微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法技术

一种微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，通过在阀芯外圈位置设置与阀芯同轴的径向充磁的环形永磁铁和线圈，在阀芯的运动时采集线圈上产生的感生电动势；对感生电动势进行积分处理得到自锁阀的运动状态与阀芯的终止位置，通过检测磁通量变化或检测感生电动势获得阀芯的运动状态。本发明专利技术适应小尺寸微行程(≤1mm)自锁阀在冲击环境下其内部阀芯运动状态的判断与监测。状态的判断与监测。状态的判断与监测。

【技术实现步骤摘要】
微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法


[0001]本专利技术涉及的是一种自锁阀领域的技术，具体是针对一种冲击环境下微小行程磁锁式自锁阀阀芯的运动状态监测方法。

技术介绍

[0002]磁锁式自锁阀作为航天器中一类常见的部件，常起到控制系统管路中介质通断的作用，自锁阀阀芯的锁闭往往会导致整个控制系统的失效。如图1所示，自锁阀内部阀芯在腔道内相对于锁闭端与开启端有微小可运动行程(一般≤1mm)，自锁阀靠内部阀芯在无源状态下受到永磁环的磁力保持锁闭状态。该类自锁阀有两个稳态，即以上提到的锁闭状态与开启状态。在冲击环境下，其内部阀芯可能会产生相对于阀体的两侧限位端(即锁闭端与开启端)的运动，当冲击载荷足够大时，阀芯会运动并终止于开启端，从而导致自锁阀的锁闭失效，威胁控制系统的安全。
[0003]现有技术对冲击环境下阀芯的锁闭状态与运动规律缺乏足够认识和有效监测。通过一定的测量手段，用于采集自锁阀阀芯在冲击作用下的运动状态，判断阀芯锁闭失效与否，解决阀芯的在不同冲击载荷下的运动规律问题。主要包括接触式测量方法与非接触式测量方法两类，其中基于接触式测量方法的实验方案需要使测量设备伸出端通过自锁阀的细长开孔接触或绑定于阀体内部的阀芯。考虑到自锁阀所处的冲击环境较恶劣，现有设备无法承受上千G的实际冲击载荷；又因自锁阀开孔细小(≤1cm)，一般接触式测量设备伸出端无法通过开口进入阀内部。综上，接触式测量方法对于解决该类问题可行性较低。
[0004]现有的非接触式测量方法主要包括高速摄像机测量与红外摄像机测量。对于使用以上两种设备测量方法的具体实施，需要改造自锁阀阀体结构，以便测量点能够被设备捕捉到，例如在阀体上打孔以便运动的阀芯能够被标记。
[0005]非接触式测量方法存在几个明显的缺陷和不足：一是需要改造阀体机构，对本身尺寸较小且零部件较多的自锁阀，相关操作可能影响阀的部分功能；二是使用高速摄像机或者红外摄像机拍摄阀芯在微小行程内的瞬时运动，存在帧率和分辨率不足的问题；三是高速摄像机或者红外摄像机一般无抗冲击设计，无法承受500g以上较大量级的冲击环境，可能影响测试结果的准确性甚至造成测试设备的损坏；四是以上设备的价格普遍昂贵，一般在数十万至数百万之间，且使用不便，使用成本较高。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，通过检测阀芯运动件在磁场中的造成的磁通量变化输出的电压信号，获得阀芯运动速度，观察输出的电压信号积分值可以判断自锁阀的锁闭状态，本专利技术适应小尺寸微行程(≤1mm)自锁阀在冲击环境下其内部阀芯运动状态的判断与监测。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]本专利技术涉及一种微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，通过在阀芯外圈
位置设置与阀芯同轴的径向充磁的环形永磁铁和线圈，在阀芯的运动时采集线圈上产生的感生电动势；对感生电动势进行积分处理得到自锁阀的运动状态与阀芯的终止位置，通过检测磁通量变化或检测感生电动势获得阀芯的运动状态。
[0009]所述的阀芯，优选为软磁材料制成。
[0010]所述的自锁阀，其磁场的截面以待测量的圆柱形或近似圆柱形的轴对称图形为基准。
[0011]所述的环形永磁铁得内径大于阀芯且高度小于阀芯，其上下表面高度位置位于阀芯上下表面的高度位置之间。
[0012]所述的线圈具体设置于自锁阀的环形永磁铁上部或下部的附近位置，且保持与阀芯、环形永磁铁同轴。
[0013]所述的线圈为环形铜线圈，线圈个数优选为2个，线圈内径大于永磁环外径，线圈外径与永磁环外径对齐，线圈与永磁环在径向上投影有重合部分。
[0014]所述的感生电动势是指：通过提取阀芯沿轴向运动速度和感生电动势并计算二者之比例，从而通过实测感生电动势数据反推阀芯的运动速度，进而获得阀芯的运动状态。技术效果
[0015]本方法可以实现位于对阀体内部的具有微小行程自锁阀阀芯进行运动状态监测，相对于常规非接触测量方法对于阀芯内部毫秒级瞬态工况分辨率不足的问题，能够监测阀芯在毫秒级工况下的运动状态，对于常规接触式测量方法无法承受较高量级冲击环境，适用于太空环境中大量级冲击环境工况，尤其是解决了常规技术手段对微小行程阀芯在冲击这一瞬时复杂工况下运动状态测量困难的问题。
