基于光纤传感的轴功率在线测量系统设计与实现

发布时间：2017-10-08 06:03

  本文关键词：基于光纤传感的轴功率在线测量系统设计与实现

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【摘要】：为了加快经济转变发展方式和走新型工业化道路,工信部发布的《中国制造2025》发展纲要中明确提出要把海洋工程装备和高技术船舶作为十大重点发展领域之一加快推进。船舶系统的高效、安全、节能成为现代船舶制造的必然要求。船舶主机作为动力源泉,通过监测其输出轴功率一方面可以检验船舶机桨匹配情况,另一方面可以据此控制喷油提前角和喷油量,减少船舶能耗,从而促进智能柴油机的发展。本文基于光纤传感技术,设计了轴功率在线测量系统。论文的主要内容如下:首先,介绍了国内外转速测量、扭矩测量以及光纤传感技术的研究现状,通过比较多种光纤传感技术用于测量扭矩的优劣,确定了采用基于波长调制的光纤光栅法。其次,完成了轴功率测量系统结构研究和硬件设计。针对光纤光栅用于测量轴扭矩时的应变温度同时敏感问题、粘贴方式和非接触测量方法等关键问题进行了研究并根据Matlab仿真结果提出了解决方案。完成了基于STM32单片机的转速测量硬件设计。再次,完成了轴功率在线测量系统的软件开发。考虑到日后更新问题,将波长数据采集软件和监测显示软件分开设计。采用C#语言开发了波长数据采集软件,利用LabVIEW软件实现了轴转速、扭矩和功率数据的实时监测显示、存储查询等功能。最后,通过实验验证了光纤光栅粘贴的理想角度,得出了设置参考光栅后的扭矩灵敏度为7.845pm/Nm,加载和卸载行程的非线性误差分别为1.48%和2%,迟滞性误差为0.7%,重复性误差为1.06%,也说明了该套系统扭矩传感指标能够很好地满足于应用需求。
【关键词】：光纤光栅(FBG) 扭矩测量 Lab VIEW 在线测量系统
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题研究目的及意义9
• 1.2 国内外研究现状和分析9-12
• 1.2.1 船舶轴功率测量原理9-10
• 1.2.2 转速测量现状10
• 1.2.3 扭矩测量现状10-12
• 1.3 光纤传感技术发展概况12-13
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排13-15
• 第2章 扭矩测量原理及光纤传感方法比较与选择15-25
• 2.1 扭矩测量的基本原理15-16
• 2.2 光纤传感扭矩测量方法比较与选择16-24
• 2.2.1 光强调制型扭矩测量法17
• 2.2.2 相位调制型扭矩测量法17-19
• 2.2.3 偏振调制型扭矩测量法19-20
• 2.2.4 频率调制型扭矩测量法20-22
• 2.2.5 波长调制型扭矩测量法22-24
• 2.3 本章小结24-25
• 第3章 光纤光栅法轴功率测量系统结构研究及硬件设计25-49
• 3.1 光纤光栅传感特性25-31
• 3.1.1 应变传感模型25-27
• 3.1.2 温度传感模型27
• 3.1.3 应变温度交叉敏感分析与仿真27-30
• 3.1.4 交叉敏感问题解决方法30-31
• 3.2 光纤光栅粘接方案研究31-40
• 3.2.1 FBG粘接角度的确定32-33
• 3.2.2 光纤光栅安装工艺研究33-40
• 3.3 非接触测量方案研究40-44
• 3.3.1 光传输方案40-41
• 3.3.2 光纤准直器插入损耗分析41-44
• 3.4 转速测量硬件设计44-47
• 3.4.1 总体测量方案44-45
• 3.4.2 主控芯片及外围电路设计45-46
• 3.4.3 红外传感电路设计46-47
• 3.4.4 通信模块电路设计47
• 3.5 本章小结47-49
• 第4章 轴功率在线监测软件系统设计49-61
• 4.1 总体框架49-50
• 4.2 转速部分中断程序设计50-51
• 4.3 光纤光栅波长数据采集软件设计51-57
• 4.3.1 软件架构51-52
• 4.3.2 软件设计52-57
• 4.4 LABVIEW监测软件功能的实现57-60
• 4.4.1 实时监测58
• 4.4.2 参数配置58-59
• 4.4.3 存储查询59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 实验验证61-72
• 5.1 实验平台及方法介绍61-64
• 5.1.1 实验平台介绍61-63
• 5.1.2 温度补偿方法介绍63-64
• 5.2 传感器标定64-69
• 5.2.1 应变标定64-65
• 5.2.2 扭矩标定65-69
• 5.3 粘贴角度影响的实验研究69-70
• 5.4 轴功率在线动态测量的实现70-71
• 5.5 本章小结71-72
• 第6章 总结与展望72-74
• 6.1 全文总结72
• 6.2 工作展望72-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-77
• 在学期间科研成果情况77

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本文编号：992365