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旋转轴力矩的涡流检测
Orestes J. Varonis bull; Nathan Ida
内容摘要：非接触式扭矩传感器是为了解决基于机器轴向应力引起的轴上的压装磁套和电气条件变化效率的涡流检测和由于应力存在下产生的磁导率。涡流探头采用双驱动、双感应线圈结构，其目的是提高对转矩的灵敏度和降低探头和轴之间的距离变化的敏感性。保持距离不变的原理仍然适用。探针和磁性套筒都使用标准涡流仪器进行性能评估。涡流仪器也可用于驱动线圈和分析转矩数据。方法和传感器描述适用于多种领域。传感器同时适用于静态轴和动态旋转旋转轴，不受轴直径的约束，同时可以测量很大范围的扭矩。这种转矩传感器采用差分电涡流测量方法，从而消除了温度和振动对共模效应的影响。
关键字：扭矩矩传感器.涡流测量.磁弹性材料。
- 内容介绍
目前关于扭矩传感各种方法已经受到了相当大的关注，并且扭矩测量蕴藏了巨大的商业价值。在一般情况下，扭矩传感需要两个独立的功能。首先第一个功能就是一个单独的组件上或者在一个能够感知到扭矩的部件上感知扭矩造成的扭力，如机器的轴。第二是传感器所特有的，能够量化压力或其影响，这种功能可以实现方法很多。感应扭矩引起的应力的最简单的方法之一是使用一个细的金属轴，并根据在其外表面上的剪切应变测量其转矩[ 1 ]。 在铁磁轴上，通过对轴的表面进行测量可以直接看到扭力对于电导率和磁导率的影响。提高灵敏度可以使用特殊的方法，比如在轴的表面引入浅槽，并且让槽的轨迹分布在最大应力方向上。此外，由于不同圆周位置上电导率和磁导率不同，因此最终对于电导率和磁导率的测量取平均值[ 2 ]。 另一种方法是使用两个可以自由伸缩的磁性套筒，在相反方向上不断地进行磁化，并感应磁导率函数和剪应力这种磁化矢量[ 3 ]。或者，可以使用这些没有磁化或未发生磁通变化的套筒，感知导电性或导磁率的变化[ 4 ]。对于非磁性轴可以利用两个细的磁致伸缩薄膜条，将它们贴在最大应变产生的方向上感知电导率和磁导率的变化[ 5 ]。还有许多其他的方法。[ 6，7 ]。在所有方法中，其中有一种方法依具一个定理，即扭矩会导致应力/应变发生或附加的力会引起的电导率和磁导率的变化。
最常见的扭矩传感的方法是使用应变仪、光学、磁性或涡流传感器[3、6、7]。
对于应变测量仪器的使用已经趋于日常化，因为在几乎所有情况下，产生的应变可以通过应变仪最直观准确的测量出。在适用应变测量仪器时，都是将应变片贴附在产生最大应变方向上（比如主轴的plusmn;45°方向）[1]。通常情况下，仪表是与电桥连接在一起的，这样可以对温度和其他常见的源噪声，如振动进行补偿。 然而，对于轴的应变测量，信号必须通过旋转变压器。电力和电桥的输出必须通过这个变压器。在光学系统中，一个典型仪表结构是在轴的两个开槽位置放置两个开槽的圆盘，由于扭转变形导致的两槽的位移发生变化，唯一的变化量既与转矩有关[ 4 ]。类似的效果可以通话相互交替的黑白颜色条根据光的折射原理而不是光的透射原理来实现。虽然光学传感因为其原理结构简单和几乎不受噪声影响而大受欢迎,但是它却会受到灰尘和污垢的影响，这在工业环境中是一个严重的影响。
