随着经济与技术的发展，船舶的制造以及维护与修理逐渐的向自动化、高效化发展。轴功率是船舶动力系统的主要性能参数之一，通过测量轴功率可总体判断船体-主机-螺旋桨三者之间的匹配情况。
摘要：船舶主机的轴功率是判断船-机-桨匹配的重要参数之一。文章介绍了一种船舶主机轴功率的测量方法—双通道信号分析处理模块，简述了双通道信号分析处理模块的组成以及原理。该模块的两个通道分别实现了转速、扭矩信号采集的自动化和无线化。此模块在一定条件下还可以对其他的信息进行采集，实现了远程双通道信号采集分析处理。
关键词：通信论文投稿,双通道,船舶主机,转速,扭矩,轴功率
轴功率的测量与分析不管是在船舶制造还是在船舶航行中都具有非常重要的作用，通过对主机不同工况下的轴功率测量，可以检验船体-主机-螺旋桨三者之间的匹配情况。一般通过测量轴的扭矩与转速来确定轴功率，本研究采用了双通道无线传输技术，将转速和扭矩信号经过无线传输到电脑，计算出轴功率并在电脑上显示。
1模块的基本开发思路
本文开发的双通道信号分析处理模块包括双通道信号采集部分、信号转换部分、是以计算机外核心的信号分析处理模块。信号采集部分主要是通过双通道分别测量转速、扭矩；再通过信号转换将模拟信号转换为数字信号，采集到的数据通过无线传输送入计算机，由相应的软件完成其后续工作。系统软件主要包括信息显示和数据处理，整体设计结构如图1所示。
1.1双通道信号采集部分工作原理及设计
1.1.1通道1——扭矩的测量
此通道采用应变片试扭矩传感器进行测量和无线传输技术，应变片试扭矩测量是目前应用最广泛的一种扭矩测量方法。这种测量法的特点有如下两点：①有较好的补偿温度的性能；②此方法能够除去弯曲应力和轴向应力的影响。应变片是很薄的金属片，可以贴在测量物体表面上，当物体受到应力的作用时就会有力的产生，粘贴在物体表面的应变片就会受到应力影响，使应变片的电阻值发生和应变成正比的变化，因此应变的测量就可通过应变片的电阻值的测量来实现，结构框图如图2所示。
对一几何尺寸不变的船舶主机轴来说，通过最大剪切应变力的测量，就可以求出扭矩Me。当船舶主机轴受到扭矩作用时，其截面上最大剪切应力τmax发生在截面周边各点，且与轴所传递的扭矩Me有如下关系：
τmax=■
式中：τmax为最大剪切应力，MPa；Me为转轴所受到的扭矩，N·m；d0为轴外径，cm。
利用应变片将剪切应变转变为电信号，经放大后器以及V/F转换将电信号转换成数字信号。根据材力学的原理，受到纯扭矩的轴，它的表面主应力的方向与轴线成±45°角，主应力的绝对值就是最大剪应力的值。所以沿扭力轴的轴向±45°方向分别粘贴4个应变片，组成全桥电路的四个桥臂，用以感受同向的最大正应变，电阻应变片的黏贴方式如图3所示。
当轴在扭矩作用下发生变形时，贴在船舶轴上的电阻应变片容易产生变形，从而改变电阻值，其变化大小与贴片处轴的平均应变成正比。电阻应变仪可以将被测试构件因荷载作用引起的应变量转换为电阻变化率，通过电桥可以将应变片转换来的电阻变化率再转换为电压变化，测量电桥见图4。
图4中R1，R2，R3，R4为桥臂电阻，且R1=R2=R3=R4。A，B端电压为：
UAB=■
A，D端电压为：
UAB=■
则B，D端输出电压为：
UBD=UAB-UAD=■
然后再由电压变化输给A/D转换器，将信号转换为数字信号。
1.1.2通道2——转速的测量
本通道采用霍尔开关传感器对船舶主机速度进行测量和无线传输技术。测量船舶主机转速就是要将转速表示为脉冲信号，进行脉冲计数。霍尔器开关传感器具有体积较小小、结构牢固、重量较轻以及便于安装等特点，因而采用此传感器对信号进行检测，此结构框图如图5所示。