附图说明
[0016]图1为实施例自锁阀电磁结构轴对称截面简图；
[0017]图2为本专利技术装置示意图；
[0018]图3为本专利技术电路简图；
[0019]图4为本专利技术自锁阀阀芯运动状态判断流程图；
[0020]图5为使用仿真软件验证该电磁结构下线圈上感生电动势与阀芯速度呈正比关系的说明图。
[0021]图6为实际实施例下电压信号测量值
[0022]图7为实际实施例下电压信号积分值，即自锁阀阀芯运动状态
[0023]图中：环形线圈1和3、磁体2、阀芯锁闭端4、阀芯5、阀芯运动行程间隙6、阀芯开启端7、阀体结构8、自锁阀9、自锁阀线圈正负极10、冲击源11、数据采集仪12、定值电阻13、导线14、数据处理与绘制模块15、线圈内阻16。
具体实施方式
[0002]本实施例监测得到的阀芯运动状态包括：阀芯锁闭或者开启状态及运动过程中碰撞于两侧限位端的次数及时刻、阀芯在微小行程间隙内的轴向运动速度与位移曲线。
[0003]如图1和图2所示，本实施例涉及一种微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测装置，包括：设置于检测台上的自锁阀9，其中：自锁阀9内同轴于阀芯及环形磁铁的线圈正负
极外接头10、数据采集仪12和定值电阻13相连并构成如图3所示的电路，当冲击源11作用于自锁阀9上时，阀芯运动导致线圈产生的感应电动势得以输出，通过定值电阻13与线圈内阻16分配电压信号后，通过数据采集仪12采集感生电动势并输出至数据处理与绘制模块15。
[0004]所述的自锁阀9包括：两个环形线圈1、3、磁体2、阀芯锁闭端4、阀芯5、阀芯运动行程间隙6、阀芯开启端7、阀体结构8。
[0005]所述的数据处理与绘制模块15包括：阀芯启闭状态数据处理模块17和阀芯运动速度处理模块18。
[0006]所述的阀芯启闭状态数据处理模块17包括：积分处理单元、图形绘制单元、状态判断单元以及碰撞情况汇总单元，其中：积分处理单元周期性地采集的感生电动势信号，进行积分处理操作，得到感生电动势随时间积分的变化结果，图形绘制单元根据不同时刻感生电动势关于从零时刻至该时刻的时间积分的变化结果，进行图形绘制处理，得到感生电动势关于时间的积分随时间的变化图形；状态判断单元根据感生电动势关于时间积分的最大值与最小值，对于已得到的图形进行比较，得到终止位置的自锁阀状态；碰撞情况汇总单元根据感生电动势关于时间随时间增加过程中经过最大值与最小值的信息，进行汇总处理，得到阀芯在该采样时间段内分别碰撞于两侧限位端次数与碰撞时刻的结果。
[0007]所述的阀芯运动速度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，其特征在于，通过在阀芯外圈位置设置与阀芯同轴的径向充磁的环形永磁铁和线圈，在阀芯的运动时采集线圈上产生的感生电动势；对感生电动势进行积分处理得到自锁阀的运动状态与阀芯的终止位置，通过检测磁通量变化或检测感生电动势获得阀芯的运动状态。2.根据权利要求1所述的微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，其特征是，所述的自锁阀，其磁场的截面以待测量的圆柱形或近似圆柱形的轴对称图形为基准。3.根据权利要求1或2所述的微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，其特征是，所述的环形永磁铁得内径大于阀芯且高度小于阀芯，其上下表面高度位置位于阀芯上下表面的高度位置之间。4.根据权利要求1所述的微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，其特征是，所述的线圈具体设置于自锁阀的环形永磁铁上部或下部的附近位置，且保持与阀芯、环形永磁铁同轴。5.根据权利要求1或4所述的微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，其特征是，所述的线圈为环形铜线圈，线圈个数为2个，线圈内径大于永磁环外径，线圈外径与永磁环外径对齐，线圈与永磁环在径向上投影有重合部分。6.根据权利要求1所述的微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，其特征是，所述的检测感生电动势是指：通过提取阀芯沿轴向运动速度和感生电动势并计算二者之比例，从而通过实测感生电动势数据反推阀芯的运动速度，进而获得阀芯的运动状态。7.根据权利要求1所述的微小行程磁锁式自锁阀阀芯运动状态监测方法，其特征是，所述的检测磁通量变化，具体是指：利用磁通量变化判断阀芯的运动状态时，先在数据分析软件中进行积分处理，绘制出电压信号随时间的积分值S
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【专利技术属性】
技术研发人员：张文明，鞠震昊，闫寒，尤罡，陈健，高秋华，吴志渊，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：