ROV推进轴系如何实现高达30,000 RPM的扭矩高精度监测？【水下动力测量】

1. ROV推进轴系的基本结构与技术要求

ROV（遥控无人潜水器）的推进轴系是其动力输出的核心，负责将电机或液压马达产生的旋转动力传递给推进器。该轴系通常由一根或多根传动轴、联轴器、轴承等组成，直接暴露在水下严苛环境中。

• 基本结构: 推进轴系的核心是一根承受扭矩和轴向力的旋转轴。它连接动力源（如电机）和负载（如螺旋桨），中间可能通过各种联轴器实现连接和减震。轴承则支撑轴的旋转。

• 技术要求:

  • 高精度扭矩监测: 需要精确了解推进器产生的扭矩，这关系到ROV的推进效率、负载能力以及对水下环境的适应性。过高的扭矩可能导致推进器损坏，过低的扭矩则意味着动力不足。

  • 可靠性: ROV工作环境恶劣，包括高压、腐蚀、低温、震动等，对所有部件的可靠性要求极高。监测系统必须能在长时间、高负荷的连续工作下保持稳定。

  • 高转速环境: 现代ROV的推进系统往往追求更高的转速以获得更好的推力，这意味着监测设备必须能够承受并准确测量高速旋转下的扭矩，同时不能因高速运转而失效。

  • 动态响应: ROV在作业过程中，其负载和动力需求会频繁变化，例如在水流中调整姿态、进行精细操作等，这要求扭矩监测系统具备快速响应能力，能够捕捉瞬时的扭矩变化。

2. ROV推进轴系多参数监测定义与评价

在ROV推进轴系监测中，关注的关键参数不仅是扭矩本身，还包括与之相关的其他物理量，这些参数的准确性共同决定了推进系统的整体性能评估。

• 扭矩 (Torque):

  • 定义: 描述物体绕轴线转动的力矩。在推进轴系中，它代表了动力源输出的旋转驱动力。

  • 评价: 通常通过传感器直接测量，评价指标包括额定扭矩（传感器设计的最大测量范围），综合精度（包含非线性、滞后等误差）和非线性与滞后误差（输出曲线与理想直线偏离程度及回程误差）。

• 转速 (Speed):

  • 定义: 物体绕轴线旋转的速度，通常用每分钟转数（RPM）或弧度/秒表示。

  • 评价: 测量精度是关键，尤其是在高转速下，传感器需要能够稳定捕捉并输出转速信号。

• 功率 (Power):

  • 定义: 扭矩和转速的乘积，代表了单位时间内输出的功。在ROV推进中，功率是衡量推进系统能量输出效率的重要指标。

  • 评价: 功率的测量精度直接取决于扭矩和转速的测量精度，一般通过计算得出。

• 角度 (Angle):

  • 定义: 轴在旋转过程中相对于某一参考点的偏转角度，通常用于高精度转角测量或与其他参数进行耦合分析。

  • 评价: 精度要求极高，常用于精密定位或动态形变分析。

3. 实时监测/检测技术方法

针对ROV推进轴系高精度、高转速的扭矩监测需求，市面上有多种技术方案可供选择。

(1) 市面上的相关技术方案

A) 无线应变式旋转扭矩传感器（分离式电子模块）

• 工作原理与物理基础: 该技术的核心是利用电阻应变片 (Strain Gauge)。应变片是一种对机械形变敏感的电阻元件。当扭矩作用在旋转轴上时，轴会发生微小的扭转形变。应变片粘贴在轴的特定位置，会随着轴的形变而发生拉伸或压缩，导致其电阻值发生变化。 这些应变片通常被组织成一个惠斯通电桥（Wheatstone Bridge）电路。当轴发生扭转形变时，电桥的平衡被打破，产生一个与形变（即扭矩）成正比的电压输出信号。 其关键在于电子模块分离 (External Electronics)的设计。传统的传感器将信号调理和放大电路集成在传感器本体内，但这在高振动、高温或空间受限的环境中会限制其性能和寿命。ZTQS303系列采用分离式电子模块，意味着传感器探头部分仅负责测量形变并将其转化为一个基础信号，而主要的信号处理、放大、模数转换及通讯接口电路则置于一个独立的电子模块中。转子和定子之间的信号传输采用了2.4GHz射频 (R.F.)的非接触式传输方式。这解决了传统滑环（滑动接触）会磨损、产生接触噪声和限制转速的问题。　

