劉 建

（西安交通大學(xué)，陜西 西安 710000）

隨著機(jī)械工程的應(yīng)用和發(fā)展不斷深入，大型工程項(xiàng)目的建設(shè)需要借助大型工程機(jī)械來完成，而大型工程機(jī)械在運(yùn)行階段需要人工的交互操作，這便需要操作人員提前了解大型工程機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)。盡管大型工程機(jī)械的儀表可以實(shí)時(shí)顯示自身運(yùn)行狀態(tài)，但是由于顯示數(shù)據(jù)不全面且無法保存記錄，所以需要在大型工程機(jī)械的在線檢測中應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，以此優(yōu)化參數(shù)檢測、保存和傳輸?shù)牧鞒獭?/p>

1 大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)

1.1 鐵磁材料的壓磁效應(yīng)概述

壓磁效應(yīng)指的是在機(jī)械力作用下鐵磁材料內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)變，導(dǎo)致鐵磁材料的磁特性出現(xiàn)改變的情況。壓磁效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)二者相反，因此壓磁效應(yīng)也被稱為逆磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)指的是外磁場中鐵磁材料由于磁化現(xiàn)象導(dǎo)致自身尺寸、體積以及長度發(fā)生了一定變化，磁致伸縮系數(shù)和磁場強(qiáng)度之間呈正相關(guān)的關(guān)系，如圖1 所示。由此可以看出壓磁效應(yīng)的形成和材料結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力狀態(tài)變化有著非常緊密的聯(lián)系，即在特定條件下和拉應(yīng)力平行的方向容易出現(xiàn)磁化現(xiàn)象，此時(shí)磁導(dǎo)率會增大。

鐵磁材料的磁化過程指的是鐵磁材料在外磁場的作用下，其自身磁化強(qiáng)度或者磁感應(yīng)強(qiáng)度由中性狀態(tài)逐漸改變的過程，磁化曲線如圖1 所示[1]。

從圖1 中可以看出，鐵磁材料可以根據(jù)磁化曲線的變化情況分為O-a（可逆磁化區(qū)）、a-b（銳利區(qū)）、b-c（不可逆磁化區(qū)）、c-d（趨近飽和區(qū)）以及d 以后（順磁區(qū)）。為了滿足不同工程技術(shù)的需求差異，需要在設(shè)計(jì)過程中綜合分析不同磁化區(qū)的因素。

圖1 鐵磁材料的磁化曲線

應(yīng)力對鐵磁材料磁化的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，即磁疇移動以及磁疇能量轉(zhuǎn)化。磁疇移動會直接對鐵磁材料的特性參數(shù)產(chǎn)生影響，磁疇能量轉(zhuǎn)化則會導(dǎo)致磁應(yīng)力各向異性的情況發(fā)生。就研究角度來看，本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是分析應(yīng)力對磁疇能量轉(zhuǎn)化方面的影響，也就是應(yīng)力作用下鐵磁材料出現(xiàn)的不可逆轉(zhuǎn)動磁化和可逆轉(zhuǎn)動磁化兩種情況。而鐵磁材料的磁化率變化在應(yīng)力作用下，其與飽和磁致伸縮系數(shù)以及應(yīng)力大小都有一定聯(lián)系。因此，在針對應(yīng)力影響下鐵磁材料的磁化情況進(jìn)行研究的過程中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)針對鐵磁材料的基本性能、外界施加的應(yīng)力方向、應(yīng)力大小等關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行全面分析和梳理，從而使鐵磁材料的磁化工作更加完善合理，進(jìn)一步確保后續(xù)壓磁應(yīng)力傳感器應(yīng)用工作的準(zhǔn)確性與有效性[2]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述

本文設(shè)計(jì)的大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)主要是以鐵磁材料的壓磁效應(yīng)為基礎(chǔ)，就設(shè)計(jì)方案角度來看，這一大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)包括以下三部分：1）傳感器部分。傳感器探頭、檢測線圈以及勵磁系統(tǒng)。2）被測試部分。加載系統(tǒng)和被測試件。3）測量部分。放大電路和數(shù)據(jù)采集[3]。

在磁感應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)過程中，由于磁感應(yīng)力傳感器是大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)獲取不同信息的主要組成部分，其設(shè)計(jì)會直接對后續(xù)的應(yīng)力檢測試驗(yàn)精度和檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，需要對這部分的勵磁系統(tǒng)、勵磁線圈參數(shù)、磁路以及探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此達(dá)到試驗(yàn)要求。勵磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指的是利用鐵磁材料構(gòu)件的應(yīng)力檢測本質(zhì)（即通過應(yīng)力對鐵磁材料構(gòu)件的磁導(dǎo)率的影響，對磁導(dǎo)率的物理量變化情況進(jìn)行分析），選擇出最佳的勵磁系統(tǒng)。由于勵磁信號的類型（脈沖、正弦波以及三角波等）較多，在綜合分析相位和幅值等各類信息后，本文選擇正弦波作為試驗(yàn)計(jì)算數(shù)據(jù)，不過由于正弦波的信號和其他勵磁信號相比較弱，所以為了確保傳感器的勵磁線圈可以生成合適的磁場，便需要在試驗(yàn)過程中對正弦波信號的功率進(jìn)行放大，進(jìn)而達(dá)到測量的目的。

