一种基于光电编码器和激光测距传感器的船舶柴油机臂距值
测量方法及装置
技术领域
[0001] 本
发明涉及
内燃机测控技术及故障诊断与维修领域。
背景技术
[0002]
曲轴作为船舶柴油机最重要的部件，成本占整机的40％左右。曲轴结构复杂，应
力集中严重，附加
应力大。特别是在曲轴结构强度低及主
轴承磨损不均时，会引起轴线弯曲，
加速弯曲疲劳损坏，极端情况下出现断轴事故。因此，对曲轴臂距值进行定期检测，成为判断曲轴轴线状态的重要参数，同时也是
预防曲轴发生弯曲疲劳破坏的重要手段。
[0003] 目前船舶柴油机曲轴臂距值的测量仍采用传统的机械式拐档表人工测量法。测量时需将拐档表安装在
曲柄臂之间的固定
位置上，并要求与
曲柄销颈平行。对于在运行中的柴油机，由于
活塞连杆组已安装在曲轴上，当要测量曲柄处于下死点位置的臂距值L下时，连杆正好处于两侧
曲柄臂中间，拐档表无法安装，实际操作中，曲柄销在下死点的臂距值L下将由曲柄销位于下死点前15°和下死点后15°(度数没严格规定，只要求对称及不碰连杆为准)两位置臂距值L前15°、L后15°的平均值来代替，即L下＝(L前15°+L后15°)/2。因此安装连杆的情况下，要测0°、90°、165°、195°、270°的五个曲柄位置的臂距值，其中0°为
上止点位置，通过按正车盘车，可一次装表完成5个曲柄位置的臂距值测量。由于
曲轴转角的读取及拐档表数值的读取均存在测量误差，且在有连杆的情况下测量，容易出现连杆与拐档表相撞，造成拐档表脱落损坏的问题。为克服这一问题，海军工程大学的刘伯运、朱宝成等人运用激光和线阵位移测量系统尝试柴油机的臂距差测量，方法新颖，但是由于曲轴轴线
变形有两种即拱腰变形和塌腰变形，上述测量方法只能适用一种变形情况，存在测量的局限性。集美大学的林金表、王勇设计了一种利用霍尔效应实现臂距差测量的传感器，通过
有限元分析方法计算了圆柱
永磁体周围
磁场的空间分布，研究了两永磁体同极对称布置的位置和霍尔元件与永磁体的相对安装位置对传感器微位移测量
精度的影响，但这种方法的测量范围受限制，只有在0-2mm范围内，测量系统的输出与位移呈线性关系，超出此范围则测量精度会出现较大偏差。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的内容是提供一种基于曲轴
位置传感器和激光测距传感器的船舶柴油机臂距值测量方法和装置。其不但可以避免采用机械式仪表人工测量时容易出现的连杆撞表问题，可靠性提高；而且测量精度高，可以最大限度减小测量误差。特别适于大缸径船舶柴油机的臂距值测量，有较大的应用前景和市场空间。
[0005] 本发明提供的基于光电编码器和激光测距传感器的船舶柴油机臂距值测量方法，包括以下步骤：
[0006] 1)获取
发动机的转速同步
信号和上止点信号的步骤，将光电编码器安装在柴油机的曲轴自由端，实时采集发动机的转速
同步信号和上止点信号后输出给系统控制和
数据采集处理单元；
[0007] 2)获取激光参考信号和回波信号的步骤，将激光测距传感器的激光脉冲发射单元安装在柴油机待测
气缸的曲柄臂上，与接收单元同侧布置，用于实时发出激光脉冲信号及参考信号；接收单元用于接收激光参考信号和回波信号并转换为
电信号；
[0008] 3)计算激光参考信号和回波信号时间间隔的步骤，通过外围数据
电路对参考信号和回波信号电信号进行放大、滤波和整形，输出到时刻
鉴别与时间间隔测量单元，时刻鉴别与时间间隔测量单元以参考信号作为计时开始时刻，以激光回波信号作为计时结束时刻，并据此计算出两信号的时间间隔；
[0009] 4)获取臂距值的步骤，系统控制和数据采集处理单元内的计数器在采集到步骤1)中光电编码器采集的上止点信号后，以该上止点信号作为系统控制和数据采集处理单元计数器的计数触发信号，对转速同步信号方波进行计数，每采集一个转速同步信号方波，计数器即产生溢出中断，开始执行中断任务，将步骤3)中所得时间间隔数值送入系统控制和数据采集处理单元，依据时间间隔与臂距值的关系公式，换算成臂距值。