磁传感扭矩问题越来越受到重视，并且已经研究出现了很多种磁性扭矩传感器。其中一种方法是,上面提到的利用两个磁弹性套筒,让他们固定在轴上不断磁化[3]。并且将霍尔元件放置两个套筒处,相隔180°方向。在没有扭矩的时候,霍尔元件的输出为零。出现扭矩时,套筒周围的磁化强度就会发生变化同时霍尔元件就会出现相应的输出。两种不同结果的原因是因为转矩的不同。不同的输出也有助于降低传感器的温度漂移和噪声。另一种形式的传感器是利用单个磁弹性套筒和抑制通过套筒磁通量的差动变压器。初级线圈产生的磁通和两个不同连接线圈作为传感器。正常的情况下输出是零时，套筒的磁导率是不变的的,两个线圈中的感应电动势是相同的。由于在转矩的存在,受到扭力的套筒将在不同的位置发生不同磁导率变化，因此两个线圈将产生不同的感应电压。线圈的位置在不同路径上对于磁通量的闭塞程度是不同的[ 2 ]。磁阻也被用于转矩测量。基本原理是，扭转可以将两个单独的磁性件紧密地结合在一起（或使他们分离的更远一些），随着扭矩的增加。那么磁阻就可以成为一种测量扭矩的方法。还有一种特殊的结构，采用了2个齿环，使在没有扭矩的作用下的牙齿是居中的，两者之间的间距是恒定均匀的。这2个环固定在轴上不同的位置，当扭矩产生时，轴上的扭矩将改变磁阻的阻值。两个线圈是通电的以至于它们之间的电动势在没有扭矩产生的时候是0，当扭矩出现的时候电动势就会发生变化。
利用涡流测量扭矩的最常用方法是采用两个环绕线圈和一对细的开槽套筒，使他们再没有扭矩的时候保持状态一致。套筒是用来减弱对磁场的衰减，当套筒是对齐的时候（既没有扭矩的时候）。当轴转动的时候，所开的孔槽同时转动对涡流的衰减更加明显。场的衰减与扭矩是成比例的，因而扭矩的大小可以由微分涡流线圈的阻抗差来表示[ 1 ]。 这些方法中，线圈将轴缠绕以至于他们保持相对静止，这样就不用考虑特殊的机械方面的影响因素。另一种可能的涡流传感方法是基于轴的磁导率和电导率理论。许多涡流线圈被放置在圆周上作为简单的近距离传感器，在固定频率下驱动。我们可以测量扭矩通过线圈中阻抗的分布和变化。
这里用一个press-fitted C250马氏体时效钢套筒(18%的镍,8.5%的锰,18%的钼,钛0.4%,0.1% 铝)与轴的紧密配合来描述这种方法。用力转动轴将压力转移到套筒上这样会产生张力和压力在另一个套筒上（见图1）。两个固定不动的非接触涡流探头相隔90°放置，这样,当一个探头感知处于压缩状态的金属时，另一个探头就可感知在拉伸状态时的金属变化。当金属表现出活跃的维拉利效应，那一部分处于拉伸状态的金属磁导率变大，而那一部分处于压缩状态的金属磁导率降低(图1 b)。同时这两个线圈的感应涡流变化,改变线圈中的感应电动势。由于是自差模线圈,所测得的感应电动势会在有转矩时增加，再无转矩时输出位0。
图1.扭矩传感的方法。当产生转矩时磁性套筒的状态示意图。B.两个方向上涡流探头对于磁导率的感应示意图。每个探头的感应线圈是反向串联的（差动传感器）。
测量系统的设计包括很多步骤,每一步对于系统的性能和最终结果都是非常重要的。第一步是对马氏体时效钢套筒的涡流评估，因为其性能是传感系统的整体性能的关键。用差分探针形式配制成的涡流线圈受到了广泛关注，下面详细来说一说。要特别注意结果的重复性问题的涡流探测器的发射对旋转套筒因为任何探针和套筒之间的距离的变化引起的变化在轴上的扭矩输出。结合上面所说的,一个可以用于商业的涡流仪器常常被用来驱动线圈,感应电动势和分析输出。这使系统避免了与相关的仪器链接所产生的系统错误,此外,该仪器还可以用来评估探针与马氏体时效钢的性能。
