[发明专利]基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法与系统

说明书

本发明公开了一种基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法与系统，该方法包括如下步骤：1)采集电压模拟信号；2)对电压模拟信号进行放大、滤波和模数转换，得到电压数字信号；3)通过蓝牙数据发射模块将电压数字信号传输到上位机，经上位机处理后得到旋转轴的扭矩值；4)所需电能通过无线供电方式提供。该系统包括应变片式转矩传感器、集成电路板、上位机和无线供电装置；所述无线供电装置包括电能接收部件和电能发射部件；所述上位机设置有蓝牙数据接收模块；所述集成电路板上集成设置有电源模块、应变信号处理模块、数据处理模块、蓝牙数据发射模块。本发明通过无线供电和蓝牙数据传输的联合应用，提高了旋转轴扭矩测量精度。

技术领域

本发明涉及一种旋转轴扭矩测量技术，特别是指一种基于无线技术的旋转轴扭矩测量方法与系统。

背景技术

随着现代船舶动力装置自动化程度越来越高，对船舶动力装置系统的动态性能指标要求也越来越高。船舶动力装置在运行过程中，工况较为复杂。船舶动力装置的快速起动、突然加速或减速、紧急刹车等非稳态动作都会使动力设备轴系承受较大的瞬间扭矩，造成动力装置轴系的损伤，同时也给工作人员的安全埋下了隐患。扭矩是反应轴系传动装置输出功率和评价其工作特性的重要技术指标，它的周期性变化不仅会造成转轴疲劳失效，而且，过大的扭矩还可能导致转轴断裂。所以船舶轴系扭矩的测量，对于监测、诊断机械主轴传动系统动态特性，降低故障率和能耗具有重要意义。

目前，有两种扭矩传感器使用较为广泛。一种是相位差式传感器，其利用磁电相位差式转矩测量技术，在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。但它体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。另一种是应变片式转矩传感器，在沿轴向±45°方向上分别粘贴有四个应变片，将其组成全桥电路，则可输出与转矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。应变式转矩传感器结构简单，精度较高，技术相对成熟。

采用应变式转矩传感器进行旋转轴系扭矩的应变测量方法主要有接触式应变测量方法和遥测式应变测量方法。接触式应变测量方法是将电阻应变片安装在轴系上，产生的应变信号通过导线连接传送到集流环上，经过电刷与集流环的连接，将应变信号传送到应变仪上，再经过数据采集器，将信号输入到计算机进行数据处理和计算，最后得出结论。但是接触式应变测量方法也存在一些缺陷。刷式集流环通过滑环、电刷把旋转部件的测量信号传给二次仪表，环刷接触副构成静态接触电阻和动态接触电阻。接触电阻使被传递的信号发生畸变，对测量形成干扰，从而带来测量误差。同时，集流环的环与环、环与地(外壳)之间的电阻为绝缘电阻，它实际上并联于测量电路之中，所以当集流环的绝缘电阻降低或不稳定时，所产生的虚假应变会产生零点漂移和蠕变，从而带来测量误差。遥测式应变测量方法就是采用非接触方法，以天线耦合，实现应变信号的发送和接收，来完成对轴系应变信号的采集分析处理，计算出扭矩。遥测式应变测量方法也有一定的缺点。其一，由于在旋转轴上附加了发射机和内置电池，容易引起高转速时的动平衡问题，在小量程及小直径时更为突出。而且，在高转速的情况下，附加结构受很大的离心力，系统的安全性和可靠性大大降低。其二，由于是旋转轴系，因此供电系统现场布线存在很大的困难。采用电池供电，只能短期使用，十分不便。其三，系统易受现场电磁波的干扰。

另一方面，无线电能传输技术，泛指一种借助磁场、电场、电磁波、微波、RF无线电波等软介质，将电能以非接触的形式由电源接入到用电设备的新型电能供给模式。目前，实现无线电能传输的方法主要有微波、无线电波、共振(谐振耦合)和电磁感应耦合等。其中，感应耦合电能传输技术，是以电磁场近场耦合的方式实现电能近距离的无线传输。磁耦合谐振无线供电技术主要用于一些小型无线供电系统的供电，相对于其他无线供电方式在传输效率和传输距离上具有无法比拟的优越性，具有很广阔的发展空间和应用前景，它的应用范围可以囊括生活中的很多用电设备。磁耦合谐振无线供电技术的发展可以在很大程度上推动无线供电技术在生产和生活中的推广与普及。

发明内容