[0010] 本发明所提供的基于光电编码器和激光测距传感器的船舶柴油机臂距值测量装置包括：
[0011] 激光测距传感器，包括激光脉冲发射单元和接收单元，激光脉冲信号发射单元，安装在待测量曲柄的标准位置，其功能是发射特定
波长的
光信号，一部分透过分束片，作为参考脉冲信号经过PIN管转换为电信号，送到外围数据电路进行滤波、放大和整形后，作为计时起点，启动时刻鉴别与时间间隔测量单元的计时器开始计时；另一部分由折射棱镜反射，射向目标；接收单元安装在曲柄上，且与发射单元同侧，其功能是接收激光脉冲发出的回波信号并将接收的光信号转化为转换成一定
电压值的直流电信号，经过外围数据电路调理后，作为时刻鉴别与时间间隔测量单元的计时器计时结束点；
[0012] 外围数据电路，与回波信号和参考脉冲信号相连接，用于对
输入信号进行实时放大，滤波和整形，输出给时刻鉴别与时间间隔测量单元，计算出参考脉冲与回波脉冲的时间间隔，送入系统控制与数据采集处理单元，将时间间隔换算为臂距值。
[0013] 光电编码器安装在发动机的曲轴自由端，用于实时采集发动机的转速同步信号和上止点信号并输出给系统控制与数据采集处理单元；
[0014] 其中，所述光电编码器在转动过程中同时对外输出有A、B、C三个通道信号，所述C通道信号为上止点信号，安装光电编码器时，应使C通道信号与待测缸的曲轴上止点位置一致。所述A通道或B通道信号可作为柴油机的转速同步信号。
[0015] 系统控制与数据采集处理单元以
单片机为核心组成，与光电编码器和时刻鉴别与时间间隔测量单元相连接，所述系统控制与数据采集处理单元内的计数器在采集到上止点信号后，以光电编码器的上止点信号作为计数器的计数触发信号，对转速同步信号方波进行计数，通过对计数器的初值预设，可实现每采集一个转速同步信号方波，计数器即产生一次溢出中断，并执行中断任务：以参考脉冲作为时刻鉴别与时间间隔测量单元中计时器的计时开始触发信号，以激光回波信号作为计时器计时结束信号，算出参考脉冲与回波脉冲的时间间隔，并将此数值送入系统控制与数据采集处理单元，依据公式
算法，换算成臂距值。同时，根据光电编码器输出C信号后对每转输出的A或B信号的数目计数，换算出所测臂距值对应的曲轴转角位置，并以二维数组形式对曲轴转角和臂距值进行保存。
[0016] 由以上本发明提供的测量方案可见，与现有的测量方法相比较，本发明基于激光测距传感器和光电编码器的船舶柴油机臂距值测量方法，其不但可以避免人工测量时的安全隐患，避免在测量过程中出现连杆撞表现象；而且还可以提高测量精度，减小测量误差。特别适于大缸径船舶柴油机臂距值的测量，有较大的应用前景和市场空间。
附图说明
[0017] 图1为基于光电编码器和激光测距传感器测量船舶柴油机臂距值的总体
流程图；
[0018] 图2为光电编码器的原理结构图；
[0019] 图3为光电编码器输出的通道A与通道B信号的
波形图；
[0020] 图4为激光脉冲测距原理图；
[0022] 图6为激光脉冲测距传感器安装位置和
采样数据点的位置。
[0023] 图7为图6的侧向示意图。
具体实施方式
[0024] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明进行说明。
[0025] 1、船舶柴油机型号SMIT Bolnes SB-L300，为二冲程直流扫气
增压船用柴油机，曲轴臂距值理论值为167mm。
[0026] 2、在本发明中，需要说明的是，在盘车过程中，发动机曲轴与上止点之间的夹角称为曲轴转角。对于发动机，活塞在气缸里作往复直线运动时，当活塞向上运动到最高位置，即活塞顶部距离曲轴旋转中心最远的极限位置，称为上止点。
[0027] 在本发明中，需要说明的是，所述光电编码器，是一种通过光电转换将
输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或
数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。所述光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成。在伺服系统中，由于光栅盘与发动机同轴，发动机旋转时，光栅盘与
