船舶柴油机轴功率监测传感器

摘要

本发明涉及一种船舶柴油机轴功率监测传感器，包括有磁阻传感器、测量皮带及与磁阻传感器配套的外围电路组成，当传动轴转动时，磁阻传感器检测测量皮带塑料块上永久磁铁产生的变化磁场，可产生类正弦信号；与测量皮带径向相距一定距离的水平位置对称布置有磁阻传感器以输出信号，所述的磁阻传感器是基于磁敏电阻元件的磁阻效应制成的，通过信号处理提取两磁阻传感器输出信号间的相位差，得到扭矩信号，计算两磁阻传感器输出信号中的任一信号频率得到原动机转速，获得轴功率的值。本发明的优点：设备结构简单、体积小，安装方便；灵敏度高、工作频率特性稳定、抗干扰能力强；测量精确；可以在原动机运行的条件下，实时监测原动机轴功率、转速。

说明书

技术领域

本发明涉及轴功率在线监测，特别涉及一种船舶柴油机轴功率监测传感器。

背景技术

船舶柴油机轴功率是船舶交付检验、船舶航行过程中船—机—桨匹配和动力装置性能监测与诊断的重要参数。目前，国内外的测试方法主要为应变式扭矩测试法和相位差式扭矩测试法。

应变式扭矩测试法一般为应变片法和磁弹性法。应变片法采用电阻应变片测量轴系应变量，其安装要求比较高，人为因素影响大，难以保证精度，使用周期和寿命短。磁弹性法是基于铁磁材料的压磁效应来检验线圈中磁通的变化量，其结构复杂，设备加工工艺要求高，调试困难。相位差式扭矩测试法一般有钢弦法、激光法等。钢弦法通过钢弦传感器频率变化检测相位差，这种方法测量精度较高，但机械设备多，体积大，成本高，携带、测试不方便。激光法是基于多普勒效应，利用激光发射接收器等设备检测电磁传感器信号相位差，测量精度高，操作简便，但需要光源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种船舶柴油机轴功率监测传感器，以克服现有船舶柴油机轴功率测量技术的不足，对轴功率进行非接触式测量，达到实时监测船舶柴油机轴功率状态，提高了船舶全寿命周期管理能力，测量精度高，可适用于不同轴径及额定功率的原动机。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：船舶柴油机轴功率监测传感器，其特征在于包括有磁阻传感器、测量皮带及与磁阻传感器配套的外围电路组成，所述的与磁阻传感器配套的外围电路主要包括有电源模块和基于PIC单片机的信号反馈补偿电路，通过信号反馈补偿电路调节磁阻传感器的输出信号与磁场变化关系，使磁阻传感器的输出信号随磁场改变呈线性变化，并可调节磁阻传感器的输出信号幅值；测量皮带采用齿式钢丝传动带，其表面嵌有16个带有永久磁铁的塑料块，通过六角螺栓安装于传动轴上，当传动轴转动时，磁阻传感器检测测量皮带塑料块上永久磁铁产生的变化磁场，可产生类正弦信号；与测量皮带径向相距一定距离的水平位置对称布置有两个互为备份的磁阻传感器以输出信号，所述的磁阻传感器是基于磁敏电阻元件的磁阻效应制成的，通过信号处理提取两磁阻传感器输出信号间的相位差，即可得到扭矩信号，再计算两磁阻传感器输出信号中的任一信号频率得到原动机转速，便可获得轴功率的值。

按上述方案，与磁阻传感器配套的外围电路还包括有调理电路，以此调理电路将磁阻传感器的输出信号的偏置及零时刻值进行标定，并通过电位计调节磁阻传感器的输出信号幅值，将其调整到要求范围内。

按上述方案，所述磁敏电阻为磁敏电阻KMZ10A。

按上述方案，所述的测量皮带包括有第一测量皮带和第二测量皮带，其分别安装在传动轴的驱动端和负载端。

按上述方案，所述的测量皮带上的塑料块中的永久磁铁的磁性按N、S级交错布置。

按上述方案，所述的磁阻传感器与测量皮带的水平中心线径向距离均为10-16cm。

本发明的工作原理：

本发明是基于磁电阻效应，如图2所示，采用了一种Barber结构桥式电路，其内部含有偏置磁场的Ni-Fe合金薄膜磁阻元件，具有线性范围宽、灵敏度高、工作频率特性稳定、抗干扰能力强、温度性能优良、体积小和结构简单等特点。

当外加磁场                                                与薄膜平面平行，并与电流流向成角时，其电阻将随角度的变化而变化，并同时出现各向异性的变化。其输出表达式为：

