電渦流位移傳感器檢測車輪外形的研究.docx

電渦流位移傳感器檢測車輪外形的研究李德維，周文祥，涂 軍（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）摘 要：簡單分析了電渦流位移傳感器特性，設計了電渦流位移傳感器標定試驗方案，提供了不同曲率半徑的傳感器標定試驗結果，最后給出了車輪形狀測量試驗的結果與分析。 關鍵詞：電渦流位移傳感器；檢測；車輪；試驗中圖分類號：TM930.12 + 4文獻標識碼：A文章編號：1672- 1187（2005）06- 0031- 03Study on the measur ement of wheels pr ofile with eddy cur r ent sensorLI De- wei，ZHOU Wen- xiang，TU Jun（Traction Power Key Lab，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）Abstr act：Eddy current sensors character is simply analyzed. The calibrating experiment scheme that calibrating module are scanned and measured with the eddy current sensor is devised. The results of the calibration experiment on different measured parts of module with eddy current sensor are presented. Finally the analyse and result of experiment about the wheel profile are turned out.Key wor ds：eddy current sensor；measurement；wheel；experiment車輛段檢修線收入位輪對表面污染嚴重，因此近十余年，一直在進行輪對尺寸自動測量的研究。目前的 方案有三種：（1）采用機械量接觸式電測方案1，2，由于輪對尺寸 基準定位的特殊性，常規(guī)方法很難獲得滿意的性能。（2）采用 CCD 視覺測量方案，得到的光學圖像邊界 受環(huán)境光和表面顏色影響較大，附加設備過多3，4。（3）采用激光位移傳感器掃描的方案5，6，基于 CCD技術的激光位移傳感器精度較高，但價格昂貴。 電渦流位移傳感器有不受金屬表面涂料、油污影響，價格低的優(yōu)點，但有“測量斑”較大的弊端，如何克 服此缺點是一個關鍵問題。在文獻7的基礎上，本文分析了電渦流位移傳感 器的特性，設計了電渦流位移傳感器標定試驗，采用專 門定制的小直徑傳感器，進行系統(tǒng)的標定試驗，以此為 基礎進行了車輪形狀的測試試驗，并提供了相關的測 試結果與誤差原因分析。生的電渦流效應將與被測金屬的距離轉換成一定的線圈阻抗，通過放大器處理得到距離信號。傳感器不受金 屬表面涂料、油、沙塵、水等介質影響，反應快，輸出穩(wěn) 定，可實現(xiàn)非接觸測量。但將它用于形狀測量，首先涉 及用局部表面代替一點的問題，從傳感器原理可知其 輸出依賴于探頭線圈周圍的電磁場分布，為了減小曲 面測量誤差影響，必須研究磁場的作用區(qū)域。（1）電磁場縱向區(qū)域：電渦流位移傳感器靈敏度和 線性度主要受線圈產(chǎn)生的磁場分布情況的影響。對于 被測材料確定的情況，傳感器線圈電感隨傳感器端面 到被測物距離 d 的增加而減小，在比較小的范圍內(nèi)基 本呈線性關系，該范圍大約為線圈直徑的 1/51/3。（2）電磁場橫向區(qū)域：電磁場在線圈半徑 r 方向只 有一定的徑向形成范圍，電渦流隨半徑 r 的變化規(guī)律 見圖 1。