隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，船舶的制造以及維護(hù)與修理逐漸的向自動(dòng)化、高效化發(fā)展。軸功率是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的主要性能參數(shù)之一，通過(guò)測(cè)量軸功率可總體判斷船體-主機(jī)-螺旋槳三者之間的匹配情況。

　　摘要：船舶主機(jī)的軸功率是判斷船-機(jī)-槳匹配的重要參數(shù)之一。文章介紹了一種船舶主機(jī)軸功率的測(cè)量方法—雙通道信號(hào)分析處理模塊，簡(jiǎn)述了雙通道信號(hào)分析處理模塊的組成以及原理。該模塊的兩個(gè)通道分別實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、扭矩信號(hào)采集的自動(dòng)化和無(wú)線(xiàn)化。此模塊在一定條件下還可以對(duì)其他的信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程雙通道信號(hào)采集分析處理。

　　關(guān)鍵詞：通信論文投稿,雙通道,船舶主機(jī),轉(zhuǎn)速,扭矩,軸功率

　　軸功率的測(cè)量與分析不管是在船舶制造還是在船舶航行中都具有非常重要的作用，通過(guò)對(duì)主機(jī)不同工況下的軸功率測(cè)量，可以檢驗(yàn)船體-主機(jī)-螺旋槳三者之間的匹配情況。一般通過(guò)測(cè)量軸的扭矩與轉(zhuǎn)速來(lái)確定軸功率，本研究采用了雙通道無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，將轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)诫娔X，計(jì)算出軸功率并在電腦上顯示。

　　1模塊的基本開(kāi)發(fā)思路

　　本文開(kāi)發(fā)的雙通道信號(hào)分析處理模塊包括雙通道信號(hào)采集部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換部分、是以計(jì)算機(jī)外核心的信號(hào)分析處理模塊。信號(hào)采集部分主要是通過(guò)雙通道分別測(cè)量轉(zhuǎn)速、扭矩；再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸送入計(jì)算機(jī)，由相應(yīng)的軟件完成其后續(xù)工作。系統(tǒng)軟件主要包括信息顯示和數(shù)據(jù)處理，整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1雙通道信號(hào)采集部分工作原理及設(shè)計(jì)

　　1.1.1通道1——扭矩的測(cè)量

　　此通道采用應(yīng)變片試扭矩傳感器進(jìn)行測(cè)量和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，應(yīng)變片試扭矩測(cè)量是目前應(yīng)用最廣泛的一種扭矩測(cè)量方法。這種測(cè)量法的特點(diǎn)有如下兩點(diǎn)：①有較好的補(bǔ)償溫度的性能；②此方法能夠除去彎曲應(yīng)力和軸向應(yīng)力的影響。應(yīng)變片是很薄的金屬片，可以貼在測(cè)量物體表面上，當(dāng)物體受到應(yīng)力的作用時(shí)就會(huì)有力的產(chǎn)生，粘貼在物體表面的應(yīng)變片就會(huì)受到應(yīng)力影響，使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生和應(yīng)變成正比的變化，因此應(yīng)變的測(cè)量就可通過(guò)應(yīng)變片的電阻值的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　對(duì)一幾何尺寸不變的船舶主機(jī)軸來(lái)說(shuō)，通過(guò)最大剪切應(yīng)變力的測(cè)量，就可以求出扭矩Me。當(dāng)船舶主機(jī)軸受到扭矩作用時(shí)，其截面上最大剪切應(yīng)力τmax發(fā)生在截面周邊各點(diǎn)，且與軸所傳遞的扭矩Me有如下關(guān)系：