傳感器探頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，傳感器探頭是大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)中主要的組成部分，一般而言，常用的探頭類型為：二磁極U 形探頭、三磁極L 形探頭、四磁極探頭、五磁極探頭、六磁極探頭以及九磁極探頭。在分析試驗(yàn)效率和可行性的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)選擇的探頭類型為三磁極L形探頭，如圖2 所示。

圖2 三磁極L 形傳感器探頭結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)采用的兩種方法為分別將TM-M 型的Fe 基非晶態(tài)合金制作成長方形的形狀，并在TM-M 型的Fe 基非晶態(tài)合金上分別進(jìn)行勵磁線圈以及測量線圈的纏繞，之后將制作好的元件根據(jù)大型工程機(jī)械系統(tǒng)的受力方向在材料表面進(jìn)行粘貼，使用特殊的傳感器將TM-M 型的Fe 基非晶態(tài)合金的磁導(dǎo)率變化情況轉(zhuǎn)化成測量線圈中感應(yīng)電壓的數(shù)值變化。所以，本次試驗(yàn)需要選擇三種材料進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，詳細(xì)的材料比較數(shù)據(jù)如表1 所示。分析三種材料的比較數(shù)據(jù)后可以得出，選擇TM-M 型的Fe 基非晶態(tài)合金材料作為探頭材料的效果更好[4]。

表1 常見鐵磁材料的性能對比

大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器的磁路分析指的是，在大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器的勵磁線圈中通入交變電流后，可以產(chǎn)生磁動勢e，在大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器探頭中則會產(chǎn)生交變磁通Φ，該磁通Φ 會在觸發(fā)后（由勵磁磁極）在被測試件的內(nèi)部分成Φ1和Φ2，之后經(jīng)過檢測磁極E1和E2回歸，構(gòu)成封閉磁回路。根據(jù)磁路定律可以明確這一磁路中的瞬間磁通量，進(jìn)而為之后的測量工作奠定準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[5]。

根據(jù)上述分析可知，由于試驗(yàn)中大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器的輸出信號較弱，為了實(shí)現(xiàn)信號采集目標(biāo)并提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，便需要對大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器的輸出信號進(jìn)行放大，進(jìn)而得到可以進(jìn)行計(jì)算的波值。大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)構(gòu)建完成后，通過試驗(yàn)測量得出，只需要將大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器的原有輸出信號放大5 倍后便可以達(dá)到試驗(yàn)的測試要求。因此信號采集部分可以使用DSO-X2017A 型的數(shù)字示波器進(jìn)行檢測試驗(yàn)，以此確保大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)更加完善。

2 影響大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)的因素

大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)的影響因素較多，其中較為主要的影響因素是勵磁電流和勵磁頻率對大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器性能的影響、大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器非線性的影響、初始輸出電壓的影響、趨膚效應(yīng)以及退磁場的影響等。大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)依舊存在需要提高的部分，在后續(xù)試驗(yàn)中需要試驗(yàn)人員采取有效措施來消除誤差，進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，使大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)可以得到進(jìn)一步優(yōu)化[6]。

3 大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器的工作原理

3.1 在線檢測傳感器概述

現(xiàn)階段，大型工程機(jī)械的故障診斷維修以及檢測工作主要是對其傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行的。通過在大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的部分位置進(jìn)行傳感器的安裝，得到大型工程機(jī)械的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，使維修人員可以在大型工程機(jī)械出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行及時(shí)的維修，避免由于停工造成經(jīng)濟(jì)方面的損失。同時(shí)，還可以通過分析參數(shù)變化情況，來預(yù)測大型工程機(jī)械可能出現(xiàn)的故障，并采取相應(yīng)的規(guī)避措施，或者是提前準(zhǔn)備維修器材，縮短停工的時(shí)間。通常而言，在線檢測傳感器主要檢測的數(shù)據(jù)為壓力和溫度等物理數(shù)據(jù)，借助信號轉(zhuǎn)換器以及傳感器將物理數(shù)據(jù)變成電信號，之后使用放大器放大信號，再利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析處理，最終傳達(dá)給大型工程機(jī)械的使用人員，使其可以實(shí)時(shí)了解機(jī)械的內(nèi)部狀態(tài)[7]。

