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CN113994183A - 驱动轴监测系统 - Google Patents

驱动轴监测系统 Download PDF

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CN113994183A
CN113994183A CN202080044154.4A CN202080044154A CN113994183A CN 113994183 A CN113994183 A CN 113994183A CN 202080044154 A CN202080044154 A CN 202080044154A CN 113994183 A CN113994183 A CN 113994183A
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CN
China
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drive shaft
monitoring system
light sensor
sensor assembly
disc
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CN202080044154.4A
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English (en)
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M·法格利 S·B·汉森
S·B·汉森
M·法格利
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Kangshibo Navigation Co
Original Assignee
Kangshibo Navigation Co
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Abstract

本发明涉及驱动轴监测系统(20)，其包括第一和第二编码盘(21a‑b)，其中第一编码盘(21a)和第二编码盘(21b)设置有多个沿其圆周方向均匀分布的槽或凹部(22)，其中驱动轴监测系统(20)包括至少两个独立的光传感器组件(30a‑c)，其与第一编码盘(21a)和第二编码盘(21b)的槽或凹部(22)相关地布置。

Description

驱动轴监测系统
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的驱动轴监测系统。
本发明尤其涉及用于旋转驱动轴的监测系统。
背景技术
本发明最接近的现有技术可见于WO96/10167。在WO96/10167中描述了用于测量旋转轴的扭矩以计算轴功率的设备。该解决方案基于由处理单元中的单个通道发送和接收的单个光信号。光信号从光源经由环形光纤发送，穿过固定在第一编码轮附近的光学U形元件的气隙，并进一步经由光纤并穿过固定在第二编码轮附近的光学U形元件的气隙，然后被接收器接收并转发到处理单元。通过使用小齿和大开口并相对于彼此定位编码轮而使得一个编码轮的齿在另一个编码轮的开口中，光信号可以被两个编码轮的齿独立地中断。即所有边缘及其相对位置(随扭曲而变化)对系统都是可见的。两个盘/齿轮上的叶片/齿之间的时移是轴扭矩的量度，可以在计算机中计算轴功率。
提到的解决方案有几个缺点。首先，每个编码轮只使用一个传感器，那么如果传感器基础相对于轴移动(这将是船舶的典型情况)，则精度会很差。
其次，大开口导致齿数少和分辨率差，进一步导致无法进行扭转分析。
第三，该解决方案具有严格的安装要求，尤其是编码轮的相对位置，不允许重叠。这导致由于只有很小的接受窗口，很难获得正确的安装。
第四，该解决方案的缺点是编码轮之间的距离受到编码轮开口尺寸(相对于扭曲)的限制，导致实现精度的限制。
第五，该解决方案的精度较差(尽管另有说法)并且缺少扭转振动使得无法提供驱动轴监测。
此外，光束和光纤的使用在服务和安装方面都具有挑战性，因为这需要光纤领域的特殊设备和能力。
从EP0635120B1已知一种用于监测振动的光学系统，特别适用于旋转动力系统中的动力轴。该系统包括光学单元，该光学单元包括针对围绕轴圆周施加的网格线的IRLED辐射源。辐射的反射通过透镜和匹配的Ronchi网格成像到光电二极管上，光电二极管产生周期波信号，从中可以得出旋转不规则的指示。在一个实施例中，重复的辐射源和成像设备跨轴以直径相对的方式布置，以允许对俯仰和插入轴振动进行补偿。在另一个优选实施例中，第二复制光学单元沿轴与第一单元相距一段距离。两个单元的输出信号穿过比较器和EX-NOR门，然后经过低通滤波以产生表示扭转偏转的信号。求积技术可用于提供轴方向信息。
该解决方案的缺点之一是需要光刻工艺来在轴上布置网格线。这需要精确度，并且需要经过专门培训的人员才能执行此操作。
此外，在轴上使用这样的网格线来提供编码图案会受到暴露于污垢和灰尘的影响，这会显著降低系统的准确性并可能导致正确测量的失效。
如果损坏，该解决方案还不容易修理或更换，因为这需要受过专门培训的人员。例如对于海上船舶、航行，此类专业人员通常不是船员的一部分。这将使系统停止运行，直到海船再次到达港口。
这种解决方案的另一个缺点是它不能在拉动轴时拆卸和重新安装。对于船舶，通常需要拆除中间轴/驱动轴，以便可以拉出螺旋桨轴以检查轴承和密封。在此操作过程中，所有保护盖都被拆除，这可能会导致轴在抬起或拉动时损坏，从而损坏编码图案，非专业人员无法修复。
目视检查和/或系统故障排除很困难，因为这需要特殊设备和专业人员。