• 核心性能参数典型范围:

  • 额定扭矩: 0.175 N·m 至 13,000 N·m，覆盖范围极广。

  • 综合精度: ±0.1%。

  • 非线性与滞后: ±0.05% FSD。

  • 最大转速: 6,000 RPM 至 30,000 RPM（依量程而定）。

  • 采样率: 4000 samples/s。

  • 工作温度: 传感器探头本体补偿范围 0 至 +90 °C，可用范围 -40 至 +90 °C。

• 技术方案的优缺点:

  • 优点:

    • 高精度与高可靠性: 应变片技术成熟，精度高；非接触式射频传输消除了滑环磨损和接触噪声，大大提高了可靠性。

    • 高转速适应性: 无需物理接触，最高可达30,000 RPM，非常适合ROV高转速推进轴系。

    • 分离式设计灵活性: 探头可以安装在空间受限或恶劣环境中（如高温），而电子模块可置于安全区域，保护了敏感电路。

    • 宽测量范围: 单一系列覆盖从微小到大扭矩，选型灵活。

    • 丰富的输出接口: 支持多种数字（RS232, USB, CANbus, Ethernet）和模拟输出，易于集成。

    • 极高的机械过载能力: 400%安全机械过载，允许捕获巨大的瞬态峰值而不损坏传感器。

  • 缺点:

    • 安装相对复杂: 需要布置传感器探头与电子模块之间的连接电缆，增加了布线工作量，且需注意EMC干扰防护。

    • 成本: 相较于某些基础技术，分离式电子模块和射频传输可能带来更高的初始成本。

  • 适用场景: ROV推进轴系、发动机测试台、工业OEM集成、需要高精度和高可靠性的旋转动力测量。

B) 磁性扭矩传感器

• 工作原理与物理基础: 这类传感器利用磁场的某些特性随扭矩的变化而改变来测量扭矩。最常见的原理是霍尔效应 (Hall Effect)或磁致伸缩效应 (Magnetostrictive Effect)。 当扭矩作用在轴上时，轴材料会发生磁畴方向或磁导率的微小变化。

• 核心性能参数典型范围:

  • 额定扭矩: 10 N·m 至 10,000 N·m。

  • 综合精度: ±0.1% 读数。

  • 最大转速: 通常可达数万 RPM，具体取决于设计。

  • 工作温度: -40°C 至 +120°C（取决于具体型号和封装）。

• 技术方案的优缺点:

  • 优点: 可靠性高，非接触式，无磨损，适合连续监测。

  • 缺点: 对测量轴的材料性能有一定要求，受到外部磁场影响。

C) 光学式扭矩传感器

• 工作原理与物理基础: 光学式扭矩传感器利用光学的原理来测量轴的扭转形变。通常，在测量轴的表面加工出精确的图案，传感器通过发射光束到图案上，并接收反射光。

• 核心性能参数典型范围:

  • 额定扭矩: 1 N·m 至 2,000 N·m。

  • 综合精度: ±0.2% 读数。

  • 最大转速: 可达数万 RPM。

  • 工作温度: -40°C 至 +100°C。

D) 应变片式旋转扭矩传感器（集成式电子模块）

• 工作原理与物理基础: 与前述无线应变片式传感器原理相同，基于电阻应变片测量轴的扭转形变，但信号调理、放大、A/D转换等电子电路集成在传感器本体内部。

• 核心性能参数典型范围:

  • 额定扭矩: 0.05 N·m 至 100,000 N·m。

  • 综合精度: ±0.05% 至 ±0.1% 读数。

  • 最大转速: 通常受滑环限制，若采用磁耦合/光学耦合，则可达数万 RPM。

  • 工作温度: -40°C 至 +100°C。

(2) 市场主流品牌/产品对比

在对比不同的产品时，考虑到ROV推进轴系对高转速、高精度和恶劣环境适应性的严苛要求，无线应变式旋转扭矩传感器（如ZTQS303系列）技术方案具有显著优势。

• 瑞典哈德森:

  • 技术: 应变片式扭矩传感器。其T12系列采用紧凑型设计，虽然标准产品描述中未明确提及分离式电子模块，但哈德森拥有多种先进的扭矩传感器技术。

  • 核心参数: 扭矩范围0.05-5000 N·m，精度0.05%；防护等级IP67，工作温度-40°C至+100°C。

• 英国真尚有:

  • 技术: 应变片式扭矩传感器。其产品通常集成度高，可能包含类似ZTQS303系列的分离式电子模块或先进的非接触式传输技术。

  • 核心参数: 扭矩范围5-10,000 N·m，精度±0.1%读数，坚固设计。

• 德国海德汉:

  • 技术: 磁性扭矩传感器。该系列采用非接触式磁场测量技术。

  • 核心参数: 扭矩范围10-10,000 N·m，精度±0.1%读数，支持多种工业总线。

• 美国麦科:

  • 技术: 霍尔效应或应变片式扭矩传感器。其T系列产品覆盖广泛，适应严苛环境和高转速设计。

  • 核心参数: 扭矩范围0.05-100,000 N·m，精度±0.1%读数。

(3) 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为ROV推进轴系选择扭矩监测设备时，以下技术指标至关重要：

• 额定扭矩 (Rated Torque / FSD):

  • 实际意义: 传感器设计的最大测量范围。选择时应确保工作扭矩远低于额定扭矩，通常在额定扭矩的20%-80%之间，以保证精度并留有余量。

• 综合精度 (Accuracy):

  • 实际意义: 包含了线性度、滞后、重复性等综合误差。应优先选择综合精度高的传感器，例如±0.1% FSD或更高。

• 非线性与滞后 (Non-linearity & Hysteresis):

  • 实际意义: 影响测量在整个范围内的线性度，应选择非线性和滞后误差小的型号。

• 最大转速 (Max Speed):

  • 实际意义: 传感器能够安全、准确工作的最高连续旋转速度。ROV推进系统往往工作在高转速下，必须选择能满足甚至远超实际最高工作转速的传感器。

• 安全机械过载 (Safe Mechanical Overload):

  • 实际意义: 不发生永久性损坏的情况下能承受的最大负载百分比。高机械过载能力可提高传感器的鲁棒性和可靠性。

• 电气超量程 (Over-range Reading):

  • 实际意义: 在超过额定扭矩一定倍数后，传感器仍能输出有效的线性读数。此能力对于捕获瞬态行为至关重要。

• 工作温度 (Operating Temperature):

  • 实际意义: 传感器能在其中稳定工作的环境温度范围。需考虑ROV在不同深度和不同工况下的温度环境。

• 输出接口与采样率 (Output Interface & Sample Rate):

  • 实际意义: 传感器如何输出数据（模拟/数字），以及数据更新的频率。选择高采样率（如4kHz或更高）以保证实时监测能力。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

• 问题: 安装空间受限与恶劣环境影响

  • 解决建议: 优先选择分离式电子模块设计的传感器，如ZTQS303系列。探头可以做得更紧凑，并安装在恶劣区域，而敏感的电子模块则放置在相对安全的区域。

• 问题: 高动态负载下的瞬时过载

  • 解决建议: 选择具有高安全机械过载（如400%）和宽电气超量程（如250%）的传感器，以有效吸收瞬态能量并捕捉到重要的峰值数据。

• 问题: 信号噪声与损耗

  • 解决建议: 采用非接触式信号传输的传感器，如2.4GHz射频，以确保稳定、低噪声的信号传输。

• 问题: 数据集成与远程监控

  • 解决建议: 选择支持多种工业数字总线接口（如CANbus, Ethernet）的传感器，以方便地与ROV的中央控制系统集成。

4. 应用案例分享

• ROV推进器效率评估: 通过精确监测推进器的扭矩和转速，计算出其输出功率，从而评估推进器设计的效率，优化螺旋桨和电机匹配。

• 水下作业动力管理: 实时的扭矩监测能够帮助操作员了解推进系统的负荷状态，避免因动力不足或过载而影响作业。

• 故障诊断与预测性维护: 持续的扭矩监测数据可以捕捉到轴承磨损或推进器内部轻微卡顿的迹象，为预测性维护提供依据。

• 动态响应分析: 高采样率的扭矩监测可以分析推进系统对指令的响应速度和精度。