從 jr- r 關系曲線看出，在 r = a 處，產(chǎn)生最大的 渦流密度，r a 時隨著 r 增大電流密度減小，當 r =1.8 a 時， 電渦流密度衰減到 5%。因此被測導體相對線圈平面徑 向寬度不應小于線圈外徑的兩倍，如果小于該尺寸則 靈敏度不是常數(shù)，從而引入測量誤差。1電渦流傳感器特性電渦流位移傳感器結構簡單，它借助電磁感應產(chǎn)收稿日期：2005- 06- 21作者簡介：李德維（1979- ），男，在讀碩士研究生，主要從事測控技術及故障診斷方面的研究。-31-電力機車與城軌車輛2005 年第 6 期l1 = l2 =（1）2圖 1 電渦流傳感器2傳感器標定試驗圖 3 電渦流傳感器標定塊為減小“測量斑”的影響，對一個測量范圍達到1.6 mm 且線圈直徑為 3 mm 定制的電渦流位移傳感器 進行標定，試驗裝置如圖 2 所示。該裝置包括光柵尺、 定制的小直徑電渦流傳感器和光電編碼器，微機內(nèi)有 計數(shù)卡、AD 模塊。用手轉動絲桿可使測量頭在橫豎方 向移動。電渦流傳感器固定在測量頭上，可手動繞安裝 軸旋轉，轉角由光電編碼器測定。根據(jù) l1 及其對應 l1 的線性函數(shù)關系，得出被測曲面到電渦流位移傳感器基準點之間的距離 z 與傳感器 輸出電壓 u 之間的關系：凹面 B：zB = 64.654 395 + 0.110 98u（2）同理，可得電渦流位移傳感器在其他幾個對稱面的標定函數(shù)。光滑平面 C：zc = 64.416 805 + 0.105 61u粗糟平面 F：zF = 64.477 89 + 0.115 72 u 凹面 D：zD = 64.696 270 + 0.119 23 u 凸面 A：zA = 64.270 475 + 0.100 44 u 凸面 E：zE = 64.237 715 + 0.100 33 u（3）（4）（5）（6）（7）從式（2）（7）可知，從標定函數(shù)得出的理論值和實際距離相比，在凹面上偏小，而在凸面則偏大。試驗結 果與圖 1 所示的電渦流傳感器原理特性相符。這種情 況可從分布電磁場的平均效應得到定性解釋，傳感器 輸出的電壓是一種平均效應，當測量負曲率的凹面時， 等效的氣隙小于被測點到傳感器端面的距離，其它情 況同樣可以得到解釋。進一步分析看出曲率 ，距離 z 和傳感器輸出電壓 u 之間滿足如下關系式：z = f（2 ， u）。三者關系如圖 4 所示，當輸出電壓小于 - 3 V 時，曲 面接近為平面。因此可得：如果電渦流傳感器輸出電壓圖 2 電渦流傳感器標定試驗裝置專用標定塊如圖 3 所示，其外形曲線考慮了輪輞外形曲線可能遇到的幾種典型的曲率和組合情況。標 定時，標定件不動，移動安裝架使傳感器分別對準不同 曲率點刻線的兩側進行測量，刻線如圖 3 中的 A- A， B- B，D- D，E- E 所示，另外兩對平面只需與傳感器垂 直。記錄傳感器的輸出電壓和測量頭轉軸的位置數(shù)據(jù)。 分別對兩側的數(shù)據(jù)進行擬合，得到傳感器電壓表示的 測量點到轉動軸線的長度。試驗時應注意：（1）傳感器 輸出電壓控制在 - 510 V 之間；（2）采集數(shù)據(jù)前，先調(diào) 整標定塊和測量頭的位置，盡量使電渦流傳感器的軸 線在被測面法向，受條件限制，試驗采用手動調(diào)整。以 刻線 B- B 上的對稱曲面為例，先對左邊曲面采集數(shù) 據(jù)，然后移動測量頭，改變傳感器軸線方向，對右邊的 曲面進行數(shù)據(jù)采集。最后分別對這兩側所采集的數(shù)據(jù) 進行線性擬合，得出傳感器輸出電壓為 0 V 時傳感器 基準點 O1，O2 到被測表面的距離，設 O1，O2 的 x 軸坐 標為 x1，x2，則有：圖 4 電渦流傳感器標定曲線圖-32-x1 - x2- d李德維 等電渦流位移傳感器檢測車輪外形的研究2005 年第 6 期小于 - 3 V，而且被測曲面的曲率不是很大，曲面上的電渦流位移傳感器的標定函數(shù)就可以用平面上的標定 函數(shù)來代替。