電渦流位移傳感器檢測(cè)車輪外形的研究.docx

電渦流位移傳感器檢測(cè)車輪外形的研究李德維，周文祥，涂 軍（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）摘 要：簡(jiǎn)單分析了電渦流位移傳感器特性，設(shè)計(jì)了電渦流位移傳感器標(biāo)定試驗(yàn)方案，提供了不同曲率半徑的傳感器標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果，最后給出了車輪形狀測(cè)量試驗(yàn)的結(jié)果與分析。 關(guān)鍵詞：電渦流位移傳感器；檢測(cè)；車輪；試驗(yàn)中圖分類號(hào)：TM930.12 + 4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(duì)表面污染嚴(yán)重，因此近十余年，一直在進(jìn)行輪對(duì)尺寸自動(dòng)測(cè)量的研究。目前的 方案有三種：（1）采用機(jī)械量接觸式電測(cè)方案1，2，由于輪對(duì)尺寸 基準(zhǔn)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(jué)測(cè)量方案，得到的光學(xué)圖像邊界 受環(huán)境光和表面顏色影響較大，附加設(shè)備過(guò)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(shù)的激光位移傳感器精度較高，但價(jià)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(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但有“測(cè)量斑”較大的弊端，如何克 服此缺點(diǎn)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在文獻(xiàn)7的基礎(chǔ)上，本文分析了電渦流位移傳感 器的特性，設(shè)計(jì)了電渦流位移傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，采用專 門(mén)定制的小直徑傳感器，進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定試驗(yàn)，以此為 基礎(chǔ)進(jìn)行了車輪形狀的測(cè)試試驗(yàn)，并提供了相關(guān)的測(cè) 試結(jié)果與誤差原因分析。生的電渦流效應(yīng)將與被測(cè)金屬的距離轉(zhuǎn)換成一定的線圈阻抗，通過(guò)放大器處理得到距離信號(hào)。傳感器不受金 屬表面涂料、油、沙塵、水等介質(zhì)影響，反應(yīng)快，輸出穩(wěn) 定，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。但將它用于形狀測(cè)量，首先涉 及用局部表面代替一點(diǎn)的問(wèn)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(chǎng)分布，為了減小曲 面測(cè)量誤差影響，必須研究磁場(chǎng)的作用區(qū)域。（1）電磁場(chǎng)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(chǎng)分布情況的影響。對(duì)于 被測(cè)材料確定的情況，傳感器線圈電感隨傳感器端面 到被測(cè)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(guān)系，該范圍大約為線圈直徑的 1/51/3。（2）電磁場(chǎng)橫向區(qū)域：電磁場(chǎng)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(jiàn)圖 1。從 jr- r 關(guān)系曲線看出，在 r = a 處，產(chǎn)生最大的 渦流密度，r a 時(shí)隨著 r 增大電流密度減小，當(dāng) r =1.8 a 時(shí)， 電渦流密度衰減到 5%。因此被測(cè)導(dǎo)體相對(duì)線圈平面徑 向?qū)挾炔粦?yīng)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(cè)量誤差。1電渦流傳感器特性電渦流位移傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它借助電磁感應(yīng)產(chǎn)收稿日期：2005- 06- 21作者簡(jiǎn)介：李德維（1979- ），男，在讀碩士研究生，主要從事測(cè)控技術(shù)及故障診斷方面的研究。-31-電力機(jī)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(biāo)定試驗(yàn)圖 3 電渦流傳感器標(biāo)定塊為減小“測(cè)量斑”的影響，對(duì)一個(gè)測(cè)量范圍達(dá)到1.6 mm 且線圈直徑為 3 mm 定制的電渦流位移傳感器 進(jìn)行標(biāo)定，試驗(yàn)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(jī)內(nèi)有 計(jì)數(shù)卡、AD 模塊。用手轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿可使測(cè)量頭在橫豎方 向移動(dòng)。電渦流傳感器固定在測(cè)量頭上，可手動(dòng)繞安裝 軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角由光電編碼器測(cè)定。根據(jù) l1 及其對(duì)應(yīng) l1 的線性函數(shù)關(guān)系，得出被測(cè)曲面到電渦流位移傳感器基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離 z 與傳感器 輸出電壓 u 之間的關(guān)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(gè)對(duì)稱面的標(biāo)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(biāo)定函數(shù)得出的理論值和實(shí)際距離相比，在凹面上偏小，而在凸面則偏大。