基于球?qū)ΨQ的交流電磁感應環(huán)型陣列器原理研究

扭矩是反映機械傳動系統(tǒng)性能的最典型的機械量之一。通過扭矩分析，可提取有效反映機械主軸動態(tài)特性變化的轉(zhuǎn)角、振角、角加速度等主要特征參量。利用合適的扭矩傳感器及測量方法，對機械傳動系統(tǒng)的扭矩進行實時監(jiān)測，對于保障整個傳動系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運行具有十分重要的意義，是國內(nèi)外學者關(guān)注的研究熱點之一。但目前國內(nèi)外對強沖擊、高溫、腐蝕、強振動等極端惡劣環(huán)境下機械傳動主軸系統(tǒng)的扭矩測量仍無有效檢測方法，無法滿足航空航天、船舶、鉆井、發(fā)電設備和鐵路機車等領域的迫切需求。 針對上述問題，重慶大學光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，在國家自然科學基金的資助（項目批準號：50079032）下，在提出一種全新的，極端環(huán)境下的非接觸式機械主軸扭矩實時測量原理思想的基礎上，重點圍繞球?qū)ΨQ交流電磁感應環(huán)型陣列原理、扭矩傳感器及扭矩測量系統(tǒng)的關(guān)鍵科學問題與技術(shù)難點開展了深入而系統(tǒng)的研究，較好的完成預期研究目標，并取得以下主要研究成果： 1. 通過對球?qū)ΨQ交流電磁感應環(huán)型陣列器的原理研究，建立了球?qū)ΨQ交流電磁感應環(huán)型空間陣列模型，進行了結(jié)構(gòu)排列仿真及陣列效率實驗分析，對球?qū)ΨQ特性和交流電磁感應環(huán)型空間陣列原理進行了驗證，為實現(xiàn)基于球?qū)ΨQ特性和交流電磁感應的新型非接觸式扭矩測量原理研究，提供了重要理論參考依據(jù)。 2. 在建立球?qū)ΨQ交流電磁感應環(huán)型空間陣列理論模型及分析研究基礎上，設計并研制出了交流電磁感應扭矩傳感器，實現(xiàn)了基于球?qū)ΨQ交流電磁感應環(huán)型陣列器原理的扭矩測量的理論預測。 3. 建立了基于球?qū)ΨQ的交流電磁感應環(huán)型陣列器原理的扭矩測量系統(tǒng)，進行了極端環(huán)境下的機械主軸傳動系統(tǒng)動態(tài)特性測量實驗，達到預期目標。 該研究是對傳統(tǒng)扭矩測量方法的突破，對促進機械主軸傳動系統(tǒng)新型扭矩測量傳感器的研究與測量理論和方法的進步，推動機械主軸傳動系統(tǒng)制造國產(chǎn)化相關(guān)基礎科學研究的發(fā)展，具有重大的科學意義和十分廣闊的應用前景。在國內(nèi)外權(quán)威期刊和國際學術(shù)會議上已發(fā)表高質(zhì)量學術(shù)論文15篇，其中SCI檢索2篇，EI檢索4篇；申請中國發(fā)明專利3件，獲權(quán)2件；完成了一部系統(tǒng)論述環(huán)型空間陣列傳感器測量方法與原理的專著，待出版；完成了機械主軸系統(tǒng)動態(tài)特性測量和故障診斷的系統(tǒng)軟件設計；已培養(yǎng)碩士生9人，其中5人已畢業(yè)；培養(yǎng)博士研究生2人，其中1人已畢業(yè)。 2100433B

扭矩是最能反映系統(tǒng)動態(tài)性能的典型機械量之一。通過扭矩分析，可提取有效反映機械主軸動態(tài)特性變化的轉(zhuǎn)角、振角、角加速度等主要特征參量。為此，采用扭矩測量，實現(xiàn)對機械主軸傳動系統(tǒng)動態(tài)特性的監(jiān)測、診斷與控制新方法，是目前國內(nèi)外學者關(guān)注的研究熱點之一。針對目前國內(nèi)外對強沖擊、高溫、腐蝕、強振動等極端惡劣環(huán)境下機械傳動主軸系統(tǒng)的扭矩測量仍無有效檢測方法的現(xiàn)狀，提出一種基于球?qū)ΨQ特性和交流電磁感應的環(huán)型空間陣列扭矩測量原理研究。設計并研制出由環(huán)型非磁性不銹鋼管構(gòu)成、尺寸和磁特性完全相同的磁性鋼球組成的環(huán)型空間陣列傳感器，根據(jù)球?qū)ΨQ特性和交流電磁感應原理，獲得機械主軸傳動系統(tǒng)的扭矩信息。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過計算機處理將輸入的機械位移量轉(zhuǎn)換成與時間相對應的數(shù)字量，從而實現(xiàn)極端環(huán)境下的機械主軸扭矩的在線動態(tài)測量。

