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原文传递一种船舶螺旋桨轴线推力的测量方法及装置

专利名称：	一种船舶螺旋桨轴线推力的测量方法及装置
摘要：	本发明公开了一种船舶螺旋桨轴线推力测量方法。获取两个应变片读数ε1,ε2和两个激光传感器读数d1,d2；根据应变片读数ε1,ε2建立螺旋桨推力FT第一关系式；根据激光传感器读数d1,d2建立螺旋桨推力FT第二关系式；分别对第一关系式和第二关系式求导，并按时间步离散；将离散后关系式转换为卡尔曼滤波状态转移方程，并构建卡尔曼滤波观测方程；基于状态转移方程和观测方程进行卡尔曼滤波，得到降噪后的螺旋桨轴线推力值。本发明既利用应变片测量轴系在推力下的应变，又利用激光位移传感器测量转轴变形位移，通过卡尔曼滤波对测量的应变与位移数据融合处理，可有效滤除测量噪声与环境温度引起的热变形干扰，提高数据处理精度，使得可在线、实时测量船舶螺旋桨推力。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	上海;31
申请人：	上海交通大学
发明人：	邹冬林;马相龙;吴昊;饶柱石;薛林;塔娜
专利状态：	有效
申请日期：	2022-11-08T00:00:00+0800
发布日期：	2023-01-03T00:00:00+0800
申请号：	CN202211390362.7
公开号：	CN115560898A
代理机构：	上海汉声知识产权代理有限公司
代理人：	胡晶
分类号：	G01L5/00;G06F17/16;G;G01;G06;G01L;G06F;G01L5;G06F17;G01L5/00;G06F17/16
申请人地址：	200240 上海市闵行区东川路800号
主权项：	1.一种船舶螺旋桨轴线推力的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：获取两个应变片的读数ε1，ε2，和两个激光传感器的读数d1，d2；根据应变片的读数ε1，ε2建立与螺旋桨轴线推力FT的第一关系式；根据激光传感器的读数d1，d2建立与螺旋桨轴线推力FT的第二关系式；分别对所述第一关系式和所述第二关系式求导，并按时间步离散得到离散关系式；将所述离散关系式转换为卡尔曼滤波的状态转移方程，并构建卡尔曼滤波的观测方程，基于所述状态转移方程和所述观测方程进行卡尔曼滤波，从而得到降噪后船舶螺旋桨轴线的推力值。 2.根据权利要求1所述的船舶螺旋桨轴线推力的测量方法，其特征在于，两个应变片的读数ε1，ε2满足以下公式 ε1＝εF-εM+α·(T-T0) ε2＝εF+εM+α·(T-T0) 其中，ε1，ε2分别为贴附于船舶螺旋桨轴线的两片应变片R1，R2产生的应变，且所述应变片R1和所述应变片R2对向安装于船舶螺旋桨轴线上，εF为纯推力产生的应变，εM为纯弯矩产生的应变，α为轴系热膨胀系数，T0为环境初始温度，T为测量时的环境温度；两个激光传感器的读数d1，d2满足以下公式 d1＝dF-dM+α·(L2-L1)·(T-T0) d2＝dF+dM+α·(L2-L1)·(T-T0) 其中，L2-L1为激光传感器到相对应感知反光块的距离。 3.根据权利要求2所述的船舶螺旋桨轴线推力的测量方法，其特征在于，所述根据应变片的读数ε1，ε2建立与螺旋桨轴线推力FT的第一关系式具体为基于应变片的读数ε1，ε2得到应变仪器读数ε仪，计算公式为： ε仪＝ε1+ε2＝2εF+2α·(T-T0) 螺旋桨轴线推力FT与应变仪器读数ε仪满足以下公式其中，E为应变片所在测点处轴段的弹性模量，A为应变片所在测点处轴段截面积与安装应变片的安装组件截面积之和。 