　　τmax=■

　　式中：τmax為最大剪切應(yīng)力，MPa；Me為轉(zhuǎn)軸所受到的扭矩，N·m；d0為軸外徑，cm。

　　利用應(yīng)變片將剪切應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大后器以及V/F轉(zhuǎn)換將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。根據(jù)材力學(xué)的原理，受到純扭矩的軸，它的表面主應(yīng)力的方向與軸線(xiàn)成±45°角，主應(yīng)力的絕對(duì)值就是最大剪應(yīng)力的值。所以沿扭力軸的軸向±45°方向分別粘貼4個(gè)應(yīng)變片，組成全橋電路的四個(gè)橋臂，用以感受同向的最大正應(yīng)變，電阻應(yīng)變片的黏貼方式如圖3所示。

　　當(dāng)軸在扭矩作用下發(fā)生變形時(shí)，貼在船舶軸上的電阻應(yīng)變片容易產(chǎn)生變形，從而改變電阻值，其變化大小與貼片處軸的平均應(yīng)變成正比。電阻應(yīng)變儀可以將被測(cè)試構(gòu)件因荷載作用引起的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為電阻變化率，通過(guò)電橋可以將應(yīng)變片轉(zhuǎn)換來(lái)的電阻變化率再轉(zhuǎn)換為電壓變化，測(cè)量電橋見(jiàn)圖4。

　　圖4中R1，R2，R3，R4為橋臂電阻，且R1=R2=R3=R4。A，B端電壓為：

　　UAB=■

　　A，D端電壓為：

　　UAB=■

　　則B，D端輸出電壓為：

　　UBD=UAB-UAD=■

　　然后再由電壓變化輸給A/D轉(zhuǎn)換器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

　　1.1.2通道2——轉(zhuǎn)速的測(cè)量

　　本通道采用霍爾開(kāi)關(guān)傳感器對(duì)船舶主機(jī)速度進(jìn)行測(cè)量和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。測(cè)量船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速就是要將轉(zhuǎn)速表示為脈沖信號(hào)，進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。霍爾器開(kāi)關(guān)傳感器具有體積較小小、結(jié)構(gòu)牢固、重量較輕以及便于安裝等特點(diǎn)，因而采用此傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，此結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

　　在船舶主機(jī)飛輪同一截面的圓周面上均勻固定M塊永久磁鐵（視情況而定M為多少），在飛輪旁放上霍爾開(kāi)關(guān)傳感器。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，永久磁鐵靠近霍爾傳感器時(shí)，霍爾元件就會(huì)受到磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體三極管，使之完成導(dǎo)通、截止。將CPU接于半導(dǎo)體三極管輸出端進(jìn)行計(jì)數(shù)。這樣軸的轉(zhuǎn)速n（r/min）可以由下式計(jì)算出。

　　n=60NX/M

　　式中：NX為計(jì)數(shù)器每秒接收到的脈沖個(gè)數(shù)。

　　1.2軸功率的計(jì)算

　　在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中，船體、主機(jī)、螺旋槳三者處在一系統(tǒng)中，組成一個(gè)整體。當(dāng)船舶柴油機(jī)帶動(dòng)螺旋槳工作時(shí)，無(wú)論柴油機(jī)與螺旋槳怎樣連接，總要使得能量保持平衡。在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，若不計(jì)傳動(dòng)損失，主機(jī)的發(fā)出功率Pe對(duì)和轉(zhuǎn)矩Me等于螺旋槳的吸收功率Pp和轉(zhuǎn)矩Mp。對(duì)于以軸作為輸出裝置的柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，其軸功率P與輸出扭矩Me和轉(zhuǎn)速n具有以下關(guān)系：

　　P=■≈■

　　式中：P為軸功率；Me為扭矩；n為轉(zhuǎn)速。

　　2轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)計(jì)

　　在使用無(wú)線(xiàn)信號(hào)之前，我們首先對(duì)兩個(gè)發(fā)射器進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置，把檢測(cè)轉(zhuǎn)矩的無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射器的名字設(shè)置成轉(zhuǎn)矩，把另一個(gè)無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射器的名字設(shè)置成轉(zhuǎn)速，我們利用心跳軟件可以分時(shí)，檢測(cè)兩個(gè)發(fā)射器的信號(hào)，設(shè)置的間隔為20ms。

