创客商业计划书-副本

武汉理工大学创客大赛商业计划书项目类型：产品技术类项目名称：船用轴功率仪研发设计团队名称：申请人：联系电话：电子邮箱：指导教师：_________2017年10月20日1、报名团队简介1.1申报人身份证、学生证复印件1.2企业及团队成员基本情况2、项目介绍2.1产品背景船舶动力系统是整个船舶的核心，动力系统出现故障将直接影响着船舶的运行状态。因此，对船舶动力系统的运行状态进行实时的监测是很有必要的。船舶动力系统的运行状态涉及到众多的物理量，其中最直接反应其运行状态的参数是船舶的轴功率。通过对船舶轴功率的在线监测，能够实时了解到主机的运行状态，为提前发现潜在的故障提供依据，从而避免因故障而造成的重大船舶运行事故。目前国内外船舶轴功率测量方法众多，均是通过间接测量轴的输出扭矩和轴的转速来得到，其中转速测量技术已经十分成熟。扭矩测量应用较广泛的是采用应变片式扭矩仪和相位差式扭矩传感器。应变片技术越来越成熟，具有应用范围广、测量精度高、性能稳定等特点，但应变片的安装及环境因素对精度影响比较明显，而且将它用在舰船等大型船舶上做长期监测，电池电量还未得到有效的解决。相位差式扭矩测量仪属于非接触式测量，具有结构简单、响应速度快、灵敏度高等特点，但不同类型的却也有各自的缺点，如钢弦测功仪不能测高速轴且精度低、磁弹式准确度底且易受外界电磁干扰等。由此可见扭矩测量技术有待进一步发展，以提高测量的精度。光电非接触式转动轴扭矩功率测量系统的设计，是针对船舶轴系系统转动的状态监测和故障诊断的需要而产生的。通过测量轴系发生扭转的程度大小，可以计算出轴系上的扭矩大小和轴系传递的功率的大小。采用光电技术来测量被测转动轴的扭转角度，根据该扭转角度能够由计算机计算被测转动轴的扭矩和功率。在实验室环境条件下能够较方便准确地测量动力装置的轴功率(或输出扭矩)，而在船上现场测量轴功率并不容易，同时也很难对其进行精确测定。但是，在某些情况下，精确测量轴功率是监测机组工况及故障诊断必不可少的工作。近年来，扭矩仪为了满足测量发动机功率输出的需要已开发出来，进行监测的方法多样，各种检测仪器性能各异，结构形式繁多，它们在各种不同的场合及环境下各有一定的使用价值。但使用时都要做大量的准备工作，如：轴及传感器的反复安装、信号的传输等需要多次停机并反复进行信号修正等问题，因此提高轴功率测量的准确度、数据的可靠性尤为重要。提高轴功率测量的准确性是减少事故发生、保证主机正常运行的重要手段；提高轴功率测量的精度才能对船舶动力装置进行准确有效的在线监测。因此，对轴功率测量方法进行研究具有重要的现实意义和工程应用价值。所以，本课题从实际出发，研发一套基于相位差原理的光电非接触式轴功率测量系统，以提高轴功率测试的精度，从而发挥更好的功效。同时，本项目产品其成本较之前测量轴功率的仪器更低，并且可以达到更好的测量效果，其易拆装的特性也能适应各种船只的需求，达到更好的经济效应。2.2产品介绍产品原理性介绍：仪器测量功率的方法主要是去测量轴的扭矩和转速，功率与扭矩、转速之间存在已知的比例关系，通过测量轴系的输出扭矩和转速就能间接地获得功率的值。其中，传动轴转速的测量技术已经发展的相当完善了，而扭矩测量技术还存在一定的问题，需要进一步的研究与发展。传动轴的转速是很容易测量的，常采用的方法有：测频法和测周法等等。而传动轴上的输出扭矩测量方法主要是两种：吸收法和传递法。其中吸收法主要应用在实验室中测量扭矩，它让测功机给传动轴一个制动力矩，此时制动力矩与动力装置的输出扭矩大小相等，通过测量制动力矩就可以获得输出扭矩的值，常用到的是水力或者电力测功机。而传递法是通过间接测量传动轴上两个相对横截面上的相对扭转角，以此来计算扭矩值。实船上由于测量条件的限制，在扭矩测量中应用的是传递法，根据使用的测量方法和测量参数不同可分为应变式、相位差式和其他类别的轴功率测量方法。随着科技的发展，更多的新技术涌现不断，但扭矩传感器所依据的基本原理仍未有改变，应用最为广泛的传感器分为应变式和相位式。目前扭矩测量包括应变式、红外激光式、磁弹性式、电容式、磁电式、光电式、激光多普勒式、光纤光栅式等，这些扭矩测量仪原理为相位差式或者应变片式。