电动机同速旋转.经过由发光
二极管等
电子元件组成的光电检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理结构如图2所示，因此，在本发明中，可以通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数来判断待测气缸的曲轴与上止点的夹角。
[0028] 所述光电编码器包括有A、B、C三个通道，图2中的旋
转轴每转动一圈，参见图3，通道A与通道B信号是互为反向的，通道A与通道B就会对应输出固定数量的脉冲信号，若输出360个，则表示
旋转轴的每度转角会输出一个方波脉冲。另外，图3中未画出通道C在旋转轴转动一圈时只会输出一个方波脉冲，而鉴于发动机旋转一周只有一个上止点，两者相对应，因此在本发明中，定义该C通道信号为上止点信号，A通道或B通道信号称为发动机的转速同步信号。
[0029] 需要说明的是，光电编码器安装于发动机曲轴上，发动机曲轴每转动一度，对应光电编码器也转动一度，并输出2个0-5V的脉冲方波信号，此信号为转速同步信号。
[0030] 所述光电编码器在转动过程中会同时对外输出A、B、C三个通道信号，每个光电编码器都有上述3个通道的对外输出引线，可以方便外部获得信号。在本发明中，是将所述光电编码器采集的转速同步信号和上止点信号接到单片机(即系统控制和数据采集处理单元)的
接口上，以利于单片机生成
控制信号和进行信号采集处理。
[0031] 需要说明的是，光电编码器除了用于发动机外，还可用于其他场合，如电动机转速测量等，能够用于发动机正是由于其A和C通道的信号特征与发动机的工作过程存在固定的对应关系，在发动机的一个工作循环中，曲轴会转动一圈，对应编码器也转动一圈。发动机一个工作循环只有1个上止点，在发动机曲轴上安装有光电编码器时，可以人为地将光电编码器的C通道信号与上止点对齐，这样发动机与编码器可实现同步且同
相位的转动，相当于将发动机曲轴的转动情况实时对外输出，便于掌握发动机的转动相位。
[0032] 在本发明中，具体实现上，所述系统控制和数据采集处理单元为单片机AT89C52。所述单片机内的计数器在采集到上止点信号后(即计数器的计数触发信号为光电编码器的上止点信号)，开始根据转速同步信号方波进行计数，在计数器溢出时，根据计数器溢出时光电编码器输出的转速同步信号方波的数目，计算获得从上止点开始的发动机气缸曲柄转角大小(即曲柄与上止点的夹角大小)。
[0033] 图4是激光脉冲测距传感器的工作原理图。参考图4，同时参考附图1可知，触发
激光器，安装在曲柄待测量位置，发出激光脉冲，一部分
能量透过分束片，作为参考脉冲直接送到外围数据电路的脉冲采集系统，作为计时起点，启动时刻鉴别与时间间隔测量单元内的计时器开始计时；另一部分由折射棱镜反射，射向目标。波束被目标表面反射，产生回波信号返回到接收单元，接收单元与外围数据电路相连，经过放大、滤波、整形后将回波信号转换为电信号，送入时刻鉴别与时间间隔测量单元结束计时，所得时间间隔信号输出给系统控制和数据采集处理处理单元，时间间隔△t与臂距值△L的关系公式为：
[0034] △L＝c*△t/2，其中c为光速
[0035] 系统控制和数据采集处理处理单元将臂距值和对应的曲轴转角以二维数组方式保存，以备后续臂距差计算分析。
[0036] 图5为本发明提供的一种基于曲轴位置传感器和测距传感器臂距值测量装置总成。
[0037] 激光测距传感器选择CP35MHT80，并使之固定在待测曲柄臂上。
[0038] 时刻鉴别与时间间隔测量单元选择集成芯片TDC-GP2，
[0039] 为满足臂距值测量精度，光电编码器的规格要求每转输出24个或以上的转速同步信号。实例选择欧姆龙光电编码器型号：E6C2-CWZ6C)，安装到柴油机曲轴自由端，每转输出360个转速同步信号方波。