EP0635120B1解决方案的一个严重缺点是分辨率在高RPM和大直径下会降低，这对于将解决方案应用于具有高RPM和大直径轴的系统具有很大的限制。
该解决方案还没有被布置成考虑由于传感器被布置到的结构的运动(这对于海上船舶来说是常见的)而引起的传感器的运动以及对这种运动的补偿。
在EP3343192A1中描述了一种用于测量具有轴的旋转系统上的扭矩的光学扭矩传感器。光学扭矩传感器包括布置在轴的输入部分和输出部分的两个楔形棱镜。此外，光源被布置成通过楔形棱镜向光学位置传感器发射光束，该光学位置传感器被布置成接收光束并且被配置成提供指示入射光斑在光学位置传感器中的位置的位置信号。光学扭矩传感器还具有控制电路，该控制电路被配置为接收位置信号并基于该位置信号确定施加到输入部分的扭矩值。EP3343192A1的解决方案也具有针对EP0635120B1和WO96/10167提到的大多数缺点，因此没有提供对提到的缺点的解决方案。
所提到的现有技术解决方案的另一个缺点是它们不提供准确的曲轴监测。由于现有技术系统不能提供准确的曲轴监测，因此它们不能进一步为马达/发动机的控制单元提供信号。该解决方案还缺少可以通知轴已旋转一圈的触发器，而如果用于测量马达/发动机，这是一个严格的要求。
由于来自一个光学测量单元的测量信号不能被分离和使用，因此现有技术的解决方案不能与增量编码器一起用于监测马达/发动机。现有技术解决方案还缺少曲柄之间的角度跟踪，因为它们缺少可以通知起点的触发器(缺齿触发器)。
提到的现有技术解决方案的另一个缺点是它们不提供离合器打滑检测。
所提到的现有技术解决方案的另一个缺点是它们没有被布置用于测量轴的轴向位移和推力。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种驱动轴监测系统，部分或完全解决现有技术系统的上述不足和缺陷。
本发明的另一个目的是提供一种驱动轴监测系统，与现有技术解决方案相比能够提高测量精度。
本发明的一个目的是提供一种驱动轴监测系统，其提供扭转角、扭矩和轴功率的测量。
本发明的一个目的是提供一种驱动轴监测系统，其提供轴偏转和偏心测量。
本发明的一个目的是提供一种驱动轴监测系统，其提供轴振动和扭转振荡的检测。
本发明的一个目的是提供一种驱动轴监测系统，其提供离合器打滑检测。
本发明的一个目的是提供一种驱动轴监测系统，其提供由连接到驱动轴的装置(例如船舶的螺旋桨)引起的轴向位移和推力的测量。
本发明的另一个目的是提供一种驱动轴监测系统，当与固定到发动机/马达自由端部的轴向安装的增量曲柄角编码器结合使用时，还可以测量发动机的曲轴上的扭曲和扭转振动。
本发明的其它目的将从下面的描述、权利要求和附图中变得明显。
本发明
在权利要求1中公开了根据本发明的驱动轴监测系统。在从属权利要求中公开了驱动轴监测系统的优选特征。
本发明涉及一种驱动轴监测系统，其包括布置在驱动轴的外表面或驱动轴的部段上的第一和第二编码盘。第一编码盘布置在驱动轴或驱动轴部段的第一位置处，第二编码盘布置在驱动轴或驱动轴部段的第二位置处，其中第二位置在驱动轴或驱动轴部段的纵向方向上与第一编码盘相距预定距离。
第一编码盘和第二编码盘设置有沿其圆周方向均匀分布的多个槽或凹部，使光能够穿过编码盘，并且使光能够在形成齿的槽或凹部之间的区域中被编码盘阻挡。
驱动轴监测系统针对第一和第二编码盘中的每一个包括与所提及的槽或凹部相关地布置的至少两个独立的光传感器组件。
根据根据本发明的驱动轴监测系统的另一实施例，第一光传感器组件布置在相应编码盘的第一圆周位置处并且第二光传感器组件布置在相应编码盘的第二圆周位置处，其中第二圆周位置在相应编码盘的圆周方向上与第一光传感器组件相距预定距离，使得第一和第二光传感器组件围绕相应编码盘沿侧向相反地布置并因此在通过相应编码盘中心的横向轴线上对准，即跨越驱动轴沿直径方向相对地布置。
根据根据本发明的驱动轴监测系统的实施例，光传感器组件包括在相应编码盘的一侧处的光源和布置在相应编码盘的另一侧处的光电传感器，光源在垂直平面中将光束发射到所述多个槽或凹部，光电传感器用于接收通过所述多个槽或凹部的调制光。
根据驱动轴监测系统的另一实施例，其包括至少一个高分辨率增量编码器，该编码器与相应的编码盘相关地布置以用于校准目的。在相应编码盘的校准过程中，高分辨率增量编码器将提供脉冲序列来代替由处理单元的内部时钟产生的时间触发脉冲，以用于计算校准过程中槽/凹部偏移t和确定扭曲(扭矩)零点。扭曲零点由两个编码盘在零扭矩时的相对位置给出。因此，当驱动轴缓慢旋转时，高分辨率增量编码器可提供高分辨率脉冲序列。在慢速旋转时，速度变化会大到使得不能通过齿窗(An-An+1)假设速度是恒定的，因此不能使用处理单元的时钟计数器作为参考，需要使用高分辨率增量编码器。当驱动轴以操作转速旋转时，可以假设通过齿窗(An-An+1)的速度是恒定的，因此在校准过程完成后不需要高分辨率增量编码器。
以这种方式，可以在处理单元中建立包含相对位置信息的表，该表将用于进一步处理和监测。
在校准过程中，检测所述多个槽或凹部的上升和下降脉冲边缘，并且其中将结果组合成分式。通过允许该分式代表所提到的编码盘的尽可能小的部分，可以假设角速度是恒定的。
第一光传感器组件将检测与所讨论的槽或凹部相关的脉冲An和下一个槽或凹部相关的脉冲An+1，其中An+1-An＝1，其中第二光传感器组件将检测相同个槽或凹部的脉冲Bn和下一个槽或凹部的脉冲Bn+1，其中对于第一编码盘Bn+1-Bn＝1，如图1中上部时间序列所示，其中P+为上升脉冲边缘，P-是下降脉冲边缘。
类似地，第一光传感器组件将检测与所讨论的槽或凹部相关的脉冲Cn和下一个槽或凹部相关的脉冲Cn+1，其中Cn+1-Cn＝1，其中第二光传感器组件将检测相同槽或凹部的脉冲Dn和下一个槽或凹部的脉冲Dn+1，其中对于第二编码盘Dn+1-Dn＝1。
通过对第一和第二编码盘中的每一个的第一和第二光传感器组件的测量值进行组合和平均，将获得用于上升脉冲边缘的相应槽或凹部n的以下校准分式：
