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转轴扭矩的涡流检测
摘要 机器轴中的非接触式扭矩测量是基于轴上压合的磁弹性套筒所产生的应力以及由于应力的存在导致的电导率和磁导率的变化的涡流感应来完成的。涡流探头采用双驱动、双感应线圈，其目的是提高对扭矩的敏感度、降低探头和轴之间的离地距离变化的灵敏度，还应用了保持距离常数不变的机制。探头和磁弹性套筒的性能通过使用标准涡流仪来进行评定。涡流仪也用于驱动线圈和分析扭矩数据。上述方法和传感器在各种应用程序中广泛使用。该传感器适用于静止轴或转轴，与轴径无关，并可在大范围的扭矩下运行。扭矩传感器采用差分涡流测量，可消除包括温度和振动在内的共模效应。
关键词 扭矩传感器、涡流测量、磁弹性材料
1 介绍
扭矩感应在商业上的各种方法和传感器已得到的相当大的关注。扭矩感应通常需要两个独立的功能。其中第一个是由于扭矩的感应引起的应力，该扭矩要么在单独的部件中，要么在感测扭矩的装置的部件中，例如机器的轴。第二个功能是传感器本身，能够量化压力或自身作用。这两种功能可以通过已经提出的方法来实现。产生扭矩引起的应力的最简单方法之一是使用薄金属轴并使其外表面上的剪切应变作为扭矩的量度。
通过测量铁磁轴的轴表面，应力对电导率和磁导率的影响可以直接使用。通过一些特殊方法可以提高灵敏度，如在轴周围引入浅槽，与主应力方向正确对齐等。在此之外，由于周围的特性不同，电导率和磁导率测量值取平均值。另一种方法是使用两个磁致伸缩套筒，沿相反方向进行圆形磁化，并检测磁化矢量，会得到磁导率和应力的函数。或者，可以使用这些没有磁化的套管感应导电率或渗透率的变化。在非磁性轴中，可以使用两个磁致伸缩薄膜条，与最大应变方向对齐，并如上所述检测传导率的变化。上述方法还有许多其他变体。这些方法都是建立在由轴或连接构件的扭转产生的应变/应力会致使导电率和渗透率产生变化的基础上。在与杆身一体的磁弹性套筒中，杆身本身可能会产生应力。
检测扭矩的最常用方法是使用应变仪，光学、磁性或涡流传感器。
应变仪几乎在所有情况下都可以测量由扭矩产生的应变。使用应变仪时，这些应变仪直接附着在应变部件的最大应变方向上（如与主轴成plusmn;45°）。通常情况下，应变仪连接在一个桥梁配置，以补偿温度和振动产生的损失。对于轴的应用，信号必须通过旋转变压器传输，传感器相当复杂。必须通过此变压器传输功率和电桥输出。在光学系统中，在轴上两个不同位置处的开槽盘和由于扭转差异引起的槽的位移的典型配置与扭矩有关。使用交替的白色/黑色涂漆条和使用反射光可以实现类似的效果。尽管传感器的光学系统在简便性和减噪方面比较出众，但灰尘和污垢的影响严重，已经成为工业环境中一个严重的问题。
转矩的磁感受到了相当多的关注，而且已经应用在许多配置上。上述使用了两个被环形磁化的弹性套筒固定在轴上。霍尔元件在两个180°的位置上放置在套筒旁边。在没有扭矩的情况下，霍尔元件的输出为零。当施加扭矩时，套筒磁化变为椭圆形并且两个传感器的输出发生变化。两者之间的差值是扭矩的量度。差分输出也有助于降低温度变动和传感器中的噪声。另一种感应形式则是使用单个磁弹性套筒和差动变压器，使其通量通过套筒闭合。初级线圈产生磁通，两个差分连接的线圈用作传感器。通常情况下，套筒的渗透率是恒定的，两个线圈感应的电动势也是相同的，所以输出为零。在扭矩存在的情况下，应力套管在不同位置具有不同的渗透率。线圈的位置是通过通量关闭通过不同的路径，因此每个位置都会产生不同的感应电压。磁阻也被用于转矩测量。基本思想是，随着扭矩的增加，构件的扭转可以将两个单独的磁性部件靠得更近（或进一步分开）。磁阻可以作为扭矩的量度。一个特殊的结构采用了两个齿环，这样在没有扭矩的情况下，齿能够更对中且它们之间的间隙是恒定的和均匀的。两个环轴向固定在两个不同的位置，这样轴上的扭矩就会改变磁阻。使用两个线圈，以便在没有转矩的情况下它们的电动势之间的差值为零（或几乎为零），然后电动势随着所施加的转矩而增加。
使用涡流检测扭矩的最常用方法是采用两个环绕线圈，以及一对非磁性狭缝开口套筒，这些套筒上下相互缝合并在无扭矩情况下对齐。当套筒在无扭矩条件下对齐时，套筒起到衰减磁场的作用。随着轴的扭转，狭槽相对于彼此移动增加了损耗（衰减）。场的衰减与扭矩成正比，因此涡流线圈的差动阻抗是扭矩的直接指示。在这些方法中，线圈环绕轴使得其静止。涡流检测的是基于轴的磁导率和导电率或者所装配的磁致伸缩环在圆周周围发生变化这一事实来进行的。多个涡流线圈围绕轴圆周布置，用作简单接近传感器，以固定频率驱动。监测线圈的阻抗，从轴周围的分布可以推断出扭矩。
