电涡流位移传感器检测车轮外形的研究.docx

电涡流位移传感器检测车轮外形的研究李德维，周文祥，涂 军（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）摘 要：简单分析了电涡流位移传感器特性，设计了电涡流位移传感器标定试验方案，提供了不同曲率半径的传感器标定试验结果，最后给出了车轮形状测量试验的结果与分析。 关键词：电涡流位移传感器；检测；车轮；试验中图分类号：TM930.12 + 4文献标识码：A文章编号：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车辆段检修线收入位轮对表面污染严重，因此近十余年，一直在进行轮对尺寸自动测量的研究。目前的 方案有三种：（1）采用机械量接触式电测方案1，2，由于轮对尺寸 基准定位的特殊性，常规方法很难获得满意的性能。（2）采用 CCD 视觉测量方案，得到的光学图像边界 受环境光和表面颜色影响较大，附加设备过多3，4。（3）采用激光位移传感器扫描的方案5，6，基于 CCD技术的激光位移传感器精度较高，但价格昂贵。 电涡流位移传感器有不受金属表面涂料、油污影响，价格低的优点，但有“测量斑”较大的弊端，如何克 服此缺点是一个关键问题。在文献7的基础上，本文分析了电涡流位移传感 器的特性，设计了电涡流位移传感器标定试验，采用专 门定制的小直径传感器，进行系统的标定试验，以此为 基础进行了车轮形状的测试试验，并提供了相关的测 试结果与误差原因分析。生的电涡流效应将与被测金属的距离转换成一定的线圈阻抗，通过放大器处理得到距离信号。传感器不受金 属表面涂料、油、沙尘、水等介质影响，反应快，输出稳 定，可实现非接触测量。但将它用于形状测量，首先涉 及用局部表面代替一点的问题，从传感器原理可知其 输出依赖于探头线圈周围的电磁场分布，为了减小曲 面测量误差影响，必须研究磁场的作用区域。（1）电磁场纵向区域：电涡流位移传感器灵敏度和 线性度主要受线圈产生的磁场分布情况的影响。对于 被测材料确定的情况，传感器线圈电感随传感器端面 到被测物距离 d 的增加而减小，在比较小的范围内基 本呈线性关系，该范围大约为线圈直径的 1/51/3。（2）电磁场横向区域：电磁场在线圈半径 r 方向只 有一定的径向形成范围，电涡流随半径 r 的变化规律 见图 1。从 jr- r 关系曲线看出，在 r = a 处，产生最大的 涡流密度，r a 时随着 r 增大电流密度减小，当 r =1.8 a 时， 电涡流密度衰减到 5%。因此被测导体相对线圈平面径 向宽度不应小于线圈外径的两倍，如果小于该尺寸则 灵敏度不是常数，从而引入测量误差。1电涡流传感器特性电涡流位移传感器结构简单，它借助电磁感应产收稿日期：2005- 06- 21作者简介：李德维（1979- ），男，在读硕士研究生，主要从事测控技术及故障诊断方面的研究。-31-电力机车与城轨车辆2005 年第 6 期l1 = l2 =（1）2图 1 电涡流传感器2传感器标定试验图 3 电涡流传感器标定块为减小“测量斑”的影响，对一个测量范围达到1.6 mm 且线圈直径为 3 mm 定制的电涡流位移传感器 进行标定，试验装置如图 2 所示。该装置包括光栅尺、 定制的小直径电涡流传感器和光电编码器，微机内有 计数卡、AD 模块。用手转动丝杆可使测量头在横竖方 向移动。电涡流传感器固定在测量头上，可手动绕安装 轴旋转，转角由光电编码器测定。根据 l1 及其对应 l1 的线性函数关系，得出被测曲面到电涡流位移传感器基准点之间的距离 z 与传感器 输出电压 u 之间的关系：凹面 B：zB = 64.654 395 + 0.110 98u（2）同理，可得电涡流位移传感器在其他几个对称面的标定函数。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）从式（2）（7）可知，从标定函数得出的理论值和实际距离相比，在凹面上偏小，而在凸面则偏大。试验结 果与图 1 所示的电涡流传感器原理特性相符。这种情 况可从分布电磁场的平均效应得到定性解释，传感器 输出的电压是一种平均效应，当测量负曲率的凹面时， 等效的气隙小于被测点到传感器端面的距离，其它情 况同样可以得到解释。