通过对国内外研究现状的分析，目前的轴功率测量系统还存在诸多问题。在相位差式轴功率测量系统中：首先，相位差测量系统的设计缺乏对环境影响因素的考虑，通过对国内外有关的学术刊物、电子技术网站和国际国内有关学术会议的论文集进行分析，相位差测量系统的构建前提是在理想环境状态下设计的，缺乏现实性，而实际上，温度、环境等因素会引起相位差测量系统中的器件的稳定性，噪声的干扰使测量精度达不到预期要求的，而且噪声的出现不仅仅是环境因素，还有系统中芯片自己的噪声和芯片之间的噪声，噪声是在设计前期就应该考虑的问题，分析噪声产生的原因，解决噪声干扰的问题，都是设计中值得考虑的问题;其次，将需要测量的信号a及其参考信号b分别送入高速数据采集系统进行数据的采集与处理，由于是高速数据采集，单片机相对A/D采样来说远远不够，另外由于传输信号抖动，动态范围大，同时也需要高速采压，所以对高速A/D采样芯片的选择也是重要的因素之一;最后，测量的相位差精度不够，传统的相位差测量系统需要采用多片中小规模集成电路，不仅电路复杂，适用的频率范围窄。而且，测量相位差的精度不高，在实际应用中存在着不足之处。虽然当前相位差测量系统电路简单化，能同时测量从低频到2.7GHz频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差，但由于系统设计存在对其他因素考虑的欠缺，测量精度仍未有所提高。因此，如何提高相位差测量精度，是对相位差测量系统设计需要完善和发展的主要问题。光电非接触式转动轴扭矩测量装置是由编码轮、光电开关、微处理系统（包括单片机，FPGA芯片）、输入输出等部分组成。本系统装置是基于相位差式轴功率测量仪,该系统主要采用光电开关传感器。本系统由光电开关、光电码盘、控制器、计算机以及相关电路组成，编码轮固定安装在转动轴上，光电开关的槽口正对着编码轮，并且固定在编码轮的边缘，当编码轮随着被测轴转动时，光电开关的光电检测器与发光二极管之间的光路被周期的打开或关闭，光电开关输出同周期的开闭相间的脉冲。控制器首先将光电开关传输的电信号经过处理后，传输到现场可编程门阵列芯片，将信号进行与、异或逻辑运算，消除或减少时间漂移或温度漂移产生的误差，得到真实的相位差信号，并将此相位差信号存储在数据单元中，接着传输到单片机当中，结合测定的速度值，计算出转动轴的扭矩和轴功率。计算机将控制器中的数值显示出来，并且在计算机中可以对数值进行数理统计、数据分析，以图表的形式显示出来。其结构如下：图2.1光电非接触式转动轴扭矩功率测量装置的结构示意图图中：1.被测转动轴；2.第一光电码盘；3.第一通光孔；4.第二光电码盘；5.第二通光孔；6.第一光电开关；7.第二光电开关；8.轴承；9.第一导线；10.第二导线；11.控制器；12.计算机；13.显示器；14.LCD显示屏；15.挡光板；16.第三光电码盘；17.第四光电码盘；18.第五光电码盘；19.第六光电码盘。本项目总体介绍：主要针对轴功率测量仪器机械加工、安装、数据采集、软件数据处理与分析的需求，确定扭矩轴功率测量系统的总体方案。机械部分主要包括：（1）光电编码盘（2）传感器光电开关的安装支架（3）仪器的外观及整体硬件设计主要包括：（1）光电式传感器传感元件（2）单片机（3）FPGA（4）信号处理电路部分a.比较迟滞电路b.控制器外围电路c.现场可编程门阵列（FPGA）的外围电路d.单片机的外围电路软件开发主要包括：（1）将电信号进行逻辑运算，然后存储在芯片的存储空间里。单片机串口通信程序流程设计、单片机部分程序、上位机串行通信程序设计、上位机（PC）的串口通信程序的设计。（2）选用ATmega128支持C语言开发，可以在WINAVR环境下编程、编译在AVRStudio环境下下载与调试。（3）基于VisualC++的软件界面设计（4）扭矩、转速、功率等数据的存储及打印（5）扭矩、转速、功率等的数据处理与分析流程图如下：图2.2项目具体介绍：光电式传感器的选用传感器的定义仁者见仁智者见智，但有共识的是：传感器是将感受到的外界信息，按照一定的规律转换成所需的有用信息的装置，这些外界信息可以是物理量、化学量和生物量，根据外界信息种类的不同，可以将传感器分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器。