隨著經濟與技術的發展，船舶的制造以及維護與修理逐漸的向自動化、高效化發展。軸功率是船舶動力系統的主要性能參數之一，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了轉速、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，實現了遠程雙通道信號采集分析處理。

　　關鍵詞：通信論文投稿,雙通道,船舶主機,轉速,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速來確定軸功率，本研究采用了雙通道無線傳輸技術，將轉速和扭矩信號經過無線傳輸到電腦，計算出軸功率并在電腦上顯示。

　　1模塊的基本開發思路

　　本文開發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速、扭矩；再通過信號轉換將模擬信號轉換為數字信號，采集到的數據通過無線傳輸送入計算機，由相應的軟件完成其后續工作。系統軟件主要包括信息顯示和數據處理，整體設計結構如圖1所示。

　　1.1雙通道信號采集部分工作原理及設計

　　1.1.1通道1——扭矩的測量

　　此通道采用應變片試扭矩傳感器進行測量和無線傳輸技術，應變片試扭矩測量是目前應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力和軸向應力的影響。應變片是很薄的金屬片，可以貼在測量物體表面上，當物體受到應力的作用時就會有力的產生，粘貼在物體表面的應變片就會受到應力影響，使應變片的電阻值發生和應變成正比的變化，因此應變的測量就可通過應變片的電阻值的測量來實現，結構框圖如圖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力τmax發生在截面周邊各點，且與軸所傳遞的扭矩Me有如下關系：

　　τmax=■

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

　　利用應變片將剪切應變轉變為電信號，經放大后器以及V/F轉換將電信號轉換成數字信號。根據材力學的原理，受到純扭矩的軸，它的表面主應力的方向與軸線成±45°角，主應力的絕對值就是最大剪應力的值。所以沿扭力軸的軸向±45°方向分別粘貼4個應變片，組成全橋電路的四個橋臂，用以感受同向的最大正應變，電阻應變片的黏貼方式如圖3所示。

　　當軸在扭矩作用下發生變形時，貼在船舶軸上的電阻應變片容易產生變形，從而改變電阻值，其變化大小與貼片處軸的平均應變成正比。電阻應變儀可以將被測試構件因荷載作用引起的應變量轉換為電阻變化率，通過電橋可以將應變片轉換來的電阻變化率再轉換為電壓變化，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轉換器，將信號轉換為數字信號。

　　1.1.2通道2——轉速的測量

　　本通道采用霍爾開關傳感器對船舶主機速度進行測量和無線傳輸技術。測量船舶主機轉速就是要將轉速表示為脈沖信號，進行脈沖計數。霍爾器開關傳感器具有體積較小小、結構牢固、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，此結構框圖如圖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傳感器。當飛輪轉動，永久磁鐵靠近霍爾傳感器時，霍爾元件就會受到磁鐵所產生的磁場影響而產生一個脈沖信號。該信號經放大器放大后驅動半導體三極管，使之完成導通、截止。將CPU接于半導體三極管輸出端進行計數。這樣軸的轉速n（r/min）可以由下式計算出。

　　n=60NX/M

　　式中：NX為計數器每秒接收到的脈沖個數。

　　1.2軸功率的計算

　　在船舶動力系統中，船體、主機、螺旋槳三者處在一系統中，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。在穩定運轉條件下，若不計傳動損失，主機的發出功率Pe對和轉矩Me等于螺旋槳的吸收功率Pp和轉矩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和轉速n具有以下關系：

　　P=■≈■

　　式中：P為軸功率；Me為扭矩；n為轉速。

　　2轉速和扭矩信號無線傳輸設計

　　在使用無線信號之前，我們首先對兩個發射器進行簡單的設置，把檢測轉矩的無線信號發射器的名字設置成轉矩，把另一個無線信號發射器的名字設置成轉速，我們利用心跳軟件可以分時，檢測兩個發射器的信號，設置的間隔為20ms。

　　本文采用無線信號發射器YCF100-02和無線網卡USB接收器，在使用無線信號之前，我們首先對兩個發射器進行簡單的設置，把檢測轉矩的無線信號發射器的名字設置成轉矩，把另一個無線信號發射器的名字設置成轉速，我們利用心跳軟件可以分時，檢測兩個發射器的信號，設置的間隔為20ms。轉矩和轉速先通過檢測裝置，檢測到轉矩和轉速的信號，然后采用A/D轉換器，轉換成數字信號，通過無線信號發射器YCF100-02發送出去，然后無線網卡USB接收器接收信號，并通過虛擬示波器顯示在電腦。無線信號發射器YCF100-02核心電路采用RF12射頻收發芯片，提供一個SPI接口，實現由MCU通過軟件去設置各種射頻參數和其它輔助功能。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。信號發射器YCF100-02具有小功耗，小體積、標準排針式接口、發射距離100m以上等特點。

　　3顯示裝置與網絡控制

　　無線網卡USB接收器將接收到的轉速信號和扭矩信號輸入電腦，顯示在虛儀示波器上；通過VB編程技術將轉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，能對連續的輸入信號進行監視，當輸入的信號達到觸發條件后，才采集一幀數據。因此本儀器能達到50幀/s的速度刷新屏幕，因此實現了實時信號采集和顯示。本虛儀示波器發揮了以電腦顯示屏作為顯示介質的特點，并且支持顯示圖形的滾動和放大的功能，而且還能夠將絕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、波形相加和瞬態信號等的捕捉，并且可以將數據存儲為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。

　　網絡控制系統的主要優點為網絡布線方便，連接線數大大減少，易于擴展，成本低，設備即插即用，故障檢修和維護方便，抗干擾性強，數據傳輸可靠性高，數據可交換性強，能實現資源的共享等，

　　本文中采用了無線網絡的控制，不僅可以減少布線，更適合在船舶等結構復雜的設備中的應用，船舶結構復雜布線比較困難，有的地方是封閉的，不容易加導線進去，如果強加導線進去會影響機械設備的機械特性。

　　4結論

　　無線網絡的雙通道信號分析處理模塊不僅可以使船舶主機轉速和扭矩的測量以及軸功率的測量實現自動化和無線化，而且可以節約成本，容易實現數據模塊的擴展，大大的提高了系統的智能化和集成化。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。

　　參考文獻：

　　[1]徐進，楊德望，馮成.扭矩測量裝置的研究與實踐[J].航海技術，2005，（5）.

　　[2]甘少煒，范世東，周剛.船舶柴油機軸功率測量系統的設計與實現[J].船海工程，2006，（1）.

　　[3]夏祁寒.應變片測試原理及在實際工程中的應用[J].山西建筑，2008，（34）.

　　[4]陳得民.無線扭矩——轉速傳感器在傳動軸測試中的應用[J].傳感器世界，2012，（34）.

　　[5]李斌.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，2008.