- 对于涡流检测探头的研究
对此的初步评价有两个目的。第一,也是最重要的一点是确定传感器的工作参数。这包括工作频率、探测器的工作环境强、测量范围等。第二,这个测试可以找到所需的灵敏度和解决测试时出现的一些问题。这个测试是在一个专门搭建的实验台上用相应的静态扭矩测量装置和一个可以商用的涡流探测仪的工作下完成的。其他就是掉涡流仪器本身的直流偏置信号和谐波对性能的影响的评估。频率响应的评估包括两个重要的特征。尝试确定一个最好的对于传感器的工作频率要考虑考虑到探针的真实部件和虚拟部件(这里称为x和y分量)有不同的频率特种。评估的第二部分是尝试确定发射信号的影响和直流偏移达到最大灵敏度时的输出信号。测试的结果如图2和3所示。探针包括一个在探针中心的驱动线圈和两个在探针针尖上的传感器线圈。在实际测试中(图3),驱动线圈和传感器线圈都是一分为二的。图2 b显示了驱动线圈和传感器线圈与涡流仪器相连，显示了分裂驱动线圈的驱动方式和传感器线圈如何与放大器相连和信号的调解阶段。一个激励线圈是由36匝的最大磁通量为1.4rms的线圈 组成的。传感器线圈有36匝，放置位置在探针的针顶。探针的核心部分是分层的，是用环氧树脂粘合起来进行实际测试的,所示图3 b。探针的每一杆截面3毫米,由1.5毫米的截面单位组成,长24毫米宽11毫米。核心材料是SuperPerm-49[8]。其组成包括0.02% 碳,0.50%的锰,0.35% 锡,铁镍各48.00%。该材料已被广泛用于制作仪表用变压器的叠层磁芯，磁盾，以及在低磁力领域需求高磁导率的研究功能。
最终的相关调查如表1所示。
图2 涡流线圈显示驱动线圈和双感应线圈的工作原理。驱动和传感块图。注意分裂驱动线圈和DRI的动势的方向他们和感应线圈。
图3.表现驱动线圈和两个传感器线圈的涡流线圈原理图。B.驱动和传感框图。记录分裂驱动线圈和传感器线圈感应电动势的方向。
- C-250马氏体时效钢的涡流评价
首先，对马氏体时效钢进行测评时先用适当的频率进行测试。最常用的频率范围是2Hz到128kHz。同时，记录下一系列的扭矩值和涡流探测器的响应数据。探针被放置在转轴的不同角度处，但是只有排布在压缩和拉伸的方向上才在这里显示出来（45°和135°）如下图所示。在评测中，希望找到一个可以优化输出和传感器的灵敏度的操作频率。这是很重要的，因为线圈具有真实的和虚构的组件，它们不能被最大化独立，并且它们的最大值发生在不同的频率。图4显示了对频率的最大归一化线圈的电动势变化。感应电动势的峰值约在16Hz处，但虚部随频率降低，这是一个典型的涡流检测测量结果。图4显示了探针对于扭矩在4kHz到16kHz的响应，再次证实了预期值与真实值实相符的。图1显示了在6kHz的响应。在1千赫的灵敏度是最大的，然后是4kHz，再然后是16kHz。其他角度也用这些条件进行的测试，更具体地说不只是在45°最为明显还在0°和90°比较明显。较低和更高的频率会降低敏感度。然而，这些频率与线圈的感应系数有关。对探头的任何条件改变将改变其性能和灵敏度。尽管在图6中所示的信号似乎没有4kHz和16kHz的线性度高，但不是所有角度都会出现这样的情况。此外，多元测量表明了一种信号的传播方式。出于这个原因，该信号被进一步处理使用一个线性最佳拟合或多项式拟合得到的探针的响应（见测试4的结果）。