在船舶主机飞轮同一截面的圆周面上均匀固定M块永久磁铁（视情况而定M为多少），在飞轮旁放上霍尔开关传感器。当飞轮转动，永久磁铁靠近霍尔传感器时，霍尔元件就会受到磁铁所产生的磁场影响而产生一个脉冲信号。该信号经放大器放大后驱动半导体三极管，使之完成导通、截止。将CPU接于半导体三极管输出端进行计数。这样轴的转速n（r/min）可以由下式计算出。
n=60NX/M
式中：NX为计数器每秒接收到的脉冲个数。
1.2轴功率的计算
在船舶动力系统中，船体、主机、螺旋桨三者处在一系统中，组成一个整体。当船舶柴油机带动螺旋桨工作时，无论柴油机与螺旋桨怎样连接，总要使得能量保持平衡。在稳定运转条件下，若不计传动损失，主机的发出功率Pe对和转矩Me等于螺旋桨的吸收功率Pp和转矩Mp。对于以轴作为输出装置的柴油机来说，其轴功率P与输出扭矩Me和转速n具有以下关系：
P=■≈■
式中：P为轴功率；Me为扭矩；n为转速。
2转速和扭矩信号无线传输设计
在使用无线信号之前，我们首先对两个发射器进行简单的设置，把检测转矩的无线信号发射器的名字设置成转矩，把另一个无线信号发射器的名字设置成转速，我们利用心跳软件可以分时，检测两个发射器的信号，设置的间隔为20ms。
本文采用无线信号发射器YCF100-02和无线网卡USB接收器，在使用无线信号之前，我们首先对两个发射器进行简单的设置，把检测转矩的无线信号发射器的名字设置成转矩，把另一个无线信号发射器的名字设置成转速，我们利用心跳软件可以分时，检测两个发射器的信号，设置的间隔为20ms。转矩和转速先通过检测装置，检测到转矩和转速的信号，然后采用A/D转换器，转换成数字信号，通过无线信号发射器YCF100-02发送出去，然后无线网卡USB接收器接收信号，并通过虚拟示波器显示在电脑。无线信号发射器YCF100-02核心电路采用RF12射频收发芯片，提供一个SPI接口，实现由MCU通过软件去设置各种射频参数和其它辅助功能。在无需外加功放电路的情况下，可使其通讯距离达到100m以上。信号发射器YCF100-02具有小功耗，小体积、标准排针式接口、发射距离100m以上等特点。
3显示装置与网络控制
无线网卡USB接收器将接收到的转速信号和扭矩信号输入电脑，显示在虚仪示波器上；通过VB编程技术将转速和扭矩计算为轴功率并在虚拟示波器上显示。虚仪示波器3.0具有强大功能的基于个人电脑的虚拟的仪器，具有特殊的专门适用于采集声卡信号的算法，能对连续的输入信号进行监视，当输入的信号达到触发条件后，才采集一幀数据。因此本仪器能达到50帧/s的速度刷新屏幕，因此实现了实时信号采集和显示。本虚仪示波器发挥了以电脑显示屏作为显示介质的特点，并且支持显示图形的滚动和放大的功能，而且还能够将绝大部分的屏幕用来显示，因此便于深入研究显示的信号。此虚仪示波器可以做到对双踪波形、电压表、波形相加和瞬态信号等的捕捉，并且可以将数据存储为TXT文本，还可以是WAV波形文件，以便于以后查找，并且还可以将BMP图像文件输出。
网络控制系统的主要优点为网络布线方便，连接线数大大减少，易于扩展，成本低，设备即插即用，故障检修和维护方便，抗干扰性强，数据传输可靠性高，数据可交换性强，能实现资源的共享等，
本文中采用了无线网络的控制，不仅可以减少布线，更适合在船舶等结构复杂的设备中的应用，船舶结构复杂布线比较困难，有的地方是封闭的，不容易加导线进去，如果强加导线进去会影响机械设备的机械特性。
4结论
无线网络的双通道信号分析处理模块不仅可以使船舶主机转速和扭矩的测量以及轴功率的测量实现自动化和无线化，而且可以节约成本，容易实现数据模块的扩展，大大的提高了系统的智能化和集成化。在一定条件下，此模块还可以对其他的信号进行采集分析，具有实用性。
参考文献：
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