船舶推进轴系扭矩非接触式监测系统研究

焦志锋， 范 磊， 王 京

（中海工业（江苏）有限公司，江苏 扬 州225211）

0 引 言

船舶推进系统主要包括柴油机、轴系与螺旋桨。其中柴油机是所有动力的核心；螺旋桨在水下旋转的反作用力驱动船舶前进；轴系连接柴油机与螺旋桨，将柴油机的动力转换为螺旋桨的推进力，其状态决定了机桨传动效率。轴系的主要设计要求之一是保证可靠性与效率，其发生任何故障都可能影响船只安全性与可靠性。因此，轴系故障的监控与诊断是船舶动力系统应对推进系统故障的重要环节之一。目前，各种轴系监测与故障探测技术已被引进并投入使用。

已研究出多种测量与监控船舶轴系工况的方法，主要集中在监控扭矩、功率与扭转振动方面。测量方法分为接触式与非接触式。应变测量仪广泛用于接触式测量扭矩与扭转振动，比如应变测量声波金属丝。此外，还有其他一些基于应变片的应变测量仪被开发出来，使得轴功率与扭矩的测量变得更容易。然而，接触式测量有几个致命的缺陷，如信号发射器容易出现供电问题，信号会随环境温度波动、应变仪的定位和信号传输不便等。所以，非接触式方法是更优的选择，并已在许多软件中流行起来。

非接触式测量，即扭矩传感器不与轴体发生接触，通过光电等手段进行间接测量的一种方法。与接触式方法相比，该测量方法具有设备轻便、易于安装、无摩擦阻力、信号稳定、测量精度高等优点。其中一种非接触式测量方法是通过测量轴转角来测定轴功率与扭矩，测量原理为：基于轴筒不是一个刚体，而柴油机的扭力是通过轴传递的，作为弹性圆柱体，轴会因螺旋桨的阻力而产生扭曲变形（见图1）。轴功率P与转矩T和转速n的关系见式（1），而转矩T和扭力M 成正比。扭力M可根据式（2）通过扭转角φ和两测量扭转角传感器之间的距离L计算。所以轴的扭转角可作为1个参数来监测轴的工作状态。高精度与高稳性的测量扭转角的方法是轴上关键点的状态监控。

图1 转轴扭转示意图

于成宝等［6］提出了一种在轴上安装电磁线圈的方法。线圈的磁场变化会使另一线圈产生电子信号，根据法拉第电磁感应定律，即可由产生的电子信号计算出扭矩。此方法中，线圈需要足够大，而船舶推进系统周围的金属会干扰电磁信号并引入测量误差。Gandarillas C等发明了一种基于磁电式扭矩传感器的测量装置，以实现转轴的非接触式监控。

N.Whitehead等将金属音叉谐振器引入轴系扭矩的测量当中。该仪器结构类似于振线测量，非常笨拙和笨重，安装比较困难，并且测量结果存在较大误差。

Kongsber g的轴功率测量仪叫做MetaPower系统，能够测量主机与螺旋桨间的功率传递与扭矩，是基于光纤传递激光信号的方法。激光信号通过轴上的光电编码盘调制，监测轴的扭转。然而，在监测高速旋转的轴系时，长距离且散乱的光纤可能带来麻烦；而且，在机舱的恶劣环境下，光纤很容易损坏。

对轴功率和扭矩测量的非接触式方法进行了研究，使用了2个光电开关来检测安装在轴上的2个编码盘间扭矩的相对变化。由于没有使用任何光纤或其它长电线，因此该系统可能是更安全、更方便的在线监测系统。在高频计数器的帮助下，扭转角的测量精度可得到提高。相对的，该测定系统的灵敏度会比其它一些方法更高，因此，没有必要像Metapower系统一样保持2个编码盘之间1 m以上的距离。

1 监测设备的机械结构

由于轴的扭转角非常小，因此难以被观察到。扭转角度是在轴旋转的过程中产生的，需要以动态的方式来获取。如果检测到某一长度内轴的扭转，扭转角将被放大至一定范围内，使之可以更准确地被测量到（见图1）。

在测量应用中，2个编码盘将被安装在轴上，用于检测轴的扭转角，安装方法见图2。图2中1～4分别为轴承支撑、1号编码盘、2号编码盘和轴。每个编码盘处安放1个光电开关（见图2中编号5，编号6），编码盘随轴转动。编码盘上的每个叶片进入光电开关探头范围内时，会触发光电开关产生一串脉冲式信号。两个编码盘安装时必须准确地垂直于轴线平面。如果编码盘平面是倾斜的，叶片通过光电传感器作用区域的实际扫描行程会变小。假设该轴顺时针旋转，如图2所示，2号编码盘为前盘，3号编码盘为后盘，两编码盘上相对应的叶片应满足：