Figure BDA0003413968340000061
为相应的槽或凹部n的下降脉冲边缘记录相似的分式F校准下降脉冲边缘。相应地，所有多个槽或凹部都被登记在映射表中作为上升和下降脉冲边缘的相对分式，与增量编码器的脉冲相关，所有其它光传感器组件事件都与之进行比较。
因此，提到的相对分式随着过程值的变化而变化。以这种方式，驱动轴监测系统提供了独立于时间因素的测量系统。
根据本发明的驱动轴监测系统的另一实施例，其包括定位在第一和第二光传感器组件之间的第三光传感器组件，第三光传感器组件在相应编码盘的圆周方向上与第一和第二光传感器组件相距的距离相同。
根据根据本发明的驱动轴监测系统的另一实施例，第三光传感器组件被布置为以偏离垂直的角度(例如30-45度)观察编码盘的槽或凹部。
驱动轴将具有由例如螺旋桨对船体引起的推力而导致的纵向运动。这种力通常会使推力轴承和驱动轴压缩或拉伸。与扭曲相比，这是相对较小的运动。纵向运动可以通过与编码盘的槽或凹部成角度地布置的第三光传感器组件来检测。根据本发明，来自该光传感器组件的脉冲与不应观察到相同运动的90°角的光传感器组件相比。偏差可能由压缩或拉伸引起，但需要非常准确的检测。通过本发明，可以在某个时间跨度内实现对此的相对正确的指示。
优选地，为此的处理单元提供有可调节的参数，以便根据扭矩和螺旋桨直径将这种检测校准到已知或估计的推力。
根据本发明的驱动轴监测系统的另一实施例，光传感器组件布置在安装支架组件中，该安装支架组件由大致U形传感器保持器本体构成，其中光源布置在U形传感器保持器本体的一侧处，而光电传感器布置在U形传感器保持器本体的另一侧处，对应地沿侧向相反并在大致U形传感器保持器本体的横向方向上与公共测量轴线对准。U形传感器保持器本体适合于接纳编码盘的外部部分以在它们之间具有间隙并且将光源和光电传感器定位为对应于相应编码盘的所述槽或凹部，从而允许编码盘旋转而使得所述槽或凹部在大致U形传感器保持器本体中与光传感器组件的测量轴线对准。
根据本发明的驱动轴监测系统的另一实施例，其包括支撑结构，该支撑结构将光传感器组件与相应编码盘和驱动轴相关地定位而与编码盘和驱动轴没有任何接触，并且该支撑结构将光传感器组件附接到与驱动轴附接的目标结构。
因此，根据本发明的驱动轴监测系统提供用于检测驱动轴扭曲、驱动轴RPM(每分钟转数)以及驱动轴的传递扭矩和功率的数字测量系统。
根据本发明的驱动轴监测系统包括处理单元，该处理单元设置有用于基于调制信号中的时移来计算驱动轴扭曲并由此计算驱动轴扭矩的装置和/或软件。
编码盘由于驱动轴的旋转而旋转，导致它们充当旋转的脉冲调制盘，来自光源的传输光束将穿过该脉冲调制盘，导致驱动轴或驱动轴部段每转一圈产生大量脉冲。槽或凹部的移位以及因此在第一和第二编码盘中的槽或凹部之间形成的齿确定脉冲宽度，脉冲宽度是扭转角、扭矩和驱动轴功率的量度。
编码盘的相互位置对于驱动轴监测系统是否工作并不重要，但它们通常布置在来自第二编码盘的调制脉冲落在来自第一编码盘的调制脉冲内的位置，例如其中第二编码盘的参考槽或凹部相对于第一编码盘的参考槽或凹部绕驱动轴的圆周移位90度。
RPM(每分钟转数)可以通过测量相应编码盘中的槽/凹部或齿的整体速度来计算，这可以通过对驱动轴一圈的时钟脉冲进行计数来实现。
当驱动轴未加载时，第一和第二编码盘的槽/凹部或齿之间将有时移t，如图1的上部时间序列所示。当驱动轴加载时，此时移位将增加到t+Δt，其中Δt表示扭转角，如图1的下部时间序列所示。
由相应光电传感器接收的光信号生成宽度调制的电子脉冲，其中通过测量上升脉冲边缘之间和下降脉冲边缘之间的时间来生成脉冲宽度调制。
来自上升和下降边缘的调制脉冲的时间序列在处理单元中累积以供进一步处理。
来自时间序列的持续时间的总和在驱动轴的合适的圈数或在期望的时间间隔被平均和更新。
通过计算当前情况下每个槽或凹部n的上述分式：
Figure BDA0003413968340000081
和类似的F当前下降脉冲边缘。
分别将F当前上升脉冲边缘和F当前下降脉冲边缘与F校准上升脉冲边缘和F校准下降脉冲边缘进行比较，并进一步平均上升和下降脉冲边缘的结果，其中该结果是扭转角(Δt)或devAng的量度。
平均扭转角、测得的RPM和驱动轴钢参数的知识使计算扭矩和轴功率成为可能。
必须使用参考槽或凹部检测旋转方向，也称为缺齿触发器。两个旋转方向上的槽或凹部数必须保持相同，这意味着当轴反向操作时，槽或凹部计数将减少。正向上升脉冲边缘将反向变为下降脉冲边缘。要了解处于哪个边缘，系统需要在改变转向时颠倒上升和下降脉冲边缘的命名约定。
通过使用第一和第二光传感器组件记录的上升和下降脉冲边缘的平均值，这将消除改变方向时的一些问题，但可能会导致分辨率损失。
定义：
名称 符号 量
功率 P 瓦特，W[＝牛*米/秒]
扭矩 T Nm[＝牛*米]
旋转速度 N RPM，每分钟转速
旋转速度 ω<sub>rad</sub> 弧度/秒
扭曲角 α<sub>rad</sub> 弧度，rad
惯性极矩 I m<sup>4</sup>
外直径 Do m
内直径 Di M
G模量 G 帕斯卡[＝牛/m<sup>2</sup>]
长度 L M
频率 F 赫兹[1/s]
每个编码盘的槽数 Z 槽
π(pi) π 3.14259
K因子(用户增益) K -1到1的值
偏移因子(用户偏移) O Nm[＝牛*米]
处理单元中使用的公式：
Figure BDA0003413968340000091
Figure BDA0003413968340000101
基于此，处理单元可以使用以下公式计算扭矩：
T+O＝(2π*devAng)*(G*I*K)/L
处理单元可以使用以下公式计算功率：
P＝2π*RPM*扭矩/60
因子G、I、L和Z由管理员配置到系统中。K和O是用户变量，可通过用户界面访问。因子devAng和RPM由处理单元根据来自光传感器组件的输入进行测量。
