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

　　摘要：船舶主機的軸功率是判斷船-機-槳匹配的重要參數(shù)之一。文章介紹了一種船舶主機軸功率的測量方法—雙通道信號分析處理模塊，簡述了雙通道信號分析處理模塊的組成以及原理。該模塊的兩個通道分別實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、扭矩信號采集的自動化和無線化。此模塊在一定條件下還可以對其他的信息進行采集，實現(xiàn)了遠程雙通道信號采集分析處理。

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

　　軸功率的測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，通過對主機不同工況下的軸功率測量，可以檢驗船體-主機-螺旋槳三者之間的匹配情況。一般通過測量軸的扭矩與轉(zhuǎn)速來確定軸功率，本研究采用了雙通道無線傳輸技術(shù)，將轉(zhuǎn)速和扭矩信號經(jīng)過無線傳輸?shù)诫娔X，計算出軸功率并在電腦上顯示。

　　1模塊的基本開發(fā)思路

　　本文開發(fā)的雙通道信號分析處理模塊包括雙通道信號采集部分、信號轉(zhuǎn)換部分、是以計算機外核心的信號分析處理模塊。信號采集部分主要是通過雙通道分別測量轉(zhuǎn)速、扭矩；再通過信號轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸送入計算機，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)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1雙通道信號采集部分工作原理及設(shè)計

　　1.1.1通道1——扭矩的測量

　　此通道采用應(yīng)變片試扭矩傳感器進行測量和無線傳輸技術(shù)，應(yīng)變片試扭矩測量是目前應(yīng)用最廣泛的一種扭矩測量方法。這種測量法的特點有如下兩點：①有較好的補償溫度的性能；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，可以貼在測量物體表面上，當物體受到應(yīng)力的作用時就會有力的產(chǎn)生，粘貼在物體表面的應(yīng)變片就會受到應(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)變的測量就可通過應(yīng)變片的電阻值的測量來實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　對一幾何尺寸不變的船舶主機軸來說，通過最大剪切應(yīng)變力的測量，就可以求出扭矩Me。當船舶主機軸受到扭矩作用時，其截面上最大剪切應(yīng)力τmax發(fā)生在截面周邊各點，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)殡娦盘枺��?jīng)放大后器以及V/F轉(zhuǎn)換將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。根據(jù)材力學(xué)的原理，受到純扭矩的軸，它的表面主應(yīng)力的方向與軸線成±45°角，主應(yīng)力的絕對值就是最大剪應(yīng)力的值。所以沿扭力軸的軸向±45°方向分別粘貼4個應(yīng)變片，組成全橋電路的四個橋臂，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。

　　當軸在扭矩作用下發(fā)生變形時，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，通過電橋可以將應(yīng)變片轉(zhuǎn)換來的電阻變化率再轉(zhuǎn)換為電壓變化，測量電橋見圖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，將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

　　1.1.2通道2——轉(zhuǎn)速的測量

　　本通道采用霍爾開關(guān)傳感器對船舶主機速度進行測量和無線傳輸技術(shù)。測量船舶主機轉(zhuǎn)速就是要將轉(zhuǎn)速表示為脈沖信號，進行脈沖計數(shù)。霍爾器開關(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，因而采用此傳感器對信號進行檢測，此結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

　　在船舶主機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關(guān)傳感器。當飛輪轉(zhuǎn)動，永久磁鐵靠近霍爾傳感器時，霍爾元件就會受到磁鐵所產(chǎn)生的磁場影響而產(chǎn)生一個脈沖信號。該信號經(jīng)放大器放大后驅(qū)動半導(dǎo)體三極管，使之完成導(dǎo)通、截止。將CPU接于半導(dǎo)體三極管輸出端進行計數(shù)。這樣軸的轉(zhuǎn)速n（r/min）可以由下式計算出。

　　n=60NX/M

　　式中：NX為計數(shù)器每秒接收到的脈沖個數(shù)。

　　1.2軸功率的計算

　　在船舶動力系統(tǒng)中，船體、主機、螺旋槳三者處在一系統(tǒng)中，組成一個整體。當船舶柴油機帶動螺旋槳工作時，無論柴油機與螺旋槳怎樣連接，總要使得能量保持平衡。在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)條件下，若不計傳動損失，主機的發(fā)出功率Pe對和轉(zhuǎn)矩Me等于螺旋槳的吸收功率Pp和轉(zhuǎn)矩Mp。對于以軸作為輸出裝置的柴油機來說，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)速和扭矩信號無線傳輸設(shè)計