試驗(yàn)結(jié) 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(chǎng)的平均效應(yīng)得到定性解釋，傳感器 輸出的電壓是一種平均效應(yīng)，當(dāng)測(cè)量負(fù)曲率的凹面時(shí)， 等效的氣隙小于被測(cè)點(diǎn)到傳感器端面的距離，其它情 況同樣可以得到解釋。進(jìn)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(guān)系式：z = f（2 ， u）。三者關(guān)系如圖 4 所示，當(dāng)輸出電壓小于 - 3 V 時(shí)，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(biāo)定試驗(yàn)裝置專用標(biāo)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(biāo) 定時(shí)，標(biāo)定件不動(dòng)，移動(dòng)安裝架使傳感器分別對(duì)準(zhǔn)不同 曲率點(diǎn)刻線的兩側(cè)進(jìn)行測(cè)量，刻線如圖 3 中的 A- A， B- B，D- D，E- E 所示，另外兩對(duì)平面只需與傳感器垂 直。記錄傳感器的輸出電壓和測(cè)量頭轉(zhuǎn)軸的位置數(shù)據(jù)。 分別對(duì)兩側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到傳感器電壓表示的 測(cè)量點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的長(zhǎng)度。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)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(biāo)定塊和測(cè)量頭的位置，盡量使電渦流傳感器的軸 線在被測(cè)面法向，受條件限制，試驗(yàn)采用手動(dòng)調(diào)整。以 刻線 B- B 上的對(duì)稱曲面為例，先對(duì)左邊曲面采集數(shù) 據(jù)，然后移動(dòng)測(cè)量頭，改變傳感器軸線方向，對(duì)右邊的 曲面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最后分別對(duì)這兩側(cè)所采集的數(shù)據(jù) 進(jìn)行線性擬合，得出傳感器輸出電壓為 0 V 時(shí)傳感器 基準(zhǔn)點(diǎn) O1，O2 到被測(cè)表面的距離，設(shè) O1，O2 的 x 軸坐 標(biāo)為 x1，x2，則有：圖 4 電渦流傳感器標(biāo)定曲線圖-32-x1 - x2- d李德維 等電渦流位移傳感器檢測(cè)車輪外形的研究2005 年第 6 期小于 - 3 V，而且被測(cè)曲面的曲率不是很大，曲面上的電渦流位移傳感器的標(biāo)定函數(shù)就可以用平面上的標(biāo)定 函數(shù)來(lái)代替。3輪輞模型測(cè)量試驗(yàn)3.1 測(cè)量原理分析測(cè)量原理如圖 5 所示：M 點(diǎn)為傳感器上的基準(zhǔn)點(diǎn)， N 點(diǎn)表示輪輞表面任一被測(cè)點(diǎn)，l1 表示 M 點(diǎn)在傳感器 中軸線方向與被測(cè)表面之間的距離，表 示傳感器軸線與 x 軸 的夾角。則被測(cè)曲面 上任一點(diǎn) N 的坐標(biāo)圖 6 測(cè)量誤差分布故式（9）中第 3 項(xiàng)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(cè)量的總誤差：為：xN = x0 - l1cosyN = y0 - l1sin圖 5 輪輞模板測(cè)量原理示意圖xQyQ=0.04+0.025 3 = 0.065 3 mm。（8）由此可見(jiàn)曲率半徑的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。輪緣部分由幾段曲率半徑不同的圓弧組成，對(duì)測(cè)量結(jié) 果進(jìn)行補(bǔ)償則必須確定其圓心和半徑，因此可用三點(diǎn) 圓法對(duì)輪緣部分的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。三點(diǎn)圓法為： A（x1，y1），B（x2，y2），C（x3，y3）為圓弧上三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，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(gè)位置的 M 點(diǎn)坐標(biāo)（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(diǎn) Ni 的坐標(biāo)。本裝置的測(cè)量誤差由測(cè)量機(jī)構(gòu)、傳感器和數(shù)字化 誤差等引起，根據(jù)式（8）可知，被測(cè)點(diǎn) N 的誤差由坐標(biāo) 點(diǎn) M 的誤差、電渦流傳感器旋轉(zhuǎn)角 的誤差、傳感器 的特性誤差以及 l1 的標(biāo)定誤差引起。它們分別為xM，yM，和l1，設(shè) N 偏差為xN，yN，根據(jù)式（8）的 偏導(dǎo)數(shù)得出最大誤差估計(jì)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(shí)際形狀，對(duì) R 在#O$A 方向進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果見(jiàn)圖 6，補(bǔ)償后測(cè)量誤差小于 0.073 mm。 以上傳感器的調(diào)整依靠手動(dòng)目測(cè)，如果采用如下自動(dòng)測(cè)量控制策略：使傳感器方向與輸出電壓均保持3.2 試驗(yàn)結(jié)果輪輞掃描測(cè)量方案：試驗(yàn)對(duì)象為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)車輪踏 面模板，基于車輪型面的復(fù)雜性，型面函數(shù)為一個(gè)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(cè)試軟件對(duì)型面進(jìn)行測(cè)量，且被測(cè)型面在測(cè)量 儀器的相對(duì)位置固定，則能保證傳感器的軸線在測(cè)量 過(guò)程中垂直于被測(cè)型面。