驱动轴或驱动轴部段的扭曲可由处理单元使用以下公式计算：
αtot＝(T*L)/(G*I)＝T/G*L/I
如果驱动轴由不同直径的轴部段组成，例如在接头两侧处的直径较小，则“薄区”的总长度为L1＝L1a+L1b。
总扭曲可分为两种；“薄”区的扭曲和“宽”区的扭曲：
αtot＝α1+α2＝T*L1/(G*I1)+T*L2/(G*I2)，其结果是
＝T/G*(L1/I1+L2/I2)
＝T/G*((L1*I2+L2*I1)/(I1*I2)
为了找到不同直径的Iouter only的正确值：
Iouter only＝(L1*I1+L2*I2)/L
Iouter only＝Do4*π/32
Do＝(Iouter only*32/π)1/4
Domean＝((L1*I1+L2*I2)/L*32/π)1/4
根据本发明的驱动轴监测系统通过对每个编码盘使用至少两个独立的光传感器组件来实现轴偏转和偏心测量。通过对每个编码盘使用至少两个独立的光传感器组件，即至少第一和第二光传感器组件，这使得能够在Y轴上进行轴偏转和偏心测量。
通过使用至少三个光传感器组件，即第一、第二和第三光传感器组件，其中第三光传感器组件被布置为以偏离垂直的角度例如30-45度来观察编码盘的槽，可以在X和Y平面执行轴偏转和偏心测量，如图7a-c所示。第三光传感器组件用于驱动轴纵向方向(Z轴)或X、Y轴的测量。
处理单元用于计算每个编码盘的轨迹偏差。
处理单元首先计算每个编码盘的第一和第二传感器组件之间的近似devAngle，与校准的devAngle进行比较。处理单元进一步根据每个编码盘的校准值将devAngle计算为实际轨迹偏移。
轴偏转通过下式计算：
Figure BDA0003413968340000111
其中轴
Figure BDA0003413968340000112
＝轴直径，C＝1/2圆周参考标准，即校准的，C1＝1/2圆周参考偏转，如图7b针对第一和第二光传感器组件所示的。
圆周或圆周的相应部分借助于以下方式来找到：使用来自第一和第二光传感器组件的记录的脉冲信号来确定驱动轴圆周的相应部分上的第一和第二光传感器组件之间的距离变化。借助于已知的直径和适当的公式，可以确定驱动轴中心点的变化。在由于相对于第一和第二光传感器组件的测量点的位移而导致圆周的相应部分发生变化时，驱动轴上的给定点用于从第一光传感器组件的测量点移动到第二光传感器组件的测量点的时间单位数将被改变，这可以用于确定改变的驱动轴的路径/圆周C1，其可以用于轴偏转的公式中。
当除了第一和第二光传感器组件之外还使用第三光传感器组件时，结果是三个测量轴线必须组合到X轴和Y轴。
因此，以与上述扭转角分析类似的方式对每个槽或凹部分析轨迹偏移。
因此，启用和提供以下措施：
1.检测偏转-值在正负方向上移动得太远
2.检测轴振动-峰对峰的值太高
因此，该信息可以用来由处理单元计算：
-第一编码盘的轨迹偏移峰对峰，
-第二编码盘的轨迹偏移峰对峰，
-第一编码盘的平均轨迹偏移，
-第二编码盘的平均轨迹偏移，
该信息可用于提供轨迹警告，以及呈现X+Y偏差组合或仅Y平面的初步视图，如图6c所示。
第三光传感器组件用作计算总和偏移的输入。
根据本发明的驱动轴监测系统的另一实施例，其被布置为检测离合器打滑，这是一种可以在需要时由用户激活的功能。
离合器打滑的检测要求驱动轴监测系统包括向处理单元提供输入的发动机飞轮传感器，或者被布置为从现有发动机飞轮传感器接收数据。
进一步要求处理单元具有：
-飞轮传感器检测到多少齿的配置参数，
-齿轮比的配置参数，如果飞轮和驱动轴之间存在齿轮，
-警告级别的配置参数。
根据本发明，在考虑到齿轮比之后，通过处理单元配备有用于对由飞轮传感器提供的飞轮上的RPM和由如上所述的驱动轴监测系统提供的驱动轴上的RPM进行比较的装置和/或软件，来检测离合器的打滑。
齿轮比通过下式计算：RPM发动机/RPM驱动轴＝齿轮比，提供初始或设计的齿轮比。
根据本发明，当前齿轮比由下式计算：
当前齿轮比＝RPM发动机(由飞轮传感器测量)/RPM驱动轴(由驱动轴监测系统测量)。
根据本发明，然后可以通过将初始或设计齿轮比与当前齿轮比进行比较来计算离合器打滑，其中离合器打滑可以作为与标称齿轮比的％偏差通过以下方式呈现给用户：
离合器打滑＝(初始或设计齿轮比/当前齿轮比)*100->100-计算的离合器打滑＝离合器打滑值(％)。
如果绝对值高于预设阈值，则驱动轴监测系统应向用户发出警告。
计算的离合器打滑优选地也存储在数据库中并显示在趋势视图中，其可用于检测离合器蠕变。
根据本发明，计算的轨迹、扭矩、离合器打滑和类似物可以用作驱动轴的控制系统的输入。
根据本发明的另一实施例，驱动轴监测系统被布置成将来自第二(最前面的)编码盘的读数与固定到为驱动轴提供动力的发动机的自由端部的增量编码器相结合，用于测量也在发动机的曲轴上的扭曲/扭矩和扭转振动，以这种方式提供曲轴监测系统。
大多数配备有自动调谐系统的大缸径柴油发动机需要高分辨率曲柄角编码器来以最佳方式控制燃烧正时。这通常通过在曲轴自由端的中心安装增量编码器来解决。分辨率通常可以是1080/转。为此，可以使用标准可用的增量编码器。
由于曲轴的长度，它会在高负载下显著扭曲。调谐系统必须知道假设的扭曲，以便计算每个气缸的正确正时。在每个气缸的车间测试中计算和/或确认TDC(上止点)(即上活塞位置)处的负载相关扭曲。
然而，一旦连接到离合器、轴、齿轮、发电机和螺旋桨，驱动轴的扭转振动的模式就会改变发动机的特性和施加在曲轴上的应力。这可以从扭曲中看出。因此，需要监测曲轴的扭曲，以便：
-执行发动机气缸的正确调谐，
-避免曲轴承受高负载，
-检测具有高扭转振动的操作模式(应避免)。
这也可以通过将第二(最前面的)编码盘的输出(即原始数据)提供给发动机控制系统进行处理以解决相同的目的来实现。
来自第二编码盘的测量信号将非常类似于来自布置到马达/发动机的现有增量编码器的测量系统。