4.根据权利要求2所述的船舶螺旋桨轴线推力的测量方法，其特征在于，所述根据激光传感器的读数d1，d2建立与螺旋桨轴线推力FT的第二关系式具体为：基于两个激光传感器的读数d1，d2得到平均位移计算公式为螺旋桨轴线推力FT与平均位移满足以下公式其中，L2为应变片两侧的安装组件的间距。 5.根据权利要求3和4所述的船舶螺旋桨轴线推力的测量方法，其特征在于，所述分别对所述第一关系式和所述第二关系式求导，并按时间步离散得到离散关系式，所述离散关系式为：其中，ε仪(k+1)为第k+1个时间步下的应变仪器读数，ε仪(k)为第k个时间步下的应变仪器读数，ΔFT(k)为第k个时间步下推力变化值，ΔT(k)为第k个时间步下环境温度变化值。 6.根据权利要求5所述的船舶螺旋桨轴线推力的测量方法，其特征在于，所述将所述离散关系式转换为卡尔曼滤波的状态转移方程具体为：令则所述状态转移方程表示为如下： Xk+1＝ΦXk+wk 其中，wk为模型噪声，Φ为状态转移矩阵；所述观测方程表示为： yk＝H·Xk+vk 其中，yk为测量的应变与测量的温度变化，H为观测矩阵，vk为测量噪声。 7.根据权利要求6所述的船舶螺旋桨轴线推力的测量方法，其特征在于，所述基于所述状态转移方程和所述观测方程进行数据融合并完成卡尔曼滤波，具体为：在第k个时间步下，完成状态一步预测，其计算公式为： Pk\|k-1＝Φ·Pk-1\|k-1·ΦT+Q 其中，为X在第k个时间步的先验估计，为X在第k-1个时间步的后验估计，Pk\|k-1为的估计误差协方差矩阵，Pk-1\|k-1为的估计误差协方差矩阵，Q为模型噪声wk的协方差矩阵；在第k个时间步下，利用先验估计完成状态估计，其计算公式为： Kk＝Pk\|k-1·HT·(H·Pk\|k-1·HT+R)-1 Pk\|k＝(1-Kk·H)·Pk\|k-1 其中，Kk为卡尔曼滤波增益，zk为测量信号与先验估计间的偏差序列，R为测量噪声vk的协方差矩阵；将时间递推至第k+1个时间步，重复上述步骤。 8.一种船舶螺旋桨轴线推力的测量装置，应用如权利要求1至7任意一项所述的船舶螺旋桨轴线推力的测量方法，其特征在于，包括安装组件，呈环状套设于船舶螺旋桨轴线上；应变片，设有至少两片所述应变片，相邻的所述应变片之间呈相同角度间隔地固定于所述安装组件上，激光位移传感器和感知反光块，设有至少两个所述激光位移传感器和两个所述感知反光块，所述激光位移传感器与相对应的所述感知反光块的连线与船舶螺旋桨轴线方向相互平行，相邻的所述激光位移传感器之间呈相同角度间隔地固定于所述安装组件上，相邻的所述感知反光块之间呈相同角度间隔地固定于所述安装组件上。 9.根据权利要求8所述的船舶螺旋桨轴线推力的测量装置，其特征在于，所述安装组件包括两个安装件，两个所述安装件之间螺栓连接，固定在船舶螺旋桨轴上，与船舶螺旋桨轴抱死；所述安装件包括第一弧形件、第二弧形件和第一横梁和第二横梁；所述第一弧形件和所述第二弧形件位于所述安装件的两侧，且开口朝向相同设置；所述第一横梁的两端分别与所述第一弧形件和所述第二弧形件的侧面中点固定连接；所述第二横梁的一端与所述第一弧形件的侧面固定连接，所述第二横梁的另一端未与所述第二弧形件的侧面固定连接，所述第二横梁与所述第一横梁相互平行设置且未相连。 10.根据权利要求9所述的船舶螺旋桨轴线推力的测量装置，其特征在于，所述应变片固定于所述第一横梁的中部，且位于外侧；所述激光位移传感器固定于所述第二横梁靠近所述第二弧形件的一端，且位于外侧；所述感知反光块固定于所述第二弧形件上，且位于所述第二弧形件的外弧形面。