水轮机主轴系统在运行时,同时承受随机驱动扭矩和负载扭矩,不但运行状态复杂,传动系统效率也随之而变化,故确保主轴工作的安全性及监测主轴性能具有十分重要的意义。论文在国家自然科学基金项目“水轮机主轴机械系统动态特性研究”的资助下,采用光栅传感器进行主轴扭矩的实时动态测量,该系统的研发为主轴的扭矩监测提供了一种新的有效的手段。论文首先介绍了当前扭矩传感器的发展现状,分析了各种类型扭矩传感器的特点和存在的不足,根据光栅传感器可实现信号的无接触传输,并具有抗强电磁干扰的优点,提出以光栅传感器为信号敏感元件,进行水轮机动态扭矩测量方案。其次,论文以被测轴两端光栅副的光电输出信号作为输入信号,将光栅输出的光电信号转换成矩形波信号,通过分析旋转轴的各种运动对莫尔条纹及光电输出信号的影响,得知两路矩形波信号的相位与扭转角的关系,从而建立了测量系统的数学模型,并推导出具体的测量计算公式。根据测量系统数学模型可以看出,系统满足匀速静态扭矩测量,也满足非匀速动态扭矩测量要求,突破了传统相位差扭矩传感器只能进行匀速条件下的静态扭矩测量。论文的另外一项工作是根据所建立的数学模型推导出的测量计算公式,完成了数据采集卡的研制,包括光电转换电路、启动电路、放大电路、信号转换电路、数据DSP 采集处理电路及DSP 与计算机的通信接口电路。论文还探讨了动态测量输入数据的组成成分,根据动态测量数据的时变性、随机性、相关性和动态性等,深入研究了动态测量数据的处理方法,探讨了动态测试数据的预处理、成分分离、及结果表述等方面的内容,重点讨论了随机成分的分离,并针对本系统提出了以并行递推的自适应卡尔曼滤波作为系统实时动态数据处理方案,以减小随机误差。论文最后根据数学模型及动态测量数据处理方案,采用C 语言编写了相应的控制程序及算法程序,保证系统的正常运行及数据处理的及时性和准确性。系统可以对动态输入扭矩进行实时监测,具有较高的检测精度,能够实时检测出异常扭矩及时进行系统报警,确保系统安全。