本发明的其它优选特征和有利细节将从下面的示例性描述、权利要求和附图中显现。
附图说明
下面将参考附图进一步详细描述本发明，其中：
图1是根据本发明的光传感器组件的脉冲模式的原理图，
图2是根据本发明的驱动轴监测系统的原理图，
图3是根据本发明的编码盘的原理图，
图4a-b是根据本发明的光传感器组件的原理图，
图5是根据本发明的用于光传感器组件的支撑结构的原理图，
图6是根据本发明的用于校准的驱动轴监测系统的另一实施例的原理图，
图7a-c是根据本发明的驱动轴监测系统的另一个实施例的原理图，
图8是根据本发明的能够进行曲轴监测的驱动轴监测系统的另一实施例的原理图，以及
图9是本发明的典型应用的原理图。
具体实施方式
现在参考图2，其示出了根据本发明第一实施例的驱动轴监测系统20的原理图。
根据本发明的驱动轴监测系统20包括在第一位置处布置到驱动轴11的外表面的第一编码盘21a和在第二位置处布置到驱动轴11的外表面的第二编码盘21b，其中第二位置在驱动轴11的纵向方向上与第一编码盘21a相距预定距离。第一编码盘21a和第二编码盘21b对应地在驱动轴11的纵向方向上移位。第一编码盘21a和第二编码盘21b设置有沿其圆周方向均匀分布的多个槽或凹部22(图3)，以提供编码盘21a-b，使光能够穿过编码盘21a-b，并且使光能够在形成齿的槽或凹部22之间的区域中被编码盘阻挡。
驱动轴监测系统20还包括至少两个独立的光传感器组件30a-b，它们与第一编码盘21a和第二编码盘21b相关地布置。
在图2所示的实施例中，驱动轴监测系统包括在第一位置处与相应编码盘21a-b相关地布置的第一光传感器组件30a和在第二位置处与相应编码盘21a-b相关地布置的第二光传感器组件30b，其中第二位置在相应编码盘21a-b的圆周方向上与第一光传感器组件30a相距预定距离，使得第一光传感器组件30a和第二光传感器组件30b围绕编码盘21a-b沿侧向相反地布置并因此在穿过编码盘21a-b中心的横向轴线上对准，即围绕相应编码盘21a-b成180度角。
如图4a-b所示，第一光传感器组件30a和第二光传感器组件30b包括：在相应编码盘21a-b的一侧处的光源31，例如激光器或LED(发光二极管)，其在垂直平面内发射光束至所述多个槽或凹部22；以及在相应编码盘21a-b的另一侧处的光电传感器32，其用于接收通过所述多个槽或凹部22的调制光。
图3示出了根据本发明的编码盘21a-b的示例。编码盘21a-b可由若干部分23a-b形成，这些部分被组装以形成完整编码盘21a-b。在所示示例中，示出了通过适当的紧固装置(未示出)连接在一起的两个半部23a-b。如上所述，编码盘21a-b还设置有多个槽或凹部22，这些槽或凹部沿编码盘21a-b的圆周方向均匀分布，与编码盘21a-b的外圆周相距一定距离。根据本发明的编码盘21a-b的优选实施例，槽或凹部22主要为矩形并且以其纵向方向在编码盘21a-b的横向方向上延伸。根据可替代实施例，矩形槽或凹部22以纵向方向在编码盘21a-b的圆周方向上延伸。
如下文将进一步描述的，重要的是在槽或凹部22的横向方向上延伸的侧部是精确的以确保增强的检测。应该进一步提及的是，在测量系统中实现的槽或凹部22越多，分辨率就越高。编码盘21a-b进一步优选地设置有布置在编码盘21a-b的外圆周处的参考槽24。参考槽24优选地主要是矩形的并且以其纵向方向从编码盘21a-b的外圆周延伸并且在编码盘21a-b的横向方向上延伸至与所述槽或凹部22相同的延伸。因此，参考槽24在槽或凹部22的系列中提供间隙，该间隙将用作编码盘21a-b已经旋转360度(即一圈)的光传感器组件30a-b的参考。
编码盘21a-b的内直径对应于驱动轴11的外直径并且设置有附接装置(未示出)，例如夹紧装置，用于牢固附接到驱动轴11或驱动轴11的部段，并且当附接到驱动轴11或驱动轴11的部段时，编码盘21a-b在驱动轴11的纵向轴线上垂直地延伸，将所述槽或凹部22定位成与驱动轴11的外表面相距一定距离(偏移)，并因此将驱动轴11分为槽或凹部22。
根据图3所示的实施例，槽或凹部22的尺寸通常在纵向方向上在5-10mm之间并且在宽度方向上在2-6mm之间。作为一般设计规则，槽或凹部22的数量应至少提供：
-对于直径>350mm的驱动轴，每个编码盘半部23a-b有360个齿，
-对于直径>100mm的驱动轴，每个编码盘半部23a-b有180个齿，
-对于直径<100mm的驱动轴，每个编码盘半部23a-b有90个齿。
此外，所示实施例中，编码盘21a-b中的所述槽或凹部22之间的间距(即齿)对应于所述槽或凹部22的宽度。作为一般要求，将要求槽或凹部22之间的间距(即齿)足够大，以便光电传感器32检测缺光，即来自光源31的光束的中断，能够提供开/关光脉冲模式。由于每个编码盘21a-b设置有参考槽24，所以提供了移动目标跟踪器。
对于槽或凹部22以其纵向方向在编码盘21a-b的圆周方向上延伸的替代方案，槽或凹部22之间的间距(即齿)将不对应于槽或凹部22的宽度，但是将大到足以中断光以提供开/关光脉冲模式。
编码盘21a-b对应地将驱动轴11分成槽或凹部22/齿，光传感器组件30a-b可以使用它们来测量其特性，这将在下面进一步描述。
现在参考图4a-b，其示出了用于光传感器组件30a-b的安装支架组件40的原理图。安装支架组件40由大致U形传感器保持器本体41构成，其中光源31布置在U形传感器保持器本体41的一侧处，而光电传感器32布置在U形传感器保持器本体41的另一侧处，对应地沿侧向相反并在大致U形传感器保持器本体41的横向方向上与公共测量轴线对准。
