船艇主动力装置的转速、扭矩测量对于把握其工作状态，进行优化控制具有重要意义，当前转速的测量技术已十分成熟，但现有的扭矩测量装置在可靠性、精度或价格方面存在的问题以及船艇恶劣的工作环境，使得扭矩的实时测量远未达到令人满意的程度。本文研究是舰艇非接触式转矩转速仪研制项目的一部分。通过对各种扭矩仪的特性比较，认为磁电相差式扭矩仪属于非接触式测量，不需要结构复杂、容易带来不可靠因素的信号引出装置，结构简单可靠，无需外加电源而有较强的输出信号，对工作环境要求不高，不易受到干扰，能在较宽的环境温度范围下正常工作，且精度高，转速范围大，较为符合船艇的实际工作环境，因而选择了磁电相差式扭矩仪作为研究方向。本文根据磁电相差式扭矩仪的原理和特点，分析其误差产生的主要原因，提出减小误差的措施，完成测量系统的总体方案设计和技术设计。 在本文中开展了以下工作： 1．分析了磁电相差式转矩转速仪误差产生原因并提出了减小误差的途径磁电相差式转矩转速仪的主要系统误差是静标定误差和转速特性误差，静标定误差由轴材料扭转刚度的非线性引起，一般船艇输出轴的材料线性程度较好，而且可以通过静态标定补偿。转速特性误差来源于两个方面，一是转速改变时，两路信号波形变化不一致，同一触发点在两路信号上对应的相位不同；二是磁场变化产生的涡流使感应电势发生相移，当转速变化时，两个传感器及其外电路特性不一致时产生的相移不同。 减小转速特性误差的主要途径有：对称波形的过零点不易随转速改变，因而在选择过零点为触发点；由于轴的振动，引起波形的不对称，采用分段平均使波形各段轴对称；在扭矩的计算上，将扭轴空载时的转速分为若干段，事先测出空载时在各个分段点转速上两个齿轮的初始偏差角，存储在计算机中，有负载时，根据当前的偏差角和相应转速的空载偏差角计算扭转角，补偿转速特性误差。 2．对波形进行了模拟计算，分析了影响信号大小的因素。 根据齿的几何形状，得出了渐开线齿轮和矩形齿轮的理论波形。渐开线齿轮的感应电势大小与模数和齿数成正比，矩形齿轮的理论波形为脉冲信号。在传感器和齿轮结构确定后，影响信号大小的主要因素是齿顶间隙和转速，信号的大小与齿顶间隙的平方成反比，减小齿顶间隙有利于增大信号电压，提高信噪比。 根据转速特性的分析，发现硬件参数的不一致是导致转速特性误差的根本原因，在系统总体设计时，尽量简化硬件部分，将主要工作放在软件中进行，减少不一致的系统测量的影响。 根据实际船艇的安装条件，设计了剖分结构和能适应多种轴径的齿轮。作者应用误差分析理论详细推导了齿轮分度误差和齿数对瞬时转速测量精度的影响，瞬时转速的细致程度与精度存在矛盾，要使两者都提高，只有提高齿轮的加工精度。A/D转换板的转换频率决定了扭矩的分辨率，根据实船的单位轴长扭转角得出，为保证较高的扭矩分辨率，转换频率不应低于1MHz。 软件主要包括模拟信号的采集转换、去除直流分量、相差角识别、计算转速和扭矩。试验发现信号中存在杂波干扰，需对信号进行滤波处理，由于扭矩是测量的两路信号的相位差，因而滤波器不应产生相位失真，根据滤波器的理论，需要采用FIR滤波器，但从实际的滤波效果来看，FIR滤波器在较高阶数时才可取得好的滤波效果，增大了计算工作量，对测量的实时性不利。对获得的信号进行频谱分析发现，信号的功率集中在基频上，其它频率成分的能量很小，因而使用IIR滤波器产生的相位失真也会很小，实际选择的是二阶巴特沃斯滤波器，滤后的波形光滑，可以满足相位识别对波形的要求。每个点需要五步乘法和四步加法，计算工作量约减少一半。由于干扰的频率比信号频率高得多，因而在不同转速下可采用相同的滤波器。通过分析滤波前后的自相关函数峰值出现的位置发现，滤波造成的相位失真可以忽略。 3．试验 以目前的实验室已有设备为基础，在一台6-135ZC柴油机上建立了试验台架。由于台架以水力测功器提供外负载，转矩较难恒定。但系统可准确地进行无负载试验，因此可利用此特点对系统转速特性误差进行量化分析处理，具体实施方法将初始相差角调整为0.5<0>～1<0>，即船艇的最大扭转角范围，测量空载时转轴在各转速下的初始偏差角并进行精度分析。系统加上负荷后，通过测量是否有『F比与负荷的扭转角出现来评定系统的可行性。 主要结论： 1．通过综合比较，磁电相差式转矩仪较适合于船艇环境下对转轴转矩的测量，尤其是推进轴系，由于两个信号激发齿轮可长距离安装，因此可获得较大的相差角，得到较高的测量精度。 2．从对磁电相差式转矩仪的转速特性误差分析可知，在系统设计中只要在两个磁电传感器的选取、齿轮的加工、以及在信号采集处理等环节充分注意影响信号相频特性的因素，采取措施得当，可较好地降低转速特性误差的影响，获得较高的测量精度。 3．在以水力测功器为负载的台架上，可通过初始相差角设定，经过空载测量的方法获得对系统测量精度的评定。 4．通过本文的工作及对设计系统的试验结果分析，证明本文所设计的系统较为合理可行，较好地解决了磁电相位差转矩仪转速特性误差大的问题，可以满足船艇转矩测量的要求，其精度可达到2％以上。