                                              （1）

其中：                                        （2）

为各向异性效应的磁电阻比，它是由磁阻材料本身所决定的。由公式（2-4）可知，薄膜磁阻元件不但具有倍频功能，且还能检测外加磁场的方向。

又因为：

                             （3）

无论作用于薄膜磁阻平面的磁场方向如何改变，桥式电路的总阻值总是保持不变，可以达到100MHz的较宽频带。

当原动机输出功率时，传动轴会发生扭转变形，安装于传动轴上的测量皮带产生的磁场会发生变化，通过磁敏电阻制成的磁阻传感器检测磁场的变化可得到扭矩信号，再计算磁阻传感器输出信号频率得到原动机转速，便可获得轴功率的值。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.采用了基于磁阻效应的非接触式测量方法，设备结构简单、体积小，安装方便；

2.传感器设计方法比较新颖，且灵敏度高、工作频率特性稳定、抗干扰能力强；

2.测量精确，在正常条件下，轴功率结果与实际结果误差在3%之内；

3.可以在原动机运行的条件下，实时监测原动机轴功率、转速等参数。

附图说明

图1为本发明磁阻传感器测量船舶柴油机轴功率原理及结构示意图；

图2为本发明磁阻传感器中的磁敏电阻元件结构示意图及等效电路；

图3为本发明磁阻传感器中正峰值检测电路；

图4为本发明磁阻传感器中负峰值检测电路；

图5为本发明磁阻传感器中PIC单片机信号处理程序流程图；

图6为本发明磁阻传感器支架及磁阻传感器安装示意图；

图7为本发明磁阻传感器中测量皮带结构图；

图8为本发明磁阻传感器设计过程中有限元计算结果图；

图9为本发明磁阻传感器外围调理电路原理图；

图10为本发明磁阻传感器输出信号经外围调理电路后的信号波形；

图中：1.柴油机；2.第一磁阻传感器；3.第二磁阻传感器；4.第三磁阻传感器；5.第四磁阻传感器；6.第一测量皮带；7.第二测量皮带；8.传动轴；9.螺旋桨；10.第一叉形支架；11.第二叉形支架；12.六角螺栓；13.六角螺母；14.永久磁铁；15.塑料块；16.带孔（与六角螺栓匹配）的塑料块。

具体实施方式

船舶柴油机轴功率监测传感器，其特征在于包括有磁阻传感器、测量皮带及与磁阻传感器配套的外围电路组成，所述的与磁阻传感器配套的外围电路主要包括有电源模块和基于PIC单片机的信号反馈补偿电路，通过信号反馈补偿电路调节磁阻传感器的输出信号与磁场变化关系，使磁阻传感器的输出信号随磁场改变呈线性变化，并可调节磁阻传感器的输出信号幅值；测量皮带采用齿式钢丝传动带，其表面嵌有16个带有永久磁铁的塑料块，通过六角螺栓安装于传动轴上，当传动轴转动时，磁阻传感器检测测量皮带塑料块上永久磁铁产生的变化磁场，可产生类正弦信号；与测量皮带径向相距一定距离的水平位置对称布置有两个互为备份的磁阻传感器以输出信号，所述的磁阻传感器是基于磁敏电阻元件的磁阻效应制成的，通过信号处理提取两磁阻传感器输出信号间的相位差，即可得到扭矩信号，再计算两磁阻传感器输出信号中的任一信号频率得到原动机转速，便可获得轴功率的值。

按上述方案，与磁阻传感器配套的外围电路还包括有调理电路，以此调理电路将磁阻传感器的输出信号的偏置及零时刻值进行标定，并通过电位计调节磁阻传感器的输出信号幅值，将其调整到要求范围内。

按上述方案，所述磁敏电阻为磁敏电阻KMZ10A。

按上述方案，所述的测量皮带包括有第一测量皮带和第二测量皮带，其分别安装在传动轴的驱动端和负载端。

按上述方案，所述的测量皮带上的塑料块中的永久磁铁的磁性按N、S级交错布置。

按上述方案，所述的磁阻传感器与测量皮带的水平中心线径向距离均为10-16cm。

下面结合附图对本发明进一步说明，整个发明过程如下：

本发明提供的船舶柴油机轴功率监测传感器，其结构如图1所示，由磁阻传感器、测量皮带及与磁阻传感器配套的外围电路等组成，其中，

磁阻传感器是基于磁敏电阻KMZ10A的磁阻效应制成。如图2所示，通过其内部的Ni-Fe合金薄膜磁阻元件检测磁场的变化得到扭矩信号。磁阻传感器的外围电路中还包含峰值检测电路来检测磁敏电阻产生输出信号的正、负峰值。如图3、4所示，分别为正峰值检测电路和负峰值检测电路。磁阻传感器的外围电路主要包括有电源模块和基于PIC单片机的信号反馈补偿电路，采用基于PIC单片机的信号反馈补偿电路进行信号的相关处理，使磁阻传感器的输出信号与磁场变化呈线性关系，并可调节磁阻传感器的输出信号幅值，还包括有调理电路，以此调理电路将磁阻传感器的输出信号的偏置及零时刻值进行标定，并通过电位计调节磁阻传感器的输出信号幅值，将其调整到要求范围内，如图5所示，PIC单片机对信号进行采集后，分别采用正负峰值检测电路提取信号正负峰值，采用PIC单片机中的比较器比较后对输出信号进行相应的调整，使输出信号与磁场变化呈线性关系。