U形传感器保持器本体41的内圆周的高度和宽度适合于编码盘21a-b，使得U形传感器保持器本体41可以被布置为接纳编码盘21a-b的外部部分以在它们之间具有间隙并且将光源31和光电传感器32定位为对应于相应编码盘21a-b的所述槽或凹部22，从而允许编码盘21a-b旋转而使得所述槽或凹部22在大致U形传感器保持器本体41中与光传感器组件30a-b的测量轴线对准。U形传感器保持器本体41的间隙必须足够大，以允许驱动轴11扭曲/偏转，而编码盘21a-b不会与U形传感器保持器本体41接触。光传感器组件30a-b对应地布置成使得其测量轴线垂直于编码盘21a-b的旋转轴线，因此在驱动轴11的纵向中心轴线的平行纵向轴线上。
U形传感器保持器本体41还设置有用于将电力和信号传输到所述光源31和光电传感器32的连接部33。U形传感器保持器本体41还可设置有光状态指示器34，例如LED，用于指示光传感器组件30a-b的状态。
安装支架组件40还包括U形附接支架42，其适于在其内部容纳和附接U形传感器保持器本体41。U形附接支架42在其纵向侧进一步设置有纵向槽43。U形传感器保持器41借助于对应的附接装置布置成在U形附接支架42的纵向方向上是可调节的。根据所示实施例，U形传感器保持器本体41在其外部纵向侧设置有螺纹孔(未示出)，用于接纳延伸穿过纵向槽43的附接螺钉44，从而能够在U形附接支架42的纵向方向上调节U形传感器保持器本体41。
现在参考图5，其是根据本发明的光传感器组件30a-b的支撑结构50的原理图，该支撑结构适于将光传感器组件30a-b与相应编码盘21a-b和驱动轴11相关地定位而与编码盘21a-b和驱动轴11没有任何接触，并且将光传感器组件30a-b附接到与驱动轴11附接的目标结构(未示出)，例如船舶的船体或机舱的底板。支撑结构50例如由框架部件51形成，该框架部件形成大致矩形的框架，以一定距离包围驱动轴11和编码盘21a-b，并且其中大致矩形的框架设置有至少一个脚部或基部52，用于通过合适的附接装置(未示出)，例如螺栓，或通过焊接而附接到目标结构。为了支撑结构50的额外刚度，横梁53可以布置在合适的位置处。为了额外的支撑，支撑结构50可以设置有额外的加强部件(未示出)，用于附接到目标结构的壁或顶。
如图4a-b所示，上述安装支架组件40适于通过合适的附接装置(例如螺栓45和螺母46)布置到支撑结构50上，从而能够将光传感器组件30a-b固定到支撑结构50。为此，支撑结构50将设置有孔或槽(未示出)，从而能够将安装支架组件40可调节地布置到支撑结构50。如果需要，也可以使用一个或多个垫圈或板。
再次参考图2。根据本发明，两个编码盘21a-b布置到驱动轴11的合适部段，并且其中编码盘21a-b在驱动轴11的纵向方向上移位。
因此，编码盘21a-b布置得越靠近驱动轴11部段的端部，即编码盘21a-b之间的距离越长，则获得的测量值就越好。
如果在编码盘21a-b或驱动轴11之间的驱动轴上有轴承，这需要对直径进行小幅修正以实现正确的扭矩测量，然后将使用基于考虑具有不同直径的轴跨度而计算出的平均直径。
根据本发明，相应编码盘21a-b的第一光传感器组件30a布置在驱动轴11的同一侧，如图2所示。
本发明的工作原理是，光源31将光束垂直地发射到编码盘21a-b，其中当编码盘21a-b由于驱动轴11的旋转而旋转时，编码盘中的槽或凹部22/齿将导致脉冲调制光信号，该脉冲调制光信号被在相应编码盘21a-b的另一侧处的光电传感器32记录。光电传感器32产生电脉冲，该电脉冲被传送到处理单元60，该处理单元设置有用于进一步处理电信号的装置和/或软件。如图2所示，处理单元60将进一步设置有线或无线接口，用于与外部装置80通信以呈现数据/测量值以及能够调节处理单元60的设定/参数。外部装置80可以是设置有显示器或控制系统或甚至网络服务/网络接口的独立装置。
通过使用如图所示的四个传感器组件30a-b，每个编码盘21a-b两个传感器组件，将能够创建测量阵列以提高精度。这特别有利于解决轴-轴承的松弛问题。
因此，当驱动轴11旋转时，这将给出切换灯的脉冲序列(开/关(开-亮，关-暗))。编码盘21a-b中的槽或凹部22/齿之间的距离确定了脉冲宽度，这是计算扭转角、扭矩和驱动轴功率的量度。
现在参考图6，其示出了根据本发明的驱动轴监测系统的另一实施例的原理图。根据驱动轴监测系统20的另一实施例，包括至少一个高分辨率增量编码器70(通常编码器轴每转25000个脉冲)，其与编码盘21a-b相关地布置以用于校准目的。通过借助于适当的临时紧固装置71(例如设置有磁体的附接支架)附接到支撑结构50，增量编码器70被布置成使其灵敏测量轴线垂直于编码盘21a-b的槽或凹部22。在编码盘21a-b的校准期间，增量编码器70将提供脉冲序列，以代替由处理单元60的内部时钟产生的时间触发脉冲，用于在校准期间计算槽或凹部22/齿偏移。通过在两个方向上缓慢旋转驱动轴11，可以确定扭曲(扭矩)的零点。
增量编码器70因此用于在处理单元60中建立一个表格，该表格包含与增量编码器的脉冲相关的由分式(F校准上升脉冲边缘和F校准下降脉冲边缘)表示的相对位置信息，如上所述，将用于进一步处理和监测。
高分辨率增量编码器70在校准完成后从驱动轴监测系统20完全移除并断开。
处理单元60还设置有装置和/或软件，以用于计算由分式(F当前下降脉冲边缘和F当前下降脉冲边缘)表示的当前相对位置，将它们与校准的分式(相应地，F校准上升脉冲边缘和F校准下降脉冲边缘)进行比较，并进一步将用于上升和下降脉冲边缘的结果进行平均，其中结果是当前扭转角(Δt)或devAng的量度，其是加载速率的表达。
通过对驱动轴11转一圈的时钟脉冲进行计数，即通过测量相应编码盘21a-b的槽或凹部22的总速度，由处理单元60执行RPM的计算。
如上所述，平均的当前扭转角(Δt)、测得的RPM和驱动轴11的钢参数的知识使得计算扭矩和轴功率成为可能。
基于所提及的分式，处理单元60能够通过上述公式计算扭曲并由此计算旋转。
由于将针对每个槽或凹部22计算扭矩，因此可以确定旋转过程中的扭矩振荡。
因此，根据本发明的驱动轴监测系统20能够通过测量驱动轴11的两点(即由光传感器组件30和编码盘21a-b的布置限定的两个点)之间的扭曲(偏转)角来计算扭矩。