（1）两个叶片应至少80%的区域重叠；

（2）前盘叶片应领先于后盘叶片。

当两传感器同时工作时，2个光电开关产生的脉冲信号图形间会有1个相位差，如图3所示：t为初始相位差，Δt随扭转角度而变化。相位差可以通过高速计数器量化，两编码盘相对叶片之间的实际扭转角可根据轴的当前转速（每分钟转速，r／min）和计数器的频率来计算。

图2 编码盘安装示意图

图3 光电开关输出信号相位差示意图

2 信号处理

2.1 扭转角计算

光电开关的脉冲信号可通过数字计数器来量化。假设计数器的频率为f，编码盘上叶片的中心角为θ，图3中T的大小与θ成正比，T量化所得的数值可以用于计算θ。使用更高频率的计数器，频率F可用来量化t和Δt（更高的频率可提高测量精度和准确性）。因f与F之间的关系是已知的，而初始扭转角φ和负载后扭转角Δφ，t和Δt有关，所以φ和Δφ可以计算求得。φ和Δφ的计算公式为（假设f和F之间的数值关系为：F＝nf；T，t和Δt的对应量化值分别为A，a和Δa）：

2.2 脉冲信号预处理以抵消光电晶体管的漂移

由图3可知，相位差t有一个异或关系，见式（5）。

图4 FPGA功能模块示意图

实际应用中，光电位开关主要基于1个光电晶体管，光电晶体管的触发点有可能漂移，因为光电晶体管的触发点可能随着环境温度改变，这会导致测量结果出现误差。因此，研究设计了一些逻辑算法来克服这种情况。

图5中，A和B是两个来自光电开关的脉冲信号，假设他们是不受漂移干扰的原始脉冲信号（实线）。该装置开始工作时，原始脉冲信号就是初始脉冲信号。原始脉冲信号的宽度表示在信号记录时的温度条件下的扭转角信息。图5中当前脉冲信号（点线）受到漂移的影响，假定阴影部分ΔA和ΔB由漂移引起，漂移的方向随机，可以发现，A xor B（or g）与A xor B（c ur）之差刚好是发生的漂移量。因此，在计算过程中，只需要在系统稳定工作事先记录下此时A、B两路信号相与的结果，以此作为系统稳定工作的一个参考量；在工作任意时间后，只要将此时A、B两路信号异或得到的相位差与此时两路信号相与的结果之和减去系统稳定工作事先记录的A、B两路信号相与的结果，就能消除两传感器触发点漂移产生的误差，得到真实的相位差。式（6）为消除漂移影响的方法。经过这样的处理后，当前脉冲信号的宽度被校正到原始值，输出的扭矩信息就是当前温度下测得的值。

图5 消除光电晶体管漂移信号处理示意图

在控制器的硬件设计中，用现场可编程门阵列（Fiel d Pr ogrammable Gate Array，FPGA）设备量化，计算初始相位差与扭转角（在轴系空载时以较低转速测得的相位差即为初始相位差）。计算模块由计数器、串行接口和一些其他逻辑单元组成。如图4所示，有源晶体振荡产生的40 MHz的计数时钟输入到FPGA，作为所有计算的原始时钟，建立起一个14位计数器（计数器1）来调节原始时钟，并提供一组不同频率的计数时钟，可选择用来计算叶片的中心角和扭转角。计数器1输出的计数时钟信号的频率应该是原始时钟频率的1／2n，n由计数器1输出数字的第n位决定。Mux1和Mux2是串行接口，每个通道的连接由3位宽的信号Sel1和Sel2控制，因此很容易选择独立的计数时钟频率从一个计数器切换到另外一个计数器。计数器2用来计算叶片的中心角产生的脉冲（图3中的T），Mux1输出的计数时钟用来驱动计数器2。Mux2输出的计数时钟输入到计数器3中，用来计算扭转角的脉冲（图3中t＋Δt）。叶片角度和扭转角的数据经过FPGA处理之后，通过串行接口传输到PC软件上。扭转角、轴功率和扭矩的变化曲线将显示在PC软件上并进行分析。

