基于球对称的交流电磁感应环型阵列器原理研究

扭矩是反映机械传动系统性能的最典型的机械量之一。通过扭矩分析，可提取有效反映机械主轴动态特性变化的转角、振角、角加速度等主要特征参量。利用合适的扭矩传感器及测量方法，对机械传动系统的扭矩进行实时监测，对于保障整个传动系统稳定安全的运行具有十分重要的意义，是国内外学者关注的研究热点之一。但目前国内外对强冲击、高温、腐蚀、强振动等极端恶劣环境下机械传动主轴系统的扭矩测量仍无有效检测方法，无法满足航空航天、船舶、钻井、发电设备和铁路机车等领域的迫切需求。 针对上述问题，重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，在国家自然科学基金的资助（项目批准号：50079032）下，在提出一种全新的，极端环境下的非接触式机械主轴扭矩实时测量原理思想的基础上，重点围绕球对称交流电磁感应环型阵列原理、扭矩传感器及扭矩测量系统的关键科学问题与技术难点开展了深入而系统的研究，较好的完成预期研究目标，并取得以下主要研究成果： 1. 通过对球对称交流电磁感应环型阵列器的原理研究，建立了球对称交流电磁感应环型空间阵列模型，进行了结构排列仿真及阵列效率实验分析，对球对称特性和交流电磁感应环型空间阵列原理进行了验证，为实现基于球对称特性和交流电磁感应的新型非接触式扭矩测量原理研究，提供了重要理论参考依据。 2. 在建立球对称交流电磁感应环型空间阵列理论模型及分析研究基础上，设计并研制出了交流电磁感应扭矩传感器，实现了基于球对称交流电磁感应环型阵列器原理的扭矩测量的理论预测。 3. 建立了基于球对称的交流电磁感应环型阵列器原理的扭矩测量系统，进行了极端环境下的机械主轴传动系统动态特性测量实验，达到预期目标。 该研究是对传统扭矩测量方法的突破，对促进机械主轴传动系统新型扭矩测量传感器的研究与测量理论和方法的进步，推动机械主轴传动系统制造国产化相关基础科学研究的发展，具有重大的科学意义和十分广阔的应用前景。在国内外权威期刊和国际学术会议上已发表高质量学术论文15篇，其中SCI检索2篇，EI检索4篇；申请中国发明专利3件，获权2件；完成了一部系统论述环型空间阵列传感器测量方法与原理的专著，待出版；完成了机械主轴系统动态特性测量和故障诊断的系统软件设计；已培养硕士生9人，其中5人已毕业；培养博士研究生2人，其中1人已毕业。 2100433B

扭矩是最能反映系统动态性能的典型机械量之一。通过扭矩分析，可提取有效反映机械主轴动态特性变化的转角、振角、角加速度等主要特征参量。为此，采用扭矩测量，实现对机械主轴传动系统动态特性的监测、诊断与控制新方法，是目前国内外学者关注的研究热点之一。针对目前国内外对强冲击、高温、腐蚀、强振动等极端恶劣环境下机械传动主轴系统的扭矩测量仍无有效检测方法的现状，提出一种基于球对称特性和交流电磁感应的环型空间阵列扭矩测量原理研究。设计并研制出由环型非磁性不锈钢管构成、尺寸和磁特性完全相同的磁性钢球组成的环型空间阵列传感器，根据球对称特性和交流电磁感应原理，获得机械主轴传动系统的扭矩信息。由数据采集系统，将输入的模拟信号转换成数字信号，通过计算机处理将输入的机械位移量转换成与时间相对应的数字量，从而实现极端环境下的机械主轴扭矩的在线动态测量。