　　在使用無線信號之前，我們首先對兩個發(fā)射器進行簡單的設(shè)置，把檢測轉(zhuǎn)矩的無線信號發(fā)射器的名字設(shè)置成轉(zhuǎn)矩，把另一個無線信號發(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，檢測兩個發(fā)射器的信號，設(shè)置的間隔為20ms。

　　本文采用無線信號發(fā)射器YCF100-02和無線網(wǎng)卡USB接收器，在使用無線信號之前，我們首先對兩個發(fā)射器進行簡單的設(shè)置，把檢測轉(zhuǎn)矩的無線信號發(fā)射器的名字設(shè)置成轉(zhuǎn)矩，把另一個無線信號發(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，檢測兩個發(fā)射器的信號，設(shè)置的間隔為20ms。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速先通過檢測裝置，檢測到轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的信號，然后采用A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過無線信號發(fā)射器YCF100-02發(fā)送出去，然后無線網(wǎng)卡USB接收器接收信號，并通過虛擬示波器顯示在電腦。無線信號發(fā)射器YCF100-02核心電路采用RF12射頻收發(fā)芯片，提供一個SPI接口，實現(xiàn)由MCU通過軟件去設(shè)置各種射頻參數(shù)和其它輔助功能。在無需外加功放電路的情況下，可使其通訊距離達到100m以上。信號發(fā)射器YCF100-02具有小功耗，小體積、標準排針式接口、發(fā)射距離100m以上等特點。

　　3顯示裝置與網(wǎng)絡(luò)控制

　　無線網(wǎng)卡USB接收器將接收到的轉(zhuǎn)速信號和扭矩信號輸入電腦，顯示在虛儀示波器上；通過VB編程技術(shù)將轉(zhuǎn)速和扭矩計算為軸功率并在虛擬示波器上顯示。虛儀示波器3.0具有強大功能的基于個人電腦的虛擬的儀器，具有特殊的專門適用于采集聲卡信號的算法，能對連續(xù)的輸入信號進行監(jiān)視，當輸入的信號達到觸發(fā)條件后，才采集一幀數(shù)據(jù)。因此本儀器能達到50幀/s的速度刷新屏幕，因此實現(xiàn)了實時信號采集和顯示。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，并且支持顯示圖形的滾動和放大的功能，而且還能夠?qū)⒔^大部分的屏幕用來顯示，因此便于深入研究顯示的信號。此虛儀示波器可以做到對雙蹤波形、電壓表、波形相加和瞬態(tài)信號等的捕捉，并且可以將數(shù)據(jù)存儲為TXT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)點為網(wǎng)絡(luò)布線方便，連接線數(shù)大大減少，易于擴展，成本低，設(shè)備即插即用，故障檢修和維護方便，抗干擾性強，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，數(shù)據(jù)可交換性強，能實現(xiàn)資源的共享等，

　　本文中采用了無線網(wǎng)絡(luò)的控制，不僅可以減少布線，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)雜布線比較困難，有的地方是封閉的，不容易加導(dǎo)線進去，如果強加導(dǎo)線進去會影響機械設(shè)備的機械特性。

　　4結(jié)論

　　無線網(wǎng)絡(luò)的雙通道信號分析處理模塊不僅可以使船舶主機轉(zhuǎn)速和扭矩的測量以及軸功率的測量實現(xiàn)自動化和無線化，而且可以節(jié)約成本，容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)模塊的擴展，大大的提高了系統(tǒng)的智能化和集成化。在一定條件下，此模塊還可以對其他的信號進行采集分析，具有實用性。

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