该方法使用紧密压配在轴上的C250马氏体时效钢（18％Ni，8.5％Co，5％Mo，0.4％Ti，0.1％Al）套筒。扭转轴将应力传递给套筒，并在套筒中产生相互成90°的张力和压力（见图1a）。两个固定的非接触式涡流探头以90°的角度相互套在一起，这样一个线圈就可以感知压缩的金属，另一个线圈则处于拉紧状态。由于使用的钢材表现出正向的维拉里效应，局部渗透率在拉伸阶段增加、在压缩阶段下降（图1b），这会改变两个线圈的感应涡流，从而改变线圈中的感应电动势。由于线圈处于差分状态，在没有扭矩的情况下，通过传感器测量的电动势在零输出的情况下随着扭矩而增加。
图1扭矩感测方法 a、扭矩作用在磁弹性套筒上的拉力和压力线。 b、通过两个涡流探头的方向来感测渗透率的变化。 每个探头中的传感线圈串联连接
测量系统的开发包括多个步骤，每个步骤对系统的最终结果和性能都很重要。首先要进行马氏体钢套的涡流评估，其性能对于传感系统的整体性能的影响十分关键。配置在差分探头中的涡流线圈将会在下面进行详细描述。特别要注意结果的可重复性，并注意解决涡流探头相对于旋转套筒的脱离问题，任何在探头和套筒之间距离的变化都会导致输出发生变化，从而导致转矩读数的误差。结合以上各点，使用商用涡流仪来驱动线圈，测量感应电动势并分析输出。这样可以避免由于相关电子元件引起的系统误差而导致的系统故障，此外，该仪器还用于评估探头和马氏体时效钢套筒。
2 探索性涡流探针
这个初步评估的目的是双重的。首先，确定传感器的工作参数是最重要的。这包括工作频率，现场级别和探头可接受的升程。其次，处理测试给出预期的敏感性和待处理的错误的指示。测试是通过在专门构建的装置上使用静态扭矩和使用商用涡流仪器完成的。评估的另一方面是评估涡流仪本身，解决信号的直流偏移和谐波对性能的影响。频率响应评估则包括两个重要的特征。根据探头响应的实部和虚部（在此称为x和y分量）具有与频率不同的特性这一事实，人们试图确定传感器的“最佳”频率。评估的第二部分试图确定直流电流偏移对输出信号的影响，目的是获得最大灵敏度。为了执行这些测试，开发出了如图1和2所示的探索性探针。探头包括位于探头中心的驱动线圈和位于探头顶端的两个拾音线圈。在实际实施中（图3a），驱动线圈和每个拾音线圈都被分成两部分。图2b显示驱动和拾音线圈与涡流仪器的连接方法，显示了如何驱动分离驱动线圈以及如何将拾音线圈连接到放大器和信号调理级。励磁线圈由36匝组成，最大电流可达1.4 A rms。每个拾波线圈由150匝组成，并靠近探头的尖端放置。探针的核心是层压的，并且该组件被环氧树脂封装以获得用于测试的实际装置，如图3b所示。探针的每个极的横截面为3mmtimes;1.5mm，宽度为11mm，探针长度为24mm。核心材料是SuperPerm-49。其组成由0.02％C，0.50％Mn，0.35％Si，48.00％Ni和51.13％Fe组成。该材料已被设计用于仪器变压器，磁屏蔽和在低磁化力下要求高磁导率值的应用的叠片磁芯。
表1显示了探针的最终相关特性。
图2 a、涡流线圈的原理显示的驱动线圈和两个传感线圈 b、驱动和感应框图 注意分离驱动线圈和驱动线圈和感应线圈中的电动势方向
图3 a、显示叠片，驱动线圈和两个感应线圈的伤口涡流探头分别分成两部分 b、已完成的盆栽和成形探测器的细节。核心的尖端可以看作是底部的最低和第三个矩形。
表1探测性探头的电性能
3 C-250马氏体时效钢涡流评估
马氏体时效钢套的评估从适当的频率开始进行测试。使用2 Hz至128 kHz的频率范围，故应用一系列扭矩值并记录涡流探头响应。探头放置在与轴呈不同角度，探头沿着压缩线和张力线（45°和135°）排列的代表性结果如图所示。在评估中，试图找到优化输出的单一工作频率，从而优化整体传感器的灵敏度。这一过程很重要，因为线圈既有实部也有虚部，不能独立地最大化，它们的最大值出现在不同的频率上。图4显示了线圈固定剥离时最大归一化线圈电动势相对于频率（实际，虚数和大小）的变化。电动势峰值的实际部分约为16 kHz，但虚部随频率降低，这是涡流测试中的典型效应。在这种情况下的归一化意味着在测试频率下，阻抗相对于线圈在空气中的线圈电抗被归一化。图5显示了探头响应4 kHz和16 kHz时的转矩，再次显示了实际，虚拟和绝对归一化值。图6显示了1 kHz的响应。灵敏度在1kHz时最大，其次是4kHz，然后是16kHz。对这些结果进行了其他角度的评估，更具体地在45°，但也在0°和90°。逐降的频率可以提供足够的灵敏度。但是，这些频率是针对特定探头的，并且与线圈的电感有关。对探针的任何修改都会改变其性能和灵敏度。虽然图6所示的信号似乎比4 kHz和16 kHz的线性要低，但在所有角度情况并非如此。灵敏度被认为是最重要的，因此选择1 kHz作为工作频率。另外，多次测量显示所得信号的扩散。出于这个原因，使用线性最佳拟合或多项式拟合进一步处理信号以获得探针的响应（参见关于结果的第4节）。