3.2 在線檢測傳感器特征參數(shù)的選擇

在大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的選擇中，需要做好以下幾方面的工作：1）需要確保參數(shù)的科學(xué)性、可操作性以及合理性，盡量確保選擇的參數(shù)可以全面展示大型工程機(jī)械的工作狀態(tài)，并且參數(shù)的測量難度不能過高，不會出現(xiàn)由于參數(shù)測量環(huán)境要求較高而導(dǎo)致數(shù)據(jù)參數(shù)誤差過大的問題。也可以利用多項(xiàng)參數(shù)綜合測評的方式，允許部分?jǐn)?shù)據(jù)信息的利用率較低，使數(shù)據(jù)信息冗余成本較低時(shí)，提高傳感器測量結(jié)果的有效程度和經(jīng)濟(jì)效益。2）控制測量參數(shù)的數(shù)量，不能出現(xiàn)過多的參數(shù)，避免由于參數(shù)數(shù)量過多而導(dǎo)致控制電路的復(fù)雜程度提高，控制效果降低，維修難度和成本提高。以液壓系統(tǒng)為例，通常對其測量參數(shù)的選擇為壓力、溫度以及流量，這三項(xiàng)參數(shù)便可以反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，參數(shù)應(yīng)為實(shí)時(shí)參數(shù)且具有預(yù)警的作用，盡量不選擇滯后性較高的參數(shù)進(jìn)行測量[8]。

3.3 在線檢測傳感器的檢測原理

大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的檢測主要是利用鐵磁材料具有的壓磁效應(yīng)，對其進(jìn)行應(yīng)力的測試，這種檢測方法具有快速簡單的優(yōu)勢，且可以在各類惡劣檢測環(huán)境中進(jìn)行使用。這種檢測方法的原理主要便是壓磁效應(yīng)，也就是改變磁鋼強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，進(jìn)而改變材料的磁性能，最終使得材料的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥阅堋Ｒ蕴妓劁摬牧蠟槔?，由于這種材料的機(jī)電耦合系數(shù)通常在0.15到0.30區(qū)間內(nèi)（系數(shù)較低），使得這種材料的電壓變化和應(yīng)力變化之間的契合程度較低，這便造成測量的數(shù)據(jù)存在不靈敏的情況，所以應(yīng)選擇更合適的材料。當(dāng)下我國在非晶態(tài)合金運(yùn)用方面的研究取得了一定成績，這種材料的化學(xué)性能以及物理強(qiáng)度較好，非常適用于壓磁效應(yīng)檢測工作。這種材料可以在高頻交變的磁場中保持非常靈敏的電磁阻抗效應(yīng)，進(jìn)而為應(yīng)力壓磁效應(yīng)檢測奠定良好的基礎(chǔ)[9]。

3.4 在線檢測傳感器的工作關(guān)鍵環(huán)節(jié)

在大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器的全部工作環(huán)節(jié)中，測量和轉(zhuǎn)換參數(shù)是非常重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是將使用人員和大型工程機(jī)械進(jìn)行連接的重要組成。以大型工程機(jī)械應(yīng)力傳感器和扭矩傳感器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為例，可以借助以下模擬試驗(yàn)的方式研究兩種測量模式。

一組試驗(yàn)為：首先，將TM-M 型的Fe 基非晶態(tài)合金材料制作為長方形的形狀；其次，使用勵磁線圈對其進(jìn)行纏繞；之后將制作好的元件根據(jù)大型工程機(jī)械系統(tǒng)的受力方向在材料表面進(jìn)行粘貼，使其可以出現(xiàn)壓磁效應(yīng)，形成電壓，最終使力學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕男问健?/p>

另一組試驗(yàn)為：首先，將TM-M 型的Fe 基非晶態(tài)合金材料制作為長方形的形狀，對其進(jìn)行退火處理；其次，將制作好的元件根據(jù)大型工程機(jī)械系統(tǒng)的受力方向在材料表面進(jìn)行粘貼，在出現(xiàn)應(yīng)力后會因磁導(dǎo)率發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)電壓變化，以數(shù)值的變化進(jìn)行扭矩的獲取。這種測量的方式還能進(jìn)行非基礎(chǔ)的應(yīng)力測量，使傳感器的工作空間可以得到有效的拓展[10]。

4 結(jié)束語

綜上所述，在大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)中應(yīng)用傳感器的核心要點(diǎn)便是參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性和合理性，之后通過準(zhǔn)確地獲取參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成可以被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識別的信號，由計(jì)算機(jī)處理分析后展示給大型工程機(jī)械的操作人員和維修人員，這一模式的核心便是參數(shù)。由此不難看出，提高參數(shù)精度、降低參數(shù)測量成本以及提高參數(shù)利用概率是未來大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器的主要發(fā)展方向。