摘 要

目前,如果我们想要测量船舶的轴功率，那么首先要知道主机的转速和主轴的扭矩，再利用标准的公式进行计算就可以测量得到轴功率了。测量转速的方法我就不多说了很简单,但是测量扭矩的方式有各种各样，就我了解到的应变型和相位差型这两种方法,我通过各种文献中的资料大概了解到了轴系的工作环境是怎样的，所以我经过对各种方法的好处与坏处进行比较，我决定选择基于相位差式的测量方法,我觉得这个方法测起来比较方便，而且抗干扰能力蛮可以的以及安装方法很简单。

本文设计研究了扭矩测量的方法、测试信号的处理过程以及利用实验数据来做误差分析。通过光电开关测量安装在轴系上的两个光电码盘的方波信号相位差，进而计算得到扭矩值。设计了存在相位差的方波信号的处理方案，将信号输入FPGA，量化方波宽度，计算相对扭转角，使用STM32单片机及FPGA对采集的轴承数据进行滤波、计算与处理，最后利用Matlab通过数据分析与处理完成对轴系扭矩和功率等运转状况的监测工作。

本文最终完成了基于STM32单片机及FPGA基本原理的船舶轴功率在线检测系统的设计。

关键词：轴功率；相位差；扭矩；光电码盘

Abstract

At present, for the measurement of shaft power, the two parameters of shaft torque and rotation speed are generally measured first, and then the shaft power is calculated by formula.Measuring speed technology has been very mature, and for torque measurement method has a lot of kinds, mainly include the magnetoelastic, variant and phase difference, according to the actual working environment of shafting as well as the advantages and disadvantages of various methods, finally chose to use phase torque measurement, the method measuring range, high precision, and simple in structure, convenient in installation.

In this paper, the torque phase difference measurement technology and digital transmission technology are studied. The phase difference of the square wave signal of the two optical code plates installed on the shafting is measured by the photoelectric switch, and then the torque value is calculated.Design the phase difference of square wave signal processing scheme, the input signal to the FPGA, quantitative square wave width, calculate the relative torsion Angle, using the STM32 MCU and FPGA for acquisition of bearing data filtering, calculation and processing, finally uses Matlab through data analysis and processing is completed on the shaft torque and power of operation condition monitoring work.

This paper finally completes the design of the ship shaft power on-line detection system based on STM32 single chip microcomputer and FPGA basic principle.

Key Words：shaft power；phase difference；torque；photoelectric encoder

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 应变式扭矩测量方法 2

1.2.2 相位差式扭矩测量方法 2

1.2.3 轴功率检测的发展趋势 2

1.3 研究的主要内容 2

第2章 测量端结构设计及测量原理 4

2.1 监测设备的机械结构设计 4

2.1.1 光电码盘的安装 4

2.1.2 光电编码技术 5

2.2 测量原理 5

第3章 轴功率系统结构设计 7

3.1 硬件部分设计 7

3.1.1 FPGA基本原理 7

3.1.2 单片机型号选择 8

3.2 测量系统设计 8

3.2.1 光电转换电路 8

3.2.2 串口通信设计 10

第4章 测量信号的处理 11

4.1 信号预处理模块 11

4.2 数字信号处理部分 12

4.2.1 脉冲计数部分 12

4.2.2 状态比较及锁存 12

第5章 轴功率在线检测系统的误差分析 14

5.1 误差知识 14

5.2 轴功率测量系统的误差 15

5.2.1 光电非接触式转动轴功率测量系统的主要误差源 15

5.2.2 测量系统实验数据误差分析 16

第6章 结论 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

现如今旋转器械在诸多领域占有重要的地位，比如船舶、汽车以及风力发电等都要用到它，我们发现如果他们想要传递动力设备产生的动能，那么必定离不开传输轴系，所以如果我们能准确高效的测出它们的轴功率，那么可想而知，对船舶、机械的正常运行力学性能的研究和建立是很有帮助的。所以说，能够准确高效的测出轴系的扭矩和轴功率是很重要的，对于质量检测、状态监测和故障诊断是非常重要的环节。扭矩测量技术是集机械、电子、物理等学科于一体^[1]。

船舶柴油发动机做功产生的动能将通过轴传输给船体外的螺旋桨，并且使其旋转。然后螺旋桨旋转时会给水一个推力，由作用力是相互的原理可知水就会给船一个反推力，最后推动船舶航行。想要知道船舶的动力性能怎么样，那么必须要知道轴功率这个重要参数。而当船舶在海上航行的时候天气瞬息万变，就会导致船舶运行的条件是变化多样的，就比如船舶在大风浪时主机运转情况十分复杂。当遇到复杂工况时，主机的轴功率很可能就不能百分之百得到发挥，那么就可能导致过载减少主机的使用寿命。测试轴系功率不仅可以判断主机的性能，还可以对主机进行测试。通过测量轴功率是否正常来判断主机是否在正常状态，以便能够及时的进行维护和调整。

在船舶建造完成后或者修理后，轴功率的测量是重中之重，维修船舶主机的时候都是以它做为主要参考，可以帮助动力设备提高它的使用期限从而降低运行成本，最重要的是保证的安全第一的原则。为了能够找到一种能够快速、准确以及便利的方法来得到船舶的轴功率。所以我设计一种轴功率在线监测方法，用在船舶主机的维护管理与实时监测方面是很有意义的^[2]。