另一个探测器的特性，需要仔细测试是对探针的影响，更重要的是，仔细读数。为此，要在不同频率进行响应测量。在图7中可以看到，影响随着频率的增加而减少。显然，感应电动势的变化可以用扭矩来解释，反之亦然。这意味着它是发射被消除或至少，关键的严密控制的E特别是在较低的频率。由于灵敏度高，在较低的频率发射控制问题是目前传感器发展的一个组成部分。
图4涡流探头的频率响应的实部、虚部（135p_dvx_max曲线）（135p_dvy_max曲线）和电动势的大小（135p_dvs_max曲线）
图5在4和16千赫的涡流探头变化。固体线是多项式拟合测得的数据。vxn代表真正的PAR，vyn虚部，VSN的大小，所有都是标准化的
基于探索及其性能和恒定的间隙测量单探头的需要，包含设置在90°方向上的两个线圈的设计和重新评定。一个探针在图8a所示。驱动线圈，一分为二，包含40圈（见表2）和感应线圈包含每150转。驱动线圈已接近感测线圈，以减少探头的总长度。核心是类似的探索线圈但稍厚，更进一步的两极分离 。这些变化减少探头的电感，作为结果，探头的最大灵敏度较高，约10千赫。电气性能如表2所示。这两个探针是放置在一起的，彼此呈90°排列，探针沿压缩线的感觉而二次的紧张局势。完整的探针连接到连接器如图8c所示。探头表面的探针表面上可以看到探针的探针针尖。
图6 在1千赫显示最高灵敏度的涡流探头响应。频率被选定为传感器的基本频率
图7 在不同频率上电梯的电涡流探头响应。通过多项式拟合得到的测量点的固体线连接
正如上面提到的，在设计一个特别值得关注的是探针和马氏体钢环之间的空气间隙。为了解决这个问题，探头被纳入一个圆形的住房，采用双轴承，在每个侧的套筒，使探头是固定的，而套筒旋转的他竖井。空气间隙保持不变的轴承的公差范围内。轴上的探针组件图8D所示。
实际上，每个涡流线圈（包括司机和两拾波线圈如图8A）是一个可变磁阻变压器即磁阻的变化是由于扭矩。在这种情况下的可变磁阻由磁导率的变化，由于转矩所提供的。测量方法是显示在图2b，线圈的连接与基本要素传感器显示。
图8 一种带分裂驱动线圈和分裂感测线圈的改进探头。B探头外壳，准备接受两探针，面向对方90 。C完成调查后封装和连接到一个涡流式仪表连接器。一个轴上的恒定间隙壳体中的三维完整探测器
桥连接消除了由于在没有感应的数量而使解调器和过滤器将电动势转化为直流电平的情况下，线圈的感应电压。双探头的输出，总结合了内部的涡流仪器产生的电动势成比例的转矩。
- 研究结果
该传感器可以被驱动在不同的频率，但最合适的频率被发现是约10千赫，根据探针反应和表面深度。
图9电压幅值与扭矩：原输出拟合传递函数和线性最佳（200转）。误差是0.139%
要评估的适当的频率，测得的输出与转矩和最佳相关性的响应被选择，因为它代表至少在测量值的传播S.然而，频率是不关键的，目前的探针可以成功地操作从约1至20千赫的性能变化较小。图9显示了原始输出与最佳拟合直线的变化的0到900之间的变化，最佳拟合直线的代表最高0.139% fs或一个plusmn;最大测量误差误差之间的扭矩0.697牛米（测得的数据相比）。最佳拟合直线的产生与R2 = 0.994相关。线性最佳拟合曲线：
其中T是[ ]转矩N.m。
该传感器的灵敏度是18.646毫伏/（N.m）。
图9中的传递函数是稍微非线性的，因此一个多项式
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