基于球?qū)ΨQ的交流電磁感應(yīng)環(huán)型陣列器原理研究中文摘要

扭矩是最能反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型機(jī)械量之一。通過扭矩分析，可提取有效反映機(jī)械主軸動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械主軸傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的監(jiān)測、診斷與控制新方法，是目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。針對(duì)目前國內(nèi)外對(duì)強(qiáng)沖擊、高溫、腐蝕、強(qiáng)振動(dòng)等極端惡劣環(huán)境下機(jī)械傳動(dòng)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(yīng)的環(huán)型空間陣列扭矩測量原理研究。設(shè)計(jì)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(yīng)原理，獲得機(jī)械主軸傳動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)處理將輸入的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成與時(shí)間相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下的機(jī)械主軸扭矩的在線動(dòng)態(tài)測量。

扭矩是反映機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)性能的最典型的機(jī)械量之一。通過扭矩分析，可提取有效反映機(jī)械主軸動(dòng)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(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)于保障整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運(yùn)行具有十分重要的意義，是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。但目前國內(nèi)外對(duì)強(qiáng)沖擊、高溫、腐蝕、強(qiáng)振動(dòng)等極端惡劣環(huán)境下機(jī)械傳動(dòng)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(shè)備和鐵路機(jī)車等領(lǐng)域的迫切需求。 針對(duì)上述問題，重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在國家自然科學(xué)基金的資助（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：50079032）下，在提出一種全新的，極端環(huán)境下的非接觸式機(jī)械主軸扭矩實(shí)時(shí)測量原理思想的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)圍繞球?qū)ΨQ交流電磁感應(yīng)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(xué)問題與技術(shù)難點(diǎn)開展了深入而系統(tǒng)的研究，較好的完成預(yù)期研究目標(biāo)，并取得以下主要研究成果： 1. 通過對(duì)球?qū)ΨQ交流電磁感應(yīng)環(huán)型陣列器的原理研究，建立了球?qū)ΨQ交流電磁感應(yīng)環(huán)型空間陣列模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)排列仿真及陣列效率實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)球?qū)ΨQ特性和交流電磁感應(yīng)環(huán)型空間陣列原理進(jìn)行了驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)基于球?qū)ΨQ特性和交流電磁感應(yīng)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(yīng)環(huán)型空間陣列理論模型及分析研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制出了交流電磁感應(yīng)扭矩傳感器，實(shí)現(xiàn)了基于球?qū)ΨQ交流電磁感應(yīng)環(huán)型陣列器原理的扭矩測量的理論預(yù)測。 3. 建立了基于球?qū)ΨQ的交流電磁感應(yīng)環(huán)型陣列器原理的扭矩測量系統(tǒng)，進(jìn)行了極端環(huán)境下的機(jī)械主軸傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測量實(shí)驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 該研究是對(duì)傳統(tǒng)扭矩測量方法的突破，對(duì)促進(jìn)機(jī)械主軸傳動(dòng)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(jìn)步，推動(dòng)機(jī)械主軸傳動(dòng)系統(tǒng)制造國產(chǎn)化相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究的發(fā)展，具有重大的科學(xué)意義和十分廣闊的應(yīng)用前景。在國內(nèi)外權(quán)威期刊和國際學(xué)術(shù)會(huì)議上已發(fā)表高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文15篇，其中SCI檢索2篇，EI檢索4篇；申請(qǐng)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(jī)械主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測量和故障診斷的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；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

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(yīng)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(duì)加工工藝要求相對(duì)較低。因此磁流體陀螺儀在衛(wèi)星姿態(tài)測量等相關(guān)領(lǐng)域有著顯著的優(yōu)勢，對(duì)該陀螺儀的研究具有重大戰(zhàn)略意義。本項(xiàng)目基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論，研究基于電磁感應(yīng)原理的磁流體陀螺儀傳感數(shù)學(xué)模型，探索制約磁流體陀螺儀性能的因素，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索優(yōu)化其性能的方案，主要包括三個(gè)基礎(chǔ)問題的研究：如何改善磁流體陀螺儀低頻特性，擴(kuò)展測量范圍至1Hz以下；如何實(shí)現(xiàn)磁流體徑向流速分布的可控性，從而實(shí)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(hào)，避免后續(xù)處理電路對(duì)精度和頻帶的影響。本項(xiàng)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(chǔ)。

本課題建立了基于電磁感應(yīng)原理的磁流體陀螺儀的數(shù)學(xué)模型和磁流體動(dòng)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(hào)提取方法?；诖帕黧w動(dòng)力學(xué)原理，設(shè)計(jì)磁流體陀螺的機(jī)械結(jié)構(gòu)。圓柱體外殼選用高磁導(dǎo)率的軟磁材料，為永磁體形成閉合磁回路，同時(shí)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(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)較大的放大倍率及較寬頻帶的同時(shí)，重點(diǎn)要控制噪聲避免其淹沒有用信號(hào)。當(dāng)輸入角振動(dòng)幅值很小時(shí)，磁流體陀螺前級(jí)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(hào)，因此噪聲控制是磁流體陀螺電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)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(hào)提取系統(tǒng)的信噪比。搭建了磁流體陀螺儀樣機(jī)的測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括轉(zhuǎn)臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器、轉(zhuǎn)臺(tái)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(jìn)行了相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)。 建立了導(dǎo)電流體在矩形截面閉合通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的模型，簡化了磁流體陀螺儀的數(shù)學(xué)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(dāng)磁流體陀螺儀的輸出與輸入最好能夠呈現(xiàn)線性對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，具有最佳輸出特性。 對(duì)磁流體徑向流速曲線的可控性進(jìn)行了研究，以實(shí)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(dǎo)法求解在工作間隙時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值是基于永磁體提供的磁場是均勻的這一假設(shè)。然而實(shí)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(yīng)強(qiáng)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(yàn)證了磁導(dǎo)法的求解，并在磁路設(shè)計(jì)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(chǔ)提出磁路的優(yōu)化方案，進(jìn)行迭代修改。最終設(shè)計(jì)完成并裝配了單流體環(huán)磁流體陀螺儀樣機(jī)。分析了磁流體動(dòng)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(jī)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(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理，無法同時(shí)實(shí)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(fù)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(jī)理和方法研究。首次提出超聲專業(yè)字典概念，實(shí)現(xiàn)超聲檢測回波信號(hào)最稀疏表達(dá)；創(chuàng)新性運(yùn)用稀疏采樣原理，提出超聲傳感器檢測回波信號(hào)稀疏采樣機(jī)理與前端物理實(shí)現(xiàn)方法；創(chuàng)新提出稀疏采樣值快速解算缺陷回波信號(hào)特征參數(shù)方法，無需重建檢測信號(hào)，解決稀疏采樣值恢復(fù)原始檢測信號(hào)的時(shí)間貪婪性問題；采用超聲傳感器復(fù)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(shí)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(xué)依據(jù)。