3輪輞模型測量試驗3.1 測量原理分析測量原理如圖 5 所示：M 點為傳感器上的基準點， N 點表示輪輞表面任一被測點，l1 表示 M 點在傳感器 中軸線方向與被測表面之間的距離，表 示傳感器軸線與 x 軸 的夾角。則被測曲面 上任一點 N 的坐標圖 6 測量誤差分布故式（9）中第 3 項引起的誤差不大于 0.025 3 mm；直徑為 3 mm 的電渦流位移傳感器線性誤差為 3% 4%， 因此傳感器引起的最大誤差小于 0.04 mm。由式（9）得 出測量的總誤差：為：xN = x0 - l1cosyN = y0 - l1sin圖 5 輪輞模板測量原理示意圖xQyQ=0.04+0.025 3 = 0.065 3 mm。（8）由此可見曲率半徑的變化對測量結果影響較大。輪緣部分由幾段曲率半徑不同的圓弧組成，對測量結 果進行補償則必須確定其圓心和半徑，因此可用三點 圓法對輪緣部分的測量結果進行補償。三點圓法為： A（x1，y1），B（x2，y2），C（x3，y3）為圓弧上三個測量點，圓 心為 O（x0，y0），則有：（x- x0）2+（y- y0）2 = R2，其中：根據(jù)模板形狀，確定多個位置的 M 點坐標（xM，yM）和方位角 以及電渦流位移傳感器的輸出電壓便可得 到輪輞踏面上其他點 Ni 的坐標。本裝置的測量誤差由測量機構、傳感器和數(shù)字化 誤差等引起，根據(jù)式（8）可知，被測點 N 的誤差由坐標 點 M 的誤差、電渦流傳感器旋轉角 的誤差、傳感器 的特性誤差以及 l1 的標定誤差引起。它們分別為xM，yM，和l1，設 N 偏差為xN，yN，根據(jù)式（8）的 偏導數(shù)得出最大誤差估計式：22222222（y - y ）（y - y +x - x ）-（y - y ）（y - y +x - x ）x0 =131212121313（11）2（ y1 - y3）（x1 - x2）-（y1 - y2）（x1 - x3）22222222（x - x ）（x - x +y - y ）-（x - x ）（x - x +y - y ）131212121313y0 =（12）2（ x - x ）（y - y ）-（x - x ）（y - y ）13121213xNyN xM+ l1cos + l1sin（9）（10）2210R =（x - x ）+（y - y ）（13）10 yM+ l1sin + l1cos根據(jù)輪緣實際形狀，對 R 在#O$A 方向進行補償，補償結果見圖 6，補償后測量誤差小于 0.073 mm。 以上傳感器的調(diào)整依靠手動目測，如果采用如下自動測量控制策略：使傳感器方向與輸出電壓均保持3.2 試驗結果輪輞掃描測量方案：試驗對象為一個標準車輪踏 面模板，基于車輪型面的復雜性，型面函數(shù)為一個多分 段函數(shù)，因此垂直型面的函數(shù)也是多分段函數(shù)。如果用 完善的測試軟件對型面進行測量，且被測型面在測量 儀器的相對位置固定，則能保證傳感器的軸線在測量 過程中垂直于被測型面。由于試驗中只能手動調(diào)整使 電渦流傳感器，應盡量使其軸線在被測點的法向，且傳 感器輸出電壓在 0 V 附近，這樣就得到輪廓曲線的一 個測點數(shù)據(jù)。結果如圖 6 所示。測量偏差在平面上較 小，曲面上較大，最大測量誤差出現(xiàn)在輪緣內(nèi)側部分， 最大偏差為 0.226 mm。從式（9）分析測量誤差：由于 xM ，yM 和 分別由光柵 尺 和 光 電 編 碼 器 測 量 ，光 柵 尺 的 測 量 精 度 為0.005 mm，AD 模塊的精度為0.1%，它引起的誤差小 于 0.002 mm，所以這兩項引起的誤差可以忽略。光電 編碼器的精度為 3.1410- 4 rad，l1 在 60 80 mm 之間，22不變，作微動平移距離l = x +y，其中x，y 分別為 x 方向和 y 方向上兩點間的增量，把長為l 的小段弧線看作一段直線，則這段直線與 x 軸的夾角為 = a tan（yx ），然后根據(jù) 調(diào)整傳感器的軸線方向。