3 实验结果与分析

实验包含2个主要步骤。

1.通过测试脉冲宽度随计数器系统的变化来检验扭转角测量系统的精度和趋势特征，提供了一个依据来选择不影响结果的计数频率。

2.在轴的仿真平台模块测试该系统，通过实验可以发现扭转角的数值和轴负载之间的关系。

表1 使用不同计数频率的实验测量结果

第1步实验中，利用8种计数频率进行测试，验证了该方法的有效性。输入的原计数时钟由40 MHz的晶体振荡器产生的，最低频率由计数器1的第10位产生。计数器1用于分频，所以最低计数器频率是40 MHz／1 024＝39.062 k Hz（见表1）。其他所有频率都是最低频率的2 m倍，m为0～7。

频率由程序进行选择，所以将m值发送到微控制单元（Micro Control Unit，MCU）就可以控制FPGA中的串行接口以选择不同的频率。用一个样本方波信号作为模拟扭转角脉冲的采样信号，测试计数测量系统的特性。该信号由MCU内置的PWM定时器产生，用以模拟表示2个光电开关输出信号相位差的脉冲信号。该方波信号的频率改变相对稳定，因为它是由MCU产生的一个稳定的计数时钟驱动。实验中获得两组数据，第一组包含在各不同计数频率下测得的共100个脉冲宽度值，第二组包含在不同计数频率下获得的200个数据。将理论脉冲宽度与两组数据平均脉冲宽度的相对误差计入表1。在最低计数频率39.062 k Hz下计算出的理论脉冲宽度为10～11（宽度值为FPGA显示的横轴刻度，计数频率越高，则单位刻度对应的时间越短），通过估算选择不同的理论值对分析结果的潜在影响，发现选择10或11作为理论值是一样的结果。频率脉冲宽度的相对误差值用来分析两组采样数据，以找出测量系统的特性。相关数据的相对误差见图6，x轴是频率轴，y是相对误差值。因为所有理论脉冲宽度均为基本宽度的2倍，所以x轴为对数轴。可以看到，当理论脉冲宽度＞44时，相对误差的趋势是稳定的。换句话说，当脉冲宽度计数器频率高于156.25 k Hz，相对误差将不会受到计数器频率很大影响。从该结果可知，测量系统的相对误差变化在计数频率较低时显著，而在高计数频率时趋于稳定。因此，在测量扭转角的应用系统中，保持大于156.25 k Hz的计数频率能较好地控制输出误差。

在船舶轴系平台上测试该系统。实验用的轴由1台变频器控制的马达驱动，其转速可以控制；此外，还有1个负载结构增加轴端部的摩擦力以增加轴的扭矩，从而增大扭转角。将2个编码盘安装于中间轴上，相隔距离为1 m，2个光电传感器安装于接近编码盘处（见图2）。轴端部的载荷逐渐改变，测量到扭转角的变化显示在显示器上。实验中获得2组数据。轴的转速是稳定的。起初通过增加负载获得第1组数据，然后通过减小负载获得第2组数据。取500个负载点的扭转角测量数据，然后取平均值。图7（a）、图7（b）显示出扭转角（脉冲宽度）值随负载增加而增大，随负载减少而减小。

图7 不同采样点对应的量化脉冲宽度

由于没有可靠的数字显示器显示加到轴端的摩擦力，实验中只显示了扭转角在增加和减小负载时的变化趋势。出于这个原因，很难知道每次负荷的改变值，图7中两曲线图的脉冲带宽采样点也不同。因此，x轴以序列号代表采样的顺序。图7（a）第一点的脉冲宽度值与第二点接近，第五点与最后一点接近，这是因为，所述轴系是当负荷达到一定值时不敏感的负载结构，通过负载结构添加到轴上的负载必须在一定范围内。但仍可认为，在这一节点处可设更高的负载值。图7（b）曲线的第三点和最后一点也是同样的情况。由图7可知，该测量系统对轴扭转角的测量能适应轴负载的变化。

4 结 语

受多因素影响目前还未发现更好的测量轴扭矩和轴功率的方法。对于高精度、高稳定性的测量，非接触式方法仍是时下各国研究的热点之一。

研究中，两编码盘被安装在轴上，轴的扭转导致两编码盘上对应的叶片相对旋转。2个光电位置检测器用来检测轴的动态扭转角，其位置检测器输出的脉冲信号反映扭转角的信息，由逻辑电路在FPGA中进行处理。因半导体元件的温度不稳定性，提出逻辑算法以消除光电检测器的漂移。实验结果表明，该方法能够用于测量较高精度需求的扭转角。

该方法不仅适合船舶推进系统监控，也适用于使用轴传递旋转动力的旋转机械，如汽盘机系统和风力驱动的电力发电机的工作状态监控。所提供的非接触式测量，可用于监控一些大型、高速、高机动系统。

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