传感器的分类还有很多种方式，在此就不讨论了。传感器作为一种应用范围非常广，基本上渗透到各个行业，正因为此，传感器的发展也极其迅速。光电式传感器是传感器大家族中的一员，因其反应速度快，灵敏度高，分辨率高，可靠性和稳定性好，可实现非接触的检测，并且自身体积小，携带方便，易于安装，易集成等优点被广泛应用于各行各业。基本上光电传感器可以分为模拟式传感器和脉冲式传感器两大类。模拟式光电传感器通过光通量的大小来确定光电流的值，光通量由被测非电量来决定，这样光电流的值跟被测非电量之间就可以建立一个函数关系，即可利用这个函数关系来测定被测非电量的变化的，此类传感器主要用于测量位移、表面粗超度以及振动参数等。脉冲式光电传感器中光电器件仅仅输出两个稳定状态——“通”与“断”。当光电器件受光照时，有电信号输出，无光照射时就没光信号输出，这一类光电传感器通常用于继电器和脉冲发射器，如测量线位移、角位移、角速度的光电脉冲传感器等。在本系统中应用的是脉冲发生器一类的光电传感器——光电开关。光电开关伴随着光电测量技术的要求而发展，对其研究也一直没有停步，现阶段，对光电开关的研究集中在两块，其一：原理性研究；其二：应用性研究。光电开关的原理光电开关是光电式传感器的一种。光电式传感器主要由发射器、接收器和检测电路三部分构成。其基本原理是光电效应，即光生电。在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电效应可分为内光电效应，外光电效应和光生伏特效应，内光电效应是光作用使光电器件的电阻率发生变化，如光敏电阻；光生伏特效应是指光作用使物体产生一定方向的电动势。如光敏二极管和三极管，光电池；外光电效应发生在物体表面，被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。光电传感器的发送器用于发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管，根据不同的要求选择发射光源。本文对发射器的主要要求是：可以提供稳定的光能量、光效率要高、发散角小、发热量要小[20]。至于接收器，因为发射器的光源是红外光，显然在红外波段的灵敏度尽量高，接收器本身的干扰要小，并且对环境的敏感性要尽可能低。鉴于这些因素，接收器一般选择由光敏二极管或光敏三极管，光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能，在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等，在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号。这样当红外发光二极管发出恒定光源，被编码盘调制后，周期性的光线照射到光敏三极管，光敏三极管将光信号转换成电信号，并将电信号放大。又因为编码盘有遮光和通光孔之分，所以接收器接收的电信号就是一系列高、低电平的脉冲。光电开关的选型在本系统中，要求光电传感器灵敏度高，响应速度快，安装简单，携带方便，并且维护起来简单，并且结合图2.1中的传感器具体选择流程图，在众多种类的传感器中选择光电开关。光电开关的分类有：1.对射式光电开关；2.镜面反射式光电开关；3.槽式光电开关；4.漫反射式光电开关；5.光纤式光电开关。对射型光电开关辨明不透明的反光物体，有效距离大，不易受干扰，但装置的消耗高；漫反射型光电开关有效距离由被测物体的发射能力以及表面性质和颜色决定，装置消耗较小，但对被测物上的灰尘敏感；镜面反射式光电开关因为借助反射镜，有较高的有效距离范围，不易受干扰，可以可靠的使用在灰尘多的环境或者野外；槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，能较好的分辨透明与半透明物体；光纤式光电开关适于强电磁场，高温环境，但在使用过程中要