通過此方式，測量過程中傳感器軸線方向將更接近在被測點法線方向，測量誤差將減小。4結論（1）傳感器的標定值與實際值相比，在正曲率曲面上偏大，在負曲率曲面上偏小，這種偏差隨檢測距離的 縮小而減小。（2）直徑為 3 mm 的電渦流位移傳感器可以按平面標定函數(shù)檢測車輪外形曲線，（下轉第 37 頁）-33-曾海云 等35CrMo 車軸疲勞裂紋超聲波檢測工藝方法2005 年第 6 期探傷。從現(xiàn)場探傷可以看到 4 大格以后有大量反射波，在這些反射波中第 4.1 格波是 487 mm 圓弧處臺階反 射波，其成因為扇形主聲束散射所致，而且該反射波在 現(xiàn)場探傷可以作定位參考波和透聲探傷檢測時的輔助 探傷。以上試驗結果及分析表明：（1）采用小角度縱波探傷工藝方法，可以在不退輪 情況下分別檢測出內(nèi)、外側疲勞裂紋。（2）對內(nèi)側鑲入部位疲勞裂紋區(qū)進行探傷時，可以 選用 6，7小角度探頭，但最好選用 7小角度探頭；探 傷時調(diào)整儀器，將試塊車軸 467 mm 處人工裂紋水平 調(diào)至 4 格，波幅調(diào)至 80%后，對待測車軸進行探傷，探 傷時主要觀察 4 格附近的反射波。（3）對外側鑲入部位疲勞裂紋區(qū)進行探傷時，選用9小角度探頭，探傷時調(diào)整儀器，將試塊車軸 315 mm 處人工裂紋水平調(diào)至 3 格，波幅 80%后，對待測車軸進 行探傷，探傷時主要觀察 3 格附近的反射波。（3）斜探頭探傷時，同等探傷條件下，2 mm 深人工裂紋反射波比 1 mm 人工裂紋反射波高 6 dB 左右。 從探傷聲壓計算基本公式也可以計算出深度相差一倍時，其波幅相差 6 dB，現(xiàn)場試驗結果與理論計算 值相差不大。5結論綜上試驗及結果分析，可以得出以下結論：（1）完全不退輪情況下（在役運行檢測），采用小角 度縱波探傷工藝方法可以分別檢測出內(nèi)、外側疲勞裂 紋。探傷時可用 6，7小角度探頭對輪對內(nèi)側鑲入部 進行探傷，最好選用 7小角度探頭進行探傷；9小角 度探頭對外側鑲入部進行探傷，調(diào)節(jié)探傷靈敏度時將 實物車軸試塊的人工缺陷波調(diào)至 80%，水平位置置于 適當位置（如內(nèi)側置于 4 格，外側置于 3 格）。（2）在半退輪情況下（工廠大修檢測），退輪部位輪 座采用磁粉探傷；由于不退輪部位空心軸和軸箱都已 退出，采用斜探頭探傷可以分別檢測出內(nèi)、外側疲勞裂 紋。探傷時可以采用 2.5PK1 9X9 斜探頭，以機油為耦 合劑，分別在軸身和軸頸上對內(nèi)、外側鑲入部進行超聲 波探傷，亦可采用上述第 1 條探傷條件進行超聲波探 傷。（3）探傷時調(diào)整水平距離和探傷靈敏度可以直接 在實物車軸試塊上進行近似調(diào)節(jié)，也可以在 TZS- R 試 塊上進行調(diào)節(jié)，但探傷靈敏度以實物車軸試塊上的調(diào) 節(jié)為準。（4）在適當?shù)臈l件下 2 種探傷方法可以結合使用， 以便于準確判傷。4缺陷的定量分析一般而言，疲勞裂紋不是由單一的疲勞源產(chǎn)生，而是由許多腐蝕空穴各自獨立發(fā)展，最后相互連接而成， 因此裂紋一旦形成，其長度都遠遠大于其深度；深度的 微小變化將引起裂紋面積的較大變化，因此，一般只要 裂紋長度不短于 50 mm（橫波不短于 30 mm），就對檢 測影響不大。通過現(xiàn)場對 0.5，1，2 mm 等各種不同深度 人工缺陷的探傷對比試驗，試驗結果表明：（1）在同等探傷條件下，外側比內(nèi)側裂紋波幅高22 dB，在實際探傷時以實物車軸試塊上 315 mm 處人 工裂紋調(diào)節(jié)為準。（2）小角度探頭探傷時，同等探傷條件下，2 mm 深 人工裂紋反射波比 1 mm 人工裂紋反射波高 5 dB 左右。參考文獻：1 李家偉，陳積懋. 無損檢測手冊M. 北京：機械工業(yè)出版社，2001.!（