现有陀螺仪存在单一性能较好，但综合性能不高的问题，而基于电磁感应原理的磁流体陀螺仪兼具高精度、宽频带、小型化等优异性能，并且对加工工艺要求相对较低。因此磁流体陀螺仪在卫星姿态测量等相关领域有着显著的优势，对该陀螺仪的研究具有重大战略意义。本项目基于磁流体动力学理论，研究基于电磁感应原理的磁流体陀螺仪传感数学模型，探索制约磁流体陀螺仪性能的因素，并在此基础上进一步探索优化其性能的方案，主要包括三个基础问题的研究：如何改善磁流体陀螺仪低频特性，扩展测量范围至1Hz以下；如何实现磁流体径向流速分布的可控性，从而实现磁流体陀螺仪的线性化；如何检测磁流体陀螺仪的微弱输出信号，避免后续处理电路对精度和频带的影响。本项目的研究成果将为高性能的磁流体陀螺仪的研制提供理论和技术基础。

本课题建立了基于电磁感应原理的磁流体陀螺仪的数学模型和磁流体动力泵流体模型，提出了基于自相关小波阈值去噪算法的微弱信号提取方法。基于磁流体动力学原理，设计磁流体陀螺的机械结构。圆柱体外壳选用高磁导率的软磁材料，为永磁体形成闭合磁回路，同时构成流体通道的外壁。外壳内底部放置圆片状永磁体，上面用绝缘的密封套卡住，密封套构成流体通道下表面。磁流体陀螺信号处理电路实现较大的放大倍率及较宽频带的同时，重点要控制噪声避免其淹没有用信号。当输入角振动幅值很小时，磁流体陀螺前级传感器的输出只有几十μV，普通放大器噪声与1KHz频带内的白噪声足以淹没该输出信号，因此噪声控制是磁流体陀螺电路设计的关键。设计了传感器的低噪声前置放大电路，提出了基于自相关的小波阈值去噪算法，提高了信号提取系统的信噪比。搭建了磁流体陀螺仪样机的测试实验平台，包括转台、信号发生器、转台控制器、恒压源、数据采集卡、工作站和示波器等部分，并进行了相关测试实验。 建立了导电流体在矩形截面闭合通道内运动的模型，简化了磁流体陀螺仪的数学模型；分析了磁场分布和磁场非均匀性的产生原因及影响。当磁流体陀螺仪的输出与输入最好能够呈现线性对应关系时，具有最佳输出特性。 对磁流体径向流速曲线的可控性进行了研究，以实现磁场分布与磁流体径向流速分布的乘积呈现线性分布。通过磁导法求解在工作间隙时的磁感应强度值是基于永磁体提供的磁场是均匀的这一假设。然而实际情况中的圆柱片型永磁体提供的磁场并不如想象般均匀，而是在圆形表面呈现出中心磁感应强度较小而边缘处较大的形态。通过ANSYS电磁场分析中的二维仿真方法验证了磁导法的求解，并在磁路设计的过程中直接观察该方法能否保证垂直度和均匀度，并依此基础提出磁路的优化方案，进行迭代修改。最终设计完成并装配了单流体环磁流体陀螺仪样机。分析了磁流体动力泵的工作原理，研究了双流体环单泵结构的磁流体陀螺仪的机械结构、磁路结构和装配工艺。

管道超声内检测技术目前面临的突出问题是检测数据量太大，无法实现全部数据的存储和实时处理，无法同时实现多种缺陷快速检测。本课题拟开展基于稀疏采样的超声传感器复合阵列快速检测壁厚变化类缺陷、渗漏孔、轴向及周向裂纹的机理和方法研究。首次提出超声专业字典概念，实现超声检测回波信号最稀疏表达；创新性运用稀疏采样原理，提出超声传感器检测回波信号稀疏采样机理与前端物理实现方法；创新提出稀疏采样值快速解算缺陷回波信号特征参数方法，无需重建检测信号，解决稀疏采样值恢复原始检测信号的时间贪婪性问题；采用超声传感器复合阵列方法，建立阵列空间结构参数与缺陷回波特征参数关联模型，实现稀疏采样条件下不同空间趋向缺陷重构。本课题将为解决目前管道超声内检测技术难题提供科学依据。