現(xiàn)有陀螺儀存在單一性能較好，但綜合性能不高的問題，而基于電磁感應原理的磁流體陀螺儀兼具高精度、寬頻帶、小型化等優(yōu)異性能，并且對加工工藝要求相對較低。因此磁流體陀螺儀在衛(wèi)星姿態(tài)測量等相關(guān)領域有著顯著的優(yōu)勢，對該陀螺儀的研究具有重大戰(zhàn)略意義。本項目基于磁流體動力學理論，研究基于電磁感應原理的磁流體陀螺儀傳感數(shù)學模型，探索制約磁流體陀螺儀性能的因素，并在此基礎上進一步探索優(yōu)化其性能的方案，主要包括三個基礎問題的研究：如何改善磁流體陀螺儀低頻特性，擴展測量范圍至1Hz以下；如何實現(xiàn)磁流體徑向流速分布的可控性，從而實現(xiàn)磁流體陀螺儀的線性化；如何檢測磁流體陀螺儀的微弱輸出信號，避免后續(xù)處理電路對精度和頻帶的影響。本項目的研究成果將為高性能的磁流體陀螺儀的研制提供理論和技術(shù)基礎。

本課題建立了基于電磁感應原理的磁流體陀螺儀的數(shù)學模型和磁流體動力泵流體模型，提出了基于自相關(guān)小波閾值去噪算法的微弱信號提取方法。基于磁流體動力學原理，設計磁流體陀螺的機械結(jié)構(gòu)。圓柱體外殼選用高磁導率的軟磁材料，為永磁體形成閉合磁回路，同時構(gòu)成流體通道的外壁。外殼內(nèi)底部放置圓片狀永磁體，上面用絕緣的密封套卡住，密封套構(gòu)成流體通道下表面。磁流體陀螺信號處理電路實現(xiàn)較大的放大倍率及較寬頻帶的同時，重點要控制噪聲避免其淹沒有用信號。當輸入角振動幅值很小時，磁流體陀螺前級傳感器的輸出只有幾十μV，普通放大器噪聲與1KHz頻帶內(nèi)的白噪聲足以淹沒該輸出信號，因此噪聲控制是磁流體陀螺電路設計的關(guān)鍵。設計了傳感器的低噪聲前置放大電路，提出了基于自相關(guān)的小波閾值去噪算法，提高了信號提取系統(tǒng)的信噪比。搭建了磁流體陀螺儀樣機的測試實驗平臺，包括轉(zhuǎn)臺、信號發(fā)生器、轉(zhuǎn)臺控制器、恒壓源、數(shù)據(jù)采集卡、工作站和示波器等部分，并進行了相關(guān)測試實驗。 建立了導電流體在矩形截面閉合通道內(nèi)運動的模型，簡化了磁流體陀螺儀的數(shù)學模型；分析了磁場分布和磁場非均勻性的產(chǎn)生原因及影響。當磁流體陀螺儀的輸出與輸入最好能夠呈現(xiàn)線性對應關(guān)系時，具有最佳輸出特性。 對磁流體徑向流速曲線的可控性進行了研究，以實現(xiàn)磁場分布與磁流體徑向流速分布的乘積呈現(xiàn)線性分布。通過磁導法求解在工作間隙時的磁感應強度值是基于永磁體提供的磁場是均勻的這一假設。然而實際情況中的圓柱片型永磁體提供的磁場并不如想象般均勻，而是在圓形表面呈現(xiàn)出中心磁感應強度較小而邊緣處較大的形態(tài)。通過ANSYS電磁場分析中的二維仿真方法驗證了磁導法的求解，并在磁路設計的過程中直接觀察該方法能否保證垂直度和均勻度，并依此基礎提出磁路的優(yōu)化方案，進行迭代修改。最終設計完成并裝配了單流體環(huán)磁流體陀螺儀樣機。分析了磁流體動力泵的工作原理，研究了雙流體環(huán)單泵結(jié)構(gòu)的磁流體陀螺儀的機械結(jié)構(gòu)、磁路結(jié)構(gòu)和裝配工藝。

管道超聲內(nèi)檢測技術(shù)目前面臨的突出問題是檢測數(shù)據(jù)量太大，無法實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的存儲和實時處理，無法同時實現(xiàn)多種缺陷快速檢測。本課題擬開展基于稀疏采樣的超聲傳感器復合陣列快速檢測壁厚變化類缺陷、滲漏孔、軸向及周向裂紋的機理和方法研究。首次提出超聲專業(yè)字典概念，實現(xiàn)超聲檢測回波信號最稀疏表達；創(chuàng)新性運用稀疏采樣原理，提出超聲傳感器檢測回波信號稀疏采樣機理與前端物理實現(xiàn)方法；創(chuàng)新提出稀疏采樣值快速解算缺陷回波信號特征參數(shù)方法，無需重建檢測信號，解決稀疏采樣值恢復原始檢測信號的時間貪婪性問題；采用超聲傳感器復合陣列方法，建立陣列空間結(jié)構(gòu)參數(shù)與缺陷回波特征參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，實現(xiàn)稀疏采樣條件下不同空間趨向缺陷重構(gòu)。本課題將為解決目前管道超聲內(nèi)檢測技術(shù)難題提供科學依據(jù)。