[0040] 根据安装到曲轴自由端的光电编码器输出的柴油机的上止点信号和转速同步信号，采用激光测距传感器安装到待测曲柄臂上，对应光电编码器输出的每一个转速同步信号上升沿，发射单元发出具有特定波长的激光信号，一部分作为参考信号经PIN管转换为电信号，送到外围数据电路进行信号放大，滤波、整形，送入时刻鉴别与时间间隔测量单元，作为其内部计时器开始计时的触发信号，发射单元的另一部分
激光束经棱镜射向对侧曲柄臂并产生回波信号，接收单元接收回波信号，经APD管转换为电信号后，送入外围数据电路处理，作为时刻鉴别与时间间隔测量单元内部计时器的计时结束信号，计算出时间间隔，
模数转换后送入系统控制与数据采集处理单元，换算成臂距值，同时依据转速同步信号的方
波数换算为曲轴转角位置，最终将臂距值和转角位置组成二维数组保存。
[0041] 系统控制和数据采集处理单元，参见图5，核心是AT89C52单片机，通过AT89C52单片机的P2.3口采集光电编码器的上止点信号(Z信号)，利用此信号的上升沿产生溢出中断，进入中断程序；利用P2.4口采集光电编码器的转速同步信号(A信号)，每采集到一个转速同步信号，则单片机内置的
定时器1产生一次计数溢出中断，触发激光脉冲发射单元发出一次光信号。同时单片机采集一次时间间隔数值。
[0042] 图6和图7所示为激光脉冲触发器安装位置和采样数据点的位置。一般情况下，传感器安装在曲柄上，距曲柄销中心线(S+D)/2处，其中S为柴油机的行程，D为缸径。
[0043] 实施过程：参见附图1，将激光脉冲发射单元和接收单元固定到待测曲柄同侧后，接通盘车装置，柴油机以较低转速缓慢转动，当上止点位置到达时，光电编码器发出C信号即上止点信号，触发系统控制和数据采集处理单元即89C52单片机内的计数器，计数器开始对光电编码器的A信号即转速同步信号进行计数，A信号每出现一个方波，计数器即产生中断，开始输出驱动信号使得激光脉冲发射单元产生一次光信号，此光信号一路作为参考信号经PIN管转换为电信号后直接进入外围数据电路，进行滤波、放大，整形，驱动时刻鉴别与时间间隔测量单元内的计时器开始计时，发射单元的光信号另一路到达目标后产生回波信号，此信号经过APD管转换为电信号后，再经外围数据电路进行滤波、放大，整形，驱动时刻鉴别与时间间隔测量单元内的计时器结束计时，并计算出时间间隔，送入系统控制和数据采集处理单元，依据△L＝c*△t/2，其中c为光速，得到臂距值，同时结合对转速同步信号的方波技术，可得到每个臂距值对应的曲轴转角，系统控制和数据采集处理单元将以二维数组形式进行保存，必要时还可输出给上位的计算机保存。
[0044] 通过对已测取到的360个点的数据
整理，在柴油机未安装连杆的条件下，对柴油机臂距值的测量位置通常取四个点，即上止点位置，90°曲轴转角处，
下止点位置，270°曲轴转角处。对应四个点位的臂距值分别为167.515mm，166.325mm，166.177mm，167.431mm。
[0045] 由此可得上下止点处的臂距差值为167.215-166.177＝1.038mm，说明轴线出现塌腰变形但在规定范围内，属于正常。
[0046] 在已安装连杆的条件下，对柴油机臂距值的测量位置通常取五个点，即上止点位置，90°曲轴转角处，下止点前15°位置，下止点后15°位置，270°曲轴转角处，对应的臂距值分别为168.125mm，166.452mm，166.124mm，165.452mm，167.637mm。
[0047] 由于连杆的干扰，下止点处的臂距值取其前后15°的平均值即
[0048] (166.124+165.452)/2＝165.788mm
[0049] 由此可得上下止点处的臂距差值为168.125-165.788＝2.337mm，说明轴线出现塌腰变形，且由于连杆组的重量导致塌腰变形变大，但仍在规定范围内，属于正常。
[0050] 所开发的臂距值测量装置可以进行多圈盘车，进行臂距值测量采集，相较机械式仪表测量只能盘车一圈测量，所采数据存在随机误差，代表性差，本项发明可以进行多圈盘车测量，有利于多圈采集均值，消除测量误差，提高测量精度。