如图6所示，磁阻传感器通过传感器支架固定在柴油机的传动轴旁，第一测量皮带和第二测量皮带分别紧箍在传动轴两端即驱动端和负载端，磁阻传感器的顶部与测量皮带的水平中心线间垂直距离调整到10-16cm。在第一测量皮带的两侧处分别安装与第一叉形支架10相连的第一磁阻传感器2、第三磁阻传感器7；在第二测量皮带的两侧处分别安装与第二叉形支架11相连的第二磁阻传感器3、第四磁阻传感器5；在实际测量中，第二、第四磁阻传感器（3、5）分别为第一、第三磁阻传感器（2、4）的备份。需要注意的是：初始安装使用时，两对磁阻传感器要进行自检及初始安装相位的标定。

如图7所示，所述第一测量皮带6和第二测量皮带7，均通过六角螺栓12和六角螺母13与塑料块15相连，且通过带孔（与六角螺栓匹配）的塑料块16首尾相连，并将两测量皮带紧箍在传动轴8上，当传动轴转动时，磁阻传感器检测测量皮带塑料块上永久磁铁产生的变化磁场，可产生类正弦信号。所述第一测量皮带6、第二测量皮带7选择齿式钢丝传动带，其光滑面用于安装永久磁铁14和塑料块15，塑料块15通过自攻螺钉分别紧固在第一测量皮带、第二测量皮带相应不同位置上。永久磁铁14放置在塑料块里，其磁性是按N、S级交错布置，而齿面与柴油机1的传动轴8的轴接触，防止皮带沿传动轴8表面滑动。

由于磁场变化规律决定着传感器输出信号变化规律，因此要研究测量皮带旋转过程中磁场的变化规律。采用有限元的分析方法来获得磁场的变化规律，如图8所示为磁阻传感器经有限元计算后得到的波形图，可通过该结果研究信号的产生原理及频率等特性，并可确定磁阻传感器顶部到测量皮带的最佳距离。

磁阻传感器输出信号经外围调理电路后，便可进行采集及后续的信号处理来提取信号相位差，即可得到扭矩信号，再计算两磁阻传感器输出信号中的任一信号频率得到原动机转速，便可获得轴功率的值。如图9，所述调理电路包括信号差分、放大及调零硬件电路，其中放大电路采用TL064C运算放大器。差分电路将磁敏电阻两个输入端的差值作为信号输出，由于磁阻传感器的输出信号幅值很小，进行一定倍数的放大才可满足采集要求，为了减小放大器零漂等影响，采用调零电路对初始信号调零，同时，调节输入信号幅值，可使信号最大幅值在采集范围内。图9中，通过调节可调电阻R4来控制输出信号的幅值大小，调节可调电阻R5进行初始状态调零。图10中，为信号经调理电路后的输出波形，a、b两波形为同频、类正弦信号，并存在一定相位差，最高频率在100HZ内。

最后，信号经相关采集设备后，在上位机上便可按公式（4）计算扭矩值，最后按公式（5）计算传动轴5输出功率。通过测量柴油机在空转下的初始相位θ₀进行初始相位标定，可消除初始安装相位对计算结果产生的误差。

                           （4）

                                （5）

其中，θ₀为初始相位，θ为求取的相位，D为传动轴5的外径，d为传动轴5的内径，L为两测量皮带两截面距离，T为转矩，P为传动轴5的输出功率，n为传动轴5的转速。

本发明提供的上述船舶柴油机轴功率监测传感器，用于在线非接触式测量原动机输出轴的功率，其基于磁阻效应的相位差式测量方法包括以下步骤：

1.在柴油机1侧和螺旋桨9侧分别紧箍安装一个与传动轴8的轴直径相匹配的第一测量皮带和第二测量皮带，在船体上固定（焊接）第一叉形支架10，第二叉形支架11，调整磁阻传感器顶部与测量皮带水平中心线径向间隔到10-16cm；

2.将传感器信号输出线缆连接到调理电路系统上；

3.将经调理电路后的输出信号线缆连接到采集及处理装置上；

3.检查各设备安装是否正确、完好，待确认后，给测试系统提供+12v的电源；

5.若系统初始安装使用，进行初始相位的标定。如果原动机空转时无功率输出，直接测量系统的初始相位θ₀，否则采用应变法来进行初始相位的标定。