　　本文采用無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射器YCF100-02和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡USB接收器，在使用無(wú)線(xiàn)信號(hào)之前，我們首先對(duì)兩個(gè)發(fā)射器進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置，把檢測(cè)轉(zhuǎn)矩的無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射器的名字設(shè)置成轉(zhuǎn)矩，把另一個(gè)無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射器的名字設(shè)置成轉(zhuǎn)速，我們利用心跳軟件可以分時(shí)，檢測(cè)兩個(gè)發(fā)射器的信號(hào)，設(shè)置的間隔為20ms。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速先通過(guò)檢測(cè)裝置，檢測(cè)到轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的信號(hào)，然后采用A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射器YCF100-02發(fā)送出去，然后無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡USB接收器接收信號(hào)，并通過(guò)虛擬示波器顯示在電腦。無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射器YCF100-02核心電路采用RF12射頻收發(fā)芯片，提供一個(gè)SPI接口，實(shí)現(xiàn)由MCU通過(guò)軟件去設(shè)置各種射頻參數(shù)和其它輔助功能。在無(wú)需外加功放電路的情況下，可使其通訊距離達(dá)到100m以上。信號(hào)發(fā)射器YCF100-02具有小功耗，小體積、標(biāo)準(zhǔn)排針式接口、發(fā)射距離100m以上等特點(diǎn)。

　　3顯示裝置與網(wǎng)絡(luò)控制

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡USB接收器將接收到的轉(zhuǎn)速信號(hào)和扭矩信號(hào)輸入電腦，顯示在虛儀示波器上；通過(guò)VB編程技術(shù)將轉(zhuǎn)速和扭矩計(jì)算為軸功率并在虛擬示波器上顯示。虛儀示波器3.0具有強(qiáng)大功能的基于個(gè)人電腦的虛擬的儀器，具有特殊的專(zhuān)門(mén)適用于采集聲卡信號(hào)的算法，能對(duì)連續(xù)的輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)輸入的信號(hào)達(dá)到觸發(fā)條件后，才采集一幀數(shù)據(jù)。因此本儀器能達(dá)到50幀/s的速度刷新屏幕，因此實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信號(hào)采集和顯示。本虛儀示波器發(fā)揮了以電腦顯示屏作為顯示介質(zhì)的特點(diǎn)，并且支持顯示圖形的滾動(dòng)和放大的功能，而且還能夠?qū)⒔^大部分的屏幕用來(lái)顯示，因此便于深入研究顯示的信號(hào)。此虛儀示波器可以做到對(duì)雙蹤波形、電壓表、波形相加和瞬態(tài)信號(hào)等的捕捉，并且可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為T(mén)XT文本，還可以是WAV波形文件，以便于以后查找，并且還可以將BMP圖像文件輸出。

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)方便，連接線(xiàn)數(shù)大大減少，易于擴(kuò)展，成本低，設(shè)備即插即用，故障檢修和維護(hù)方便，抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，數(shù)據(jù)可交換性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)資源的共享等，

　　本文中采用了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制，不僅可以減少布線(xiàn)，更適合在船舶等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備中的應(yīng)用，船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜布線(xiàn)比較困難，有的地方是封閉的，不容易加導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)去，如果強(qiáng)加導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)去會(huì)影響機(jī)械設(shè)備的機(jī)械特性。

　　4結(jié)論

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的雙通道信號(hào)分析處理模塊不僅可以使船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的測(cè)量以及軸功率的測(cè)量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無(wú)線(xiàn)化，而且可以節(jié)約成本，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模塊的擴(kuò)展，大大的提高了系統(tǒng)的智能化和集成化。在一定條件下，此模塊還可以對(duì)其他的信號(hào)進(jìn)行采集分析，具有實(shí)用性。

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