摘 要

船舶主机作为船舶动力系统的主要部分，在船舶的航行中担任着至关重要的作用，其工作性能的好坏尤为重要。对船舶动力系统性能的检测，可以诊断其是否出现问题，如果发现问题可以及时作出调整，以保证船舶的航行的可靠性和提高经济性。而能够代表船舶动力性能的参数之一是轴功率，测量轴功率，以其来评价船舶动力性能的好坏的。所以开展轴功率测量系统的设计对船舶来说具有很重要得意义。

本文基于磁阻效应设计出以磁阻式传感器为主要测量元件的轴功率测试系统，首先对轴功率测量原理进行介绍，分析基于磁阻效应的轴扭矩测量方法和轴转速测量方法；其次针对所选择传感器及测量方法设计信号采集系统，对信号采集及处理介绍，分析信号处理中的滤波方法；最后针对本系统中可能造成的误差进行介绍，提出相应的采取方法。

关键词: 轴功率 ，磁阻式传感器，信号处理

Abstract

As the main part of the ship's power system, the ship's main engine plays an important role in the voyage of the ship, and the performance of the ship's main engine is very important.The detection of the performance of the ship power system can diagnose the problem, if it is found that the problem can be adjusted in time to ensure the reliability of the ship's navigation and improve the economy of the ship.And on behalf of the ship hydrodynamic performance of one of the parameters is the shaft power, the measurement axis power to it to evaluate the quality of ship dynamic performance. So the development of shaft power measurement system design of ship, it has very important significance.

In this paper, based on magnetoresistive effect design to magnetoresistive sensor for primary measuring elements of shaft power testing system, first of shaft power measurement principle are introduced and analysis based on magnetoresistive effect of shaft torque measurement method and shaft speed measurement method; secondly according to the selected sensor and measuring method of the design of signal acquisition system, introduction of signal acquisition and processing, analysis the filter method in signal processing; finally the error of the system may be caused by the introduction proposed corresponding methods.

Key words:Shaft power,magnetoresistive sensor ,signal processing

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究的目的与意义 1

1.2国内外的研究现状 2

1.2.1通过测量轴系的扭转角Ф的变化来测量扭矩大小 3

1.2.2通过测量轴系微应变ε的变化测量扭矩大小 3

1.2.3通过轴系的频率△F的变化来测量扭矩大小 4

1.2.4通过测量轴系磁导率μ变化测量扭矩大小 4

1.3本文研究的主要内容 5

第二章 轴功率测试的基本原理和方法 6

2.1轴功率测量原理 6

2.2扭矩测量原理 6

2.3轴功率转速测量原理 7

第三章 扭矩测量系统的设计 9

3.1扭矩测量系统组成 9

3.2传感器的选择 12

3.3磁阻式传感器的测量原理 13

第四章 信号采集及处理介绍 16

4.1信号放大电路的设计 16

4.1.1运算放大器和电源的选用 16

4.1.2外围电路设计 17

4.2信号采集设备的选用 19

4.3信号的预处理方法 20

4.4信号滤波的介绍 20

第五章 测量轴功率误差因素的分析 21

5.1轴功率误差分析 21

5.2磁阻式传感器测试系统的误差分析 22

5.2.1机械误差 22

5.2.2数据采集过程中的误差 22

第六章 结论与展望 24

6.1结论 24

6.2展望 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

1.1课题研究的目的与意义

目前，船舶的发展已经大型化、快速化以及自动化^[1]，所以需要要求更高更安全可靠的船舶动力系统。而通过对船舶动力系统的运行状态进行实时在线监测,并判断船舶是否存在了问题以及这些问题的严重程度,可增大船舶动力系统的可靠稳定性。因此,非常有必要研究船舶动力系统监测和诊断技术,具有十分重要的意义 。