事实上，偏转角会随着扭矩的增加而增加。借助于本发明，可以在外部装置80上以扭矩、RPM和功率等熟悉的值显示扭曲角度。
现在参考图7a-c，其示出了根据本发明的另一实施例的原理图。
由于包括布置到每个编码盘21a-b的至少两个独立的光传感器组件30a-b，所以本发明能够测量Y轴上的轴未对准和偏心。
为了能够测量X平面和Y平面中的轴未对准和偏心，本发明包括第三光传感器组件30c的布置结构，对于每个编码盘21a-b，第三光传感器组件定位在第一光传感器组件30a和第二光传感器组件30b之间，与第一光传感器组件30a和第二光传感器组件30b成90度地布置。第三光传感器组件30c包括与第一光传感器组件30a和第二光传感器组件30b相同的部件并且通过安装支架组件40和支撑结构50以类似方式布置。第三光传感器组件30被布置成以偏离垂直的角度(例如30-45度)观察编码盘21a-b的槽或凹部22，并且以这种方式使得能够检测驱动轴11的纵向运动。
由此，可以为每个编码盘21a-b计算轨迹偏差，如图7c所示，如上所述。
结果可以为用户呈现在外部装置80(见图2)上。
根据本发明的另一实施例，驱动轴监测系统20另外被布置为用于通过将来自发动机飞轮传感器90(如图2和图9所示)的信息提供给来自本发明的光传感器组件30a-c的测量结果而检测离合器打滑。
现在参考图8，其是本发明的另一个实施例的原理图。根据本发明的另一实施例，驱动轴监测系统20被布置用于将来自第二(最前面的)编码盘21b的读数与固定到为驱动轴11提供动力的发动机100的自由端部的增量编码器72结合，用于测量也在发动机100的曲轴110上的扭曲/扭矩和扭转振动，因此提供对与发动机曲轴110隔离的扭转和振动的洞察。因此，提供用于发动机100的曲轴监测系统。通常增量编码器72是低分辨率增量编码器就足够了，但是也可以使用其它编码器，例如高分辨率编码器。
增量编码器72因此将用作系统中关于测量信号的第三编码盘。
这也可以通过将第二(最前面的)编码盘21b的输出提供给发动机控制系统进行处理以解决相同的目的来实现。
大多数配备有自动调谐系统的大缸径柴油发动机需要高分辨率曲柄角编码器来以最佳方式控制燃烧正时。这通常通过在曲轴自由端的中心安装增量编码器来解决。分辨率通常可以是1080/转。为此，可以使用标准可用的增量编码器。
由于曲轴的长度，它会在高负载下显著扭曲。调谐系统必须知道假设的扭曲，以便计算每个气缸的正确正时。在每个气缸的车间测试中计算和/或确认TDC(上止点)(即上活塞位置)处的负载相关扭曲。
然而，一旦连接到离合器、轴、齿轮、发电机和螺旋桨，扭转振动的模式就会改变发动机的特性和施加在曲轴上的应力。这可以从扭曲中看出。因此，需要监测驱动轴的扭曲，以便：
-执行发动机气缸的正确调谐，
-避免曲轴承受高负载，
-检测具有高扭转振动的操作模式(应避免)。
根据本发明的另一实施例，处理单元60或单独的单元设置有用于监测光传感器组件30a-b的维护的装置和/或软件。当组件受到灰尘或污垢的影响时，明暗关系会发生变化。通常，与新的清洁系统相比，污垢会导致光在转一圈期间穿过编码盘21a-b的时间更少。通过测量一圈中的明暗量，可以提醒用户对光传感器组件30a-b以及编码盘21a-b进行必要的维护，即清洁。这对于光学系统的运行可靠性至关重要，因为没有进行这种健康检查将不能依赖测量/计算作为控制驱动轴系统的马达/发动机的控制单元的输入。
本发明的另一优点在于，由于每个编码盘21a-b使用至少两个独立的光传感器组件30a-b，因此轴相对位置的补偿可以通过组合来自位于编码盘21a-b的每一侧上的两个传感器组件30a-b的信号来执行。这是由于驱动轴11的运动可能影响两个编码盘21a-b之间的槽或凹部偏移而需要的特征。
以这种方式，光传感器组件30a可以用与每个编码盘21a-b的光传感器组件30b的测量偏差来补偿。
对于槽或凹部22补偿，使用最近的具有相同极性的边缘，而不是使用两个窗口边缘之间的边缘的扭矩计算方法。使用光传感器组件30a作为参考，光传感器组件30b将测量与映射的校准相对位置的偏差。该测量偏差接下来与光传感器组件30b的映射校准相对位置一起使用，以找到编码盘21a-b位置的中心补偿位置。
本发明适用于包括旋转轴的所有系统，但特别适用于驱动船舶上的螺旋桨200的旋转驱动轴11，如图9所示，或连接到风力涡轮机的叶片的旋转驱动轴。如图9所示，根据本发明的驱动轴监测系统20被布置到连接在发动机100(可以是内燃机或电动马达)和螺旋桨200之间的驱动轴11，其中发动机100经由驱动轴11驱动螺旋桨200。驱动轴11通常经由齿轮/齿轮箱130和/或离合器连接到发动机100的飞轮120。在从发动机100到螺旋桨200的传动系中还可布置一个或多个中间轴、轴承和/或齿轮箱。发动机100也可以经由驱动轴11直接连接到螺旋桨200。
对每个编码盘21a-b使用至少两个独立的光传感器组件30a-b进一步提供了驱动轴监测系统中的冗余，因为即使只有一个光传感器组件工作，驱动轴监测系统也能起作用。
此外，通过为每个编码盘21a-b使用至少两个独立的光传感器组件30a-b，这使得驱动轴监测系统能够通过使用测量值的平均值来解决轴-轴承的松弛和船体结构的偏转。
本发明进一步提供了一种稳固的系统，其中所有敏感部件都被封装并且其中仅需要最少的维护。
本发明提供一种高精度的驱动轴监测系统。
根据本发明的驱动轴监测系统提供了一种几乎无需服务并且由于没有机械磨损而能够长时间稳定运行的系统。
本发明提供了一种适用于小直径驱动轴以及大直径驱动轴的驱动轴监测系统。
根据本发明的驱动轴监测系统适用于低RPM和高RPM(高达10000RPM)的驱动轴。
本发明提供了一种稳固且机械稳定(无漂移)并且具有大的环境操作温度范围(从15℃到+70℃)的驱动轴监测系统。
根据本发明的驱动轴监测系统对离心力不敏感并且不受高扭矩动态(驱动轴的砰击和猛烈冲击)的影响。
