IN1)，分别从磁读头A、磁读头B采集信号，且输出至同一个计数器进行计数。

还有一些实施例中，为了保证角度测量的效率，所述转速计算单元产生的时钟频率至少为磁读头输出最高脉冲频率的两倍。

基于上述船舶旋转轴系相位角测量装置的相位角测量方法，包括如下步骤：

步骤1、在船舶待测转轴表面缠绕磁栅条，使磁栅条形成与转轴同轴的圆环，在磁栅条上方对称安装磁读头A、磁读头B，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，在与磁栅条相邻的同一圆环面上对称安装反光片，在反光片所在圆环面的上方安装光电开关；

步骤2、光电开关持续发出光脉冲信号，每接收到一次反光片A或反光片B反射回来的光信号时，输出一个零位脉冲，触发信号采集单元将计数清零；

辨向解耦电路对两个磁读头输出的磁栅信号进行解耦，并结合转轴旋转方向，将解耦后的信号输出至信号采集单元的对应采集信道中；

信号采集单元进行信号采集和计数，正转时每个脉冲计数使计数值加1，反转时每个脉冲计数使计数值减1，当信号采集单元每接收一个由光电开关传输的零位脉冲信号时，将当前计数值清零；

步骤3、相位角计算单元产生高频时钟信号，结合磁栅脉冲数，计算待测转轴的当前相位角，具体是在脉冲计数累计时间达到设定值时计算相位角，计算公式如下：

式中，θ为转轴当前相位角，单位为rad；N_T为时间T内脉冲计数的累加值；N₀为转过一圈磁栅触发的脉冲数。

Claims (10)

1.一种船舶旋转轴系相位角测量装置，其特征在于，包括磁栅条、磁读头A、磁读头B、光电开关、反光片、辨向解耦电路、信号采集单元、相位角计算单元，所述磁栅条环绕在船舶待测转轴表面，形成的圆环与待测转轴同轴；所述磁读头A、磁读头B设置在磁栅条上方，关于转轴对称，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，其输出的磁栅脉冲信号具有相位差；所述反光片设置在与磁栅条相邻的圆环面上；所述光电开关设置在反光片所在的圆环面上方，用于持续发出光脉冲信号，每次接收到一次反光片反射的光信号时，输出一个零位脉冲；所述辨向解耦电路与磁读头A、磁读头B连接，用于对两路磁栅信号进行辨向、解耦，将解耦后的信号输出至信号采集单元的对应采集信道中；所述信号采集单元具有两路采集功能，用于对磁读头A、磁读头B输出的磁栅信号进行采集和计数；所述相位角计算单元与信号采集单元连接，用于产生高频时钟信号，结合磁栅脉冲数，计算待测转轴的当前相位角。

2.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系相位角测量装置，其特征在于，所述磁栅条为由磁性粉末与橡胶复合而成的柔软橡胶磁条。

3.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系相位角测量装置，其特征在于，所述磁读头A和磁读头B规格相同，为AMR、GMR或TMR类型的磁电阻传感器。

4.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系相位角测量装置，其特征在于，所述磁读头A和磁读头B每扫过1cm磁栅条，输出不少于100个脉冲。

5.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系相位角测量装置，其特征在于，所述光电开关为漫反射式光电开关，到转轴表面的垂直距离为15cm～25cm。

6.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系相位角测量装置，其特征在于，所述辨向解耦电路包括RS232接头、两个6N137芯片、74HC14芯片、74HC74D芯片，磁读头A、磁读头B输出的两路磁栅脉冲信号分别通过RS232接头的引脚2、引脚3进入辨向解耦电路，输入两个6N137芯片的引脚2进行光耦隔离，隔离后信号由6N137芯片引脚6输出，由74HC14芯片引脚1、引脚3输入74HC14芯片进行整形处理，经过整形处理后信号由74HC14芯片引脚2、引脚4输出，由74HC14引脚2输出的信号输入74HC74D芯片的引脚3、引脚13，由74HC14引脚4输出的信号输入74HC74D的引脚1、引脚11，74HC74D芯片通过对两路磁栅脉冲信号的相位差判断转轴旋转方向，根据方向判断结果，由引脚5、引脚9分别输出一路矩形波和一路低电平。

7.根据权利要求1所述的船舶旋转轴系相位角测量装置，其特征在于，所述转速计算单元产生的时钟频率至少为磁读头A和磁读头B输出最高脉冲频率的两倍。

8.一种船舶旋转轴系相位角测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在船舶待测转轴表面缠绕磁栅条，使磁栅条形成与转轴同轴的圆环，在磁栅条上方对称安装磁读头A、磁读头B，两个磁读头有效感应面朝向磁栅条，与磁栅条圆环相切，且其长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同，在与磁栅条相邻的同一圆环面上对称安装反光片，在反光片所在圆环面的上方安装光电开关；

步骤2、光电开关持续发出光脉冲信号，每接收到一次反光片A或反光片B反射回来的光信号时，输出一个零位脉冲，触发信号采集单元将计数清零；

辨向解耦电路对两个磁读头输出的磁栅信号进行解耦，并结合转轴旋转方向，将解耦后的信号输出至信号采集单元的对应采集信道中，由信号采集单元进行统一采集和计数；

步骤3、相位角计算单元产生高频时钟信号，结合磁栅脉冲数，计算待测转轴的当前相位角。

9.根据权利要求8所述的船舶旋转轴系相位角测量方法，其特征在于，步骤2中，信号采集单元在转轴正转时，脉冲计数值加1，在转轴反转时，脉冲计数值减1。

10.根据权利要求8所述的船舶旋转轴系相位角测量方法，其特征在于，步骤3中，相位角计算单元在脉冲计数累计时间达到设定值时计算相位角，具体计算公式如下：

式中，θ为转轴当前相位角，单位为rad；N_T为时间T内脉冲计数的累加值；N₀为转过一圈磁栅触发的脉冲数。