船舶每隔一段时间就要进行检测，在检测的一些项目中，轴功率是船舶检测中必不可少的内容。通过测试轴功率，以检验新船的动力性能能否达到船东的要求，或者使用过的船舶能否具有可靠的安全性能，能否保证继续航行。轴功率在一定程度上是可以用来计算转换效率的,因此船舶动力性能的好坏在一定程度上可以通过轴功率反映出来。目前船厂或者船东在接收新船时基本都要对船舶的轴功率进行测量。为了了解船机桨之间的匹配程度，并检测旧船是否出现了故障，通过对不同工作状态下的主机的轴功率进行测量,就可以诊断出来。因此在大部分船厂新造船舶和对旧船进行改造时，都要对轴功率进行测量,与此同时，其准确的测量数据，可靠的分析显得极为重要。

大体来说,需要对轴功率进行测试的主要有以下几种情况^[2]。

（1）对于新造的船舶需要测定进行测量轴功率。船舶在航行过程中，是依靠船机桨的匹配来工作的。一般情况下是螺旋桨吸收的功率大约等于主机发出的功率，这样没有剩余或者不足是最好，但实际上并不是这样的。船舶在建造过程中,主机额定功率和转速是事先就确定好的，以此来设计螺旋桨,主机在不同负荷下的速度特性曲线不一样的，通过全负荷下主机的速度特性曲线与桨推进特性曲线相交的交点,使其落在主机的额定功率和转速的处。如果没有落在那个地方，则为螺旋桨过重或螺旋桨过轻了,从而导致主机要么不能发出全功率，要么发出的功率不够,这样的情况应该对新造船进行轴功率的测定。

（2）大修后的船舶应测定轴功率。一般来说，主机的额定功率不可能一直保持不变，因此，当船舶航行一段时间后或者出船舶发生了故障修理之后,也可能导致螺旋桨的性能也随之发生一些变化,从而导致螺旋桨和主机的特性曲线不能良好的匹配。因此对于大修后船舶的轴功率需要检测，并对主机与桨的匹配程度做出诊断。

（3）有时需要对船舶设备进行更换或者对船舶结构进行较大的改动，如果对船舶航行过程中遇到的阻力产生影响时,应当测试轴功率。因为这些设备和结构的改变可能对主机的外特性和螺旋桨的特性产生影响，通过测定轴功率，从而对主机特性参数做出相应的调整，以适合船舶航行的需要。

（4）另外，从能量利用的角度来说,目前国家的大趋势是节能减排，对于船舶这种大型设备来说更应考虑节能减排，因此从这个角度对船舶轴功率测量具有十分重要的意义,测量轴功率,分析其特点，从中优化船舶特性参数,尽可能的使主机功率得到最大程度的利用,从而节约能源。

1.2国内外的研究现状

随着我国工业的发展，船舶和汽车工业也得到了高速的进步，其上的动力装置，即柴油机、汽轮机或者汽油机等装置也向着更大功率，更大效率，更安全可靠方向发展。在人们的生活工作中，对高效率的安全可靠的机械运作也提出了更高的要求。同其他行业差不多，船舶领域也需要更加精准的测量技术以及测量装置，以保证更高的要求的需要。测试技术的发展在各行各业都显得极为重要，如果测量的不准确，就不能进行可靠的分析和计算，更不能设计出更好的产品来满足发展的需要，不能达到预计的效果。不过，经过不断的发展，依靠计算机来作为依托的测试技术得到了大力的发展，通过和传感器的结合使得测量的数据更加精确，分析也更加的具有保障。

目前大多数的测试系统主要有以下几部分组成：传感器，变换装置和信息采集显示装置。传感器的作用主要是将被测对象的一些位移、压力、温度等比较难以检测的物理量转换成较易测量的电信号，再通过转换装置对传感器发出的信号进行采集转换和分析处理，或者通过A/D转换输入到计算机里，通过相应的软件对信号进行处理，之后在显示仪上显示出来，提供给测试人员，以分析得出结论。