需要仔细评估的另一个探头特性是升程对探头响应的影响，以及对转矩读数的影响。要做到这一点，反应则需在不同的频率下测量。随着频率的降低，效应增加，如图7所示。显然，由于升力引起的电动势的变化可以被解释为是由于转矩引起的，反之亦然。这意味着消除或者严格控制升力在较低的频率下是至关重要的。由于在较低频率下灵敏度较高，因此提升控制问题是本传感器发展的一个组成部分。
图4 涡流探头响应频率显示实部（135P_DVx_max曲线），虚部（135P_DVy_max曲线）和电动势的大小（135P_DVs_max曲线）
图5 涡流探头响应，扭矩在4和16 kHz。 实线是适合测量数据的多项式。 Vxn代表真实的参数，Vyn代表虚部，Vsn代表量值
基于探索性探针及其性能和对恒定间隙测量的需要，设计并重新评估包含彼此以90°布置的两个线圈的单个探针。图8a显示了一个探针。驱动线圈分成两部分，包含40匝（见表2），感应线圈每部分包含150匝。驱动线圈已经靠近传感线圈移动，以缩短探头的总长度。核心与探索线圈的核心相似，但是它稍微更厚，两极分开得更远。这些变化减少了探头的电感，因此探头的最大灵敏度更高，大约为10 kHz。电性能如表2所示。其中两个探头放在一起，彼此对齐90°（外壳如图8b所示），以便一个探头沿着压缩线传感，而另一个探头在张力线上传感。图8c显示了完整的探头，连接到一个连接器上。探头铁探头可以在探头的右下方看到
图6 涡电流探头响应1 kHz时的扭矩表现出最高的灵敏度。频率被选为传感器的基本频率
图7在各种频率下提升对涡流探头响应的影响。连接测量点的实线通过多项式拟合获得。
图如上所示，设计中的重点是探头与马氏体时效钢环之间的气隙。为了解决这个问题，将探头安装在一个圆形外壳中，该外壳包含两个轴承，每个轴套两侧各有一个轴承，以便探头固定，而轴套随轴旋转。气隙在轴承公差范围内保持不变。图8d显示了轴上的探针组件。
图8 a、带分裂驱动线圈和分离传感线圈的改进型探头 b、两个探头的探头外壳相互成90° c、完成探头灌封并连接到涡流仪器 d、完整安装在轴上的恒定间隙外壳中的探头
表2 恒定间隙双传感器探头的性能
实际上，每个涡流线圈（由一个驱动器和两个如图8a所示的拾波线圈组成）是一个可变磁阻变压器，因此磁阻变化是由于扭矩引起的。这种情况下的可变磁阻由扭矩导致的磁导率变化提供。测量方法如图2b所示，其显示了线圈和传感器基本元件的连接。桥接连接消除了由于没有检测量的驱动线圈而在线圈上产生的感应电压，而解调器和滤波器将电动势转换为直流电平。两个探头的输出在涡流仪内部相加，产生与转矩成比例的电动势。
4 结果
传感器可以在各种频率下驱动，但经由探头响应和趋肤深度的测试，发现最合适的频率约为10 kHz。为了评估适当的频率，测量的输出应与扭矩相关联，并应选择具有最佳相关性的响应，它代表了测量值中的最小传播。尽管如此，频率并不重要，目前的探头可以在1至20 kHz的频率范围内成功运行，但性能稍有改变。图9显示了原始输出以及扭矩在0和900 之间变化的线性最佳拟合。线性最佳拟合代表最大线性最佳拟合曲线是：
图9 电压幅值（| AM |）与转矩的关系：原始输出和线性最佳拟合传递函数（200 rpm）。 误差是0.139％FS
V = - 0.386337 0.0186461 T [V]
其中T是扭矩，单位。
因此传感器的灵敏度为18.646 mV /（）。
图9中的传递函数略微非线性，因此多项式拟合更合适，尤其是在需要更高精度的情况下。 图10显示了与三阶多项式拟合相同的结果。传递函数是：
灵敏度可以直接计算如下：
图10 电压幅值与转矩：原始输出和三阶多项式拟合传递函数（200 rpm）。 误差是0.065％FS
图 11 滞后误差 最大误差约为0.016％FS
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