本发明提供一种对电场和射频干扰不敏感的驱动轴监测系统。
本发明提供一种易于安装和重新安装的驱动轴监测系统。
根据本发明的驱动轴监测系统提供了一种能够单独操作且集成在其它控制系统中的系统。
修改形式
使用带有槽或凹部的编码盘的替代方案是根据本发明使得编码盘在其表面之一上具有光变化图案，例如条形码、线条、反射装置或类似物，并且进一步地，其中光源和光电传感器布置在编码盘的同一侧。
编码盘可以进一步实施为齿轮或带有叶片的环/盘。

Claims (13)

1.一种驱动轴监测系统(20)，包括在第一位置处布置到驱动轴(11)的外表面或驱动轴(11)的部段上的第一编码盘(21a)和在第二位置处布置到驱动轴(11)的外表面或驱动轴(11)的部段上的第二编码盘(21b)，其中第二位置在驱动轴(11)或驱动轴(11)的部段的纵向方向上与第一编码盘(21a)相距预定距离，其中第一编码盘(21a)和第二编码盘(21b)设置有沿其圆周方向均匀分布的多个槽或凹部(22)，其特征在于，驱动轴监测系统(20)包括与第一编码盘(21a)和第二编码盘(21b)的槽或凹部(22)相关地布置的至少两个独立的光传感器组件(30a-c)。
2.根据权利要求1所述的驱动轴监测系统(20)，其特征在于，第一光传感器组件(30a)布置在相应编码盘(21a-b)的第一圆周位置处，第二光传感器组件(30b)布置在相应编码盘(21a-b)的第二圆周位置处，其中第二圆周位置在相应编码盘(21a-b)的圆周方向上与第一光传感器组件(30a)相距预定距离，使得第一光传感器组件(30a)和第二光传感器组件(30b)围绕相应编码盘(21a-b)沿侧向相反地布置并且因此在通过相应编码盘(21a-b)的中心的横向轴线上对准。
3.根据权利要求1-2所述的驱动轴监测系统，其特征在于，所述驱动轴监测系统包括第三光传感器组件(30c)，所述第三光传感器组件沿着相应编码盘(21a)的圆周方向定位在第一光传感器组件(30a)和第二光传感器组件(30b)之间。
4.根据权利要求1-3所述的驱动轴监测系统，其特征在于，光传感器组件(30a-c)包括在相应编码盘(21a-b)的一侧处的光源(31)和布置在相应编码盘(21a-b)的另一侧处的光电传感器(32)，光源在垂直平面中将光束发射到所述多个槽或凹部(22)，光电传感器用于接收通过所述多个槽或凹部(22)的调制光。
5.根据权利要求4所述的驱动轴监测系统，其特征在于，光传感器组件(30a-c)布置在由大致U形的传感器保持器本体(41)形成的安装支架组件(40)中，其中光源(31)布置在U形的传感器保持器本体(41)的一侧处，光电传感器(32)布置在U形的传感器保持器本体(41)的另一侧处，由此沿侧向是相反的并且在大致U形的传感器保持器本体(41)的横向方向上与公共测量轴线对准，其中U形的传感器保持器本体(41)适于接纳编码盘(21a-b)的外部部分，其中在U形的传感器保持器本体和编码盘的外部部分之间具有间隙，并且将光源(31)和光电传感器(32)与相应编码盘(21a-b)的槽或凹部(22)对应地定位，从而允许编码盘(21a-b)旋转而所述槽或凹部(22)在大致U形的传感器保持器本体(41)中与光传感器组件(30a-c)的测量轴线对准。
6.根据权利要求3所述的驱动轴监测系统(20)，其特征在于，第三光传感器组件(30c)被布置为以偏离垂直的角度观察所述槽或凹部(22)。
7.根据权利要求5所述的驱动轴监测系统(20)，其特征在于，所述驱动轴监测系统包括支撑结构(50)，该支撑结构将光传感器组件(30a-c)与相应编码盘(21a-b)和驱动轴(11)相关地定位而与编码盘(21a-b)和驱动轴(11)没有任何接触，并且该支撑结构将光传感器组件(30a-c)附接到与驱动轴(11)附接的目标结构。
8.根据权利要求1所述的驱动轴监测系统(20)，其特征在于，所述驱动轴监测系统包括飞轮传感器(90)或被提供有来自已有飞轮传感器的测量值，并且包括处理单元(60)，该处理单元设置有用于计算离合器打滑的装置和/或软件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的驱动轴监测系统(20)，其特征在于，所述驱动轴监测系统包括与编码盘(21a-b)相关地临时布置的高分辨率增量编码器(70)，用于校准驱动轴监测系统(20)。
10.根据权利要求1所述的驱动轴监测系统(20)，其特征在于，所述驱动轴监测系统包括增量编码器(72)，所述增量编码器被布置到为驱动轴(11)提供动力的发动机(100)的自由端部，以与来自最前面的编码盘(21b)的读数结合而用于测量发动机(100)的曲轴(110)上的扭曲/扭矩和扭转振动。
11.根据权利要求1所述的驱动轴监测系统(20)，其特征在于，光传感器组件(30a-c)被布置到支撑结构(50)，该支撑结构附接到与驱动轴(11)相同的目标结构。
12.根据前述权利要求中任一项所述的驱动轴监测系统(20)，其特征在于，所述驱动轴监测系统包括至少一个处理单元(60)，所述至少一个处理单元设置有用于计算或测量以下一项或多项的装置和/或软件：每分钟转数、轴扭转角、轴扭矩、轴功率、轴未对准、轴偏心。
13.根据权利要求12所述的驱动轴监测系统(20)，其特征在于，所述至少一个处理单元(60)将用于两个编码盘(20a-b)的所述至少两个光传感器组件(30a-c)的当前测量值带入到用于上升脉冲边缘的分式(F当前上升脉冲边缘)和用于下降脉冲边缘的分式(F当前下降脉冲边缘)，将当前分式分别与用于上升脉冲边缘的校准分式(F校准上升脉冲边缘)和用于下降脉冲边缘的校准分式(F校准下降脉冲边缘)进行比较，并进一步将用于上升脉冲边缘和下降脉冲边缘的结果进行平均，其中该结果是扭转角的量度。
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