进一步分析看出曲率 ，距离 z 和传感器输出电压 u 之间满足如下关系式：z = f（2 ， u）。三者关系如图 4 所示，当输出电压小于 - 3 V 时，曲 面接近为平面。因此可得：如果电涡流传感器输出电压图 2 电涡流传感器标定试验装置专用标定块如图 3 所示，其外形曲线考虑了轮辋外形曲线可能遇到的几种典型的曲率和组合情况。标 定时，标定件不动，移动安装架使传感器分别对准不同 曲率点刻线的两侧进行测量，刻线如图 3 中的 A- A， B- B，D- D，E- E 所示，另外两对平面只需与传感器垂 直。记录传感器的输出电压和测量头转轴的位置数据。 分别对两侧的数据进行拟合，得到传感器电压表示的 测量点到转动轴线的长度。试验时应注意：（1）传感器 输出电压控制在 - 510 V 之间；（2）采集数据前，先调 整标定块和测量头的位置，尽量使电涡流传感器的轴 线在被测面法向，受条件限制，试验采用手动调整。以 刻线 B- B 上的对称曲面为例，先对左边曲面采集数 据，然后移动测量头，改变传感器轴线方向，对右边的 曲面进行数据采集。最后分别对这两侧所采集的数据 进行线性拟合，得出传感器输出电压为 0 V 时传感器 基准点 O1，O2 到被测表面的距离，设 O1，O2 的 x 轴坐 标为 x1，x2，则有：图 4 电涡流传感器标定曲线图-32-x1 - x2- d李德维 等电涡流位移传感器检测车轮外形的研究2005 年第 6 期小于 - 3 V，而且被测曲面的曲率不是很大，曲面上的电涡流位移传感器的标定函数就可以用平面上的标定 函数来代替。3轮辋模型测量试验3.1 测量原理分析测量原理如图 5 所示：M 点为传感器上的基准点， N 点表示轮辋表面任一被测点，l1 表示 M 点在传感器 中轴线方向与被测表面之间的距离，表 示传感器轴线与 x 轴 的夹角。则被测曲面 上任一点 N 的坐标图 6 测量误差分布故式（9）中第 3 项引起的误差不大于 0.025 3 mm；直径为 3 mm 的电涡流位移传感器线性误差为 3% 4%， 因此传感器引起的最大误差小于 0.04 mm。由式（9）得 出测量的总误差：为：xN = x0 - l1cosyN = y0 - l1sin图 5 轮辋模板测量原理示意图xQyQ=0.04+0.025 3 = 0.065 3 mm。（8）由此可见曲率半径的变化对测量结果影响较大。轮缘部分由几段曲率半径不同的圆弧组成，对测量结 果进行补偿则必须确定其圆心和半径，因此可用三点 圆法对轮缘部分的测量结果进行补偿。三点圆法为： A（x1，y1），B（x2，y2），C（x3，y3）为圆弧上三个测量点，圆 心为 O（x0，y0），则有：（x- x0）2+（y- y0）2 = R2，其中：根据模板形状，确定多个位置的 M 点坐标（xM，yM）和方位角 以及电涡流位移传感器的输出电压便可得 到轮辋踏面上其他点 Ni 的坐标。本装置的测量误差由测量机构、传感器和数字化 误差等引起，根据式（8）可知，被测点 N 的误差由坐标 点 M 的误差、电涡流传感器旋转角 的误差、传感器 的特性误差以及 l1 的标定误差引起。它们分别为xM，yM，和l1，设 N 偏差为xN，yN，根据式（8）的 偏导数得出最大误差估计式：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根据轮缘实际形状，对 R 在#O$A 方向进行补偿，补偿结果见图 6，补偿后测量误差小于 0.073 mm。 以上传感器的调整依靠手动目测，如果采用如下自动测量控制策略：使传感器方向与输出电压均保持3.2 试验结果轮辋扫描测量方案：试验对象为一个标准车轮踏 面模板，基于车轮型面的复杂性，型面函数为一个多分 段函数，因此垂直型面的函数也是多分段函数。如果用 完善的测试软件对型面进行测量，且被测型面在测量 仪器的相对位置固定，则能保证传感器的轴线在测量 过程中垂直于被测型面。由于试验中只能手动调整使 电涡流传感器，应尽量使其轴线在被测点的法向，且传 感器输出电压在 0 V 附近，这样就得到轮廓曲线的一 个测点数据。结果如图 6 所示。测量偏差在平面上较 小，曲面上较大，最大测量误差出现在轮缘内侧部分， 最大偏差为 0.226 mm。