由于試驗(yàn)中只能手動(dòng)調(diào)整使 電渦流傳感器，應(yīng)盡量使其軸線在被測(cè)點(diǎn)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(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。結(jié)果如圖 6 所示。測(cè)量偏差在平面上較 小，曲面上較大，最大測(cè)量誤差出現(xiàn)在輪緣內(nèi)側(cè)部分， 最大偏差為 0.226 mm。從式（9）分析測(cè)量誤差：由于 xM ，yM 和 分別由光柵 尺 和 光 電 編 碼 器 測(cè) 量 ，光 柵 尺 的 測(cè) 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(xiàng)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(dòng)平移距離l = x +y，其中x，y 分別為 x 方向和 y 方向上兩點(diǎn)間的增量，把長(zhǎng)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(guò)此方式，測(cè)量過(guò)程中傳感器軸線方向?qū)⒏咏诒粶y(cè)點(diǎn)法線方向，測(cè)量誤差將減小。4結(jié)論（1）傳感器的標(biāo)定值與實(shí)際值相比，在正曲率曲面上偏大，在負(fù)曲率曲面上偏小，這種偏差隨檢測(cè)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(biāo)定函數(shù)檢測(cè)車輪外形曲線，（下轉(zhuǎn)第 37 頁(yè)）-33-曾海云 等35CrMo 車軸疲勞裂紋超聲波檢測(cè)工藝方法2005 年第 6 期探傷。從現(xiàn)場(chǎng)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(tái)階反 射波，其成因?yàn)樯刃沃髀暿⑸渌拢以摲瓷洳ㄔ?現(xiàn)場(chǎng)探傷可以作定位參考波和透聲探傷檢測(cè)時(shí)的輔助 探傷。以上試驗(yàn)結(jié)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(cè)出內(nèi)、外側(cè)疲勞裂紋。（2）對(duì)內(nèi)側(cè)鑲?cè)氩课黄诹鸭y區(qū)進(jìn)行探傷時(shí)，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(shí)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(duì)待測(cè)車軸進(jìn)行探傷，探 傷時(shí)主要觀察 4 格附近的反射波。（3）對(duì)外側(cè)鑲?cè)氩课黄诹鸭y區(qū)進(jìn)行探傷時(shí)，選用9小角度探頭，探傷時(shí)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(duì)待測(cè)車軸進(jìn) 行探傷，探傷時(shí)主要觀察 3 格附近的反射波。（3）斜探頭探傷時(shí)，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(jì)算基本公式也可以計(jì)算出深度相差一倍時(shí)，其波幅相差 6 dB，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算 值相差不大。5結(jié)論綜上試驗(yàn)及結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：（1）完全不退輪情況下（在役運(yùn)行檢測(cè)），采用小角 度縱波探傷工藝方法可以分別檢測(cè)出內(nèi)、外側(cè)疲勞裂 紋。探傷時(shí)可用 6，7小角度探頭對(duì)輪對(duì)內(nèi)側(cè)鑲?cè)氩?進(jìn)行探傷，最好選用 7小角度探頭進(jìn)行探傷；9小角 度探頭對(duì)外側(cè)鑲?cè)氩窟M(jìn)行探傷，調(diào)節(jié)探傷靈敏度時(shí)將 實(shí)物車軸試塊的人工缺陷波調(diào)至 80%，水平位置置于 適當(dāng)位置（如內(nèi)側(cè)置于 4 格，外側(cè)置于 3 格）。（2）在半退輪情況下（工廠大修檢測(cè)），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(cè)出內(nèi)、外側(cè)疲勞裂 紋。探傷時(shí)可以采用 2.5PK1 9X9 斜探頭，以機(jī)油為耦 合劑，分別在軸身和軸頸上對(duì)內(nèi)、外側(cè)鑲?cè)氩窟M(jìn)行超聲 波探傷，亦可采用上述第 1 條探傷條件進(jìn)行超聲波探 傷。（3）探傷時(shí)調(diào)整水平距離和探傷靈敏度可以直接 在實(shí)物車軸試塊上進(jìn)行近似調(diào)節(jié)，也可以在 TZS- R 試 塊上進(jìn)行調(diào)節(jié)，但探傷靈敏度以實(shí)物車軸試塊上的調(diào) 節(jié)為準(zhǔn)。（4）在適當(dāng)?shù)臈l件下 2 種探傷方法可以結(jié)合使用， 以便于準(zhǔn)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(dú)立發(fā)展，最后相互連接而成， 因此裂紋一旦形成，其長(zhǎng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǎng)度不短于 50 mm（橫波不短于 30 mm），就對(duì)檢 測(cè)影響不大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì) 0.5，1，2 mm 等各種不同深度 人工缺陷的探傷對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）在同等探傷條件下，外側(cè)比內(nèi)側(cè)裂紋波幅高22 dB，在實(shí)際探傷時(shí)以實(shí)物車軸試塊上 315 mm 處人 工裂紋調(diào)節(jié)為準(zhǔn)。（2）小角度探頭探傷時(shí)，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(xiàn)：1 李家偉，陳積懋. 無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.!（