从式（9）分析测量误差：由于 xM ，yM 和 分别由光栅 尺 和 光 电 编 码 器 测 量 ，光 栅 尺 的 测 量 精 度 为0.005 mm，AD 模块的精度为0.1%，它引起的误差小 于 0.002 mm，所以这两项引起的误差可以忽略。光电 编码器的精度为 3.1410- 4 rad，l1 在 60 80 mm 之间，22不变，作微动平移距离l = x +y，其中x，y 分别为 x 方向和 y 方向上两点间的增量，把长为l 的小段弧线看作一段直线，则这段直线与 x 轴的夹角为 = a tan（yx ），然后根据 调整传感器的轴线方向。通过此方式，测量过程中传感器轴线方向将更接近在被测点法线方向，测量误差将减小。4结论（1）传感器的标定值与实际值相比，在正曲率曲面上偏大，在负曲率曲面上偏小，这种偏差随检测距离的 缩小而减小。（2）直径为 3 mm 的电涡流位移传感器可以按平面标定函数检测车轮外形曲线，（下转第 37 页）-33-曾海云 等35CrMo 车轴疲劳裂纹超声波检测工艺方法2005 年第 6 期探伤。从现场探伤可以看到 4 大格以后有大量反射波，在这些反射波中第 4.1 格波是 487 mm 圆弧处台阶反 射波，其成因为扇形主声束散射所致，而且该反射波在 现场探伤可以作定位参考波和透声探伤检测时的辅助 探伤。以上试验结果及分析表明：（1）采用小角度纵波探伤工艺方法，可以在不退轮 情况下分别检测出内、外侧疲劳裂纹。（2）对内侧镶入部位疲劳裂纹区进行探伤时，可以 选用 6，7小角度探头，但最好选用 7小角度探头；探 伤时调整仪器，将试块车轴 467 mm 处人工裂纹水平 调至 4 格，波幅调至 80%后，对待测车轴进行探伤，探 伤时主要观察 4 格附近的反射波。（3）对外侧镶入部位疲劳裂纹区进行探伤时，选用9小角度探头，探伤时调整仪器，将试块车轴 315 mm 处人工裂纹水平调至 3 格，波幅 80%后，对待测车轴进 行探伤，探伤时主要观察 3 格附近的反射波。（3）斜探头探伤时，同等探伤条件下，2 mm 深人工裂纹反射波比 1 mm 人工裂纹反射波高 6 dB 左右。 从探伤声压计算基本公式也可以计算出深度相差一倍时，其波幅相差 6 dB，现场试验结果与理论计算 值相差不大。5结论综上试验及结果分析，可以得出以下结论：（1）完全不退轮情况下（在役运行检测），采用小角 度纵波探伤工艺方法可以分别检测出内、外侧疲劳裂 纹。探伤时可用 6，7小角度探头对轮对内侧镶入部 进行探伤，最好选用 7小角度探头进行探伤；9小角 度探头对外侧镶入部进行探伤，调节探伤灵敏度时将 实物车轴试块的人工缺陷波调至 80%，水平位置置于 适当位置（如内侧置于 4 格，外侧置于 3 格）。（2）在半退轮情况下（工厂大修检测），退轮部位轮 座采用磁粉探伤；由于不退轮部位空心轴和轴箱都已 退出，采用斜探头探伤可以分别检测出内、外侧疲劳裂 纹。探伤时可以采用 2.5PK1 9X9 斜探头，以机油为耦 合剂，分别在轴身和轴颈上对内、外侧镶入部进行超声 波探伤，亦可采用上述第 1 条探伤条件进行超声波探 伤。（3）探伤时调整水平距离和探伤灵敏度可以直接 在实物车轴试块上进行近似调节，也可以在 TZS- R 试 块上进行调节，但探伤灵敏度以实物车轴试块上的调 节为准。（4）在适当的条件下 2 种探伤方法可以结合使用， 以便于准确判伤。4缺陷的定量分析一般而言，疲劳裂纹不是由单一的疲劳源产生，而是由许多腐蚀空穴各自独立发展，最后相互连接而成， 因此裂纹一旦形成，其长度都远远大于其深度；深度的 微小变化将引起裂纹面积的较大变化，因此，一般只要 裂纹长度不短于 50 mm（横波不短于 30 mm），就对检 测影响不大。通过现场对 0.5，1，2 mm 等各种不同深度 人工缺陷的探伤对比试验，试验结果表明：（1）在同等探伤条件下，外侧比内侧裂纹波幅高22 dB，在实际探伤时以实物车轴试块上 315 mm 处人 工裂纹调节为准。（2）小角度探头探伤时，同等探伤条件下，2 mm 深 人工裂纹反射波比 1 mm 人工裂纹反射波高 5 dB 左右。参考文献：1 李家伟，陈积懋. 无损检测手册M. 北京：机械工业出版社，2001.!（