基于漏磁原理的非接觸式電磁閥檢測技術應用研究

張子劍，王 頔，龔 博，賈 睿，楊秀山

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 中國運載火箭技術研究院物流中心，北京，100076）

基于漏磁原理的非接觸式電磁閥檢測技術應用研究

張子劍1，王 頔2，龔 博1，賈 睿1，楊秀山1

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 中國運載火箭技術研究院物流中心，北京，100076）

電磁閥是重要的控制部件，應用于各類航天飛行器。根據電磁閥閥芯動作特性，結合目前漏磁檢測的一些研究，提出了一種基于漏磁原理的非接觸式電磁閥檢測方法，對飛行器的電磁閥極性進行測試，并設計了電磁閥極性檢測系統.在此基礎上對檢測系統應用進行研究，驗證漏磁檢測技術應用到航天器極性測試中的可行性和準確性。結果表明：基于漏磁原理的非接觸式檢測技術應用于電磁閥動作檢測，與控制指令相比，檢測結果準確可靠。

電磁閥；航天飛行器；漏磁；極性檢測

0 引 言

隨著集成化控制系統的不斷發展，電磁閥在工業中的運用也越來越廣泛和靈活，它既可以用于水、空氣和中性氣體及其它與電磁閥材質相適應的氣體、液體的開關控制，又可用作安全和保護連鎖系統控制[1]。各類航天飛行器中常常用其對多路小型噴管進行通斷控制，因此，對電磁閥動作結果的檢測一直是各項目面臨的重要問題。目前在航天系統對電磁閥動作檢測的辦法通常有人工觸摸檢測、振動式檢測、電流檢測等，但可能存在誤判率較高、控制回路中需額外串入設備等不足，如振動式檢測，當兩電磁閥相距較近時，其形成的振動易被相臨的振動傳感器捕獲，難以分辨。

漏磁檢測以其無損、非接觸、自檢過程簡單以及準確性高等優點，在無損檢測領域得到了迅猛的發展。國外對漏磁檢測技術的研究較早，Zuschlug[2]于1933年首先提出應用磁敏傳感器測量漏磁場的思想，但直至1947年Hastings設計了第1套漏磁檢測系統，漏磁檢測才開始受到普遍的承認[3]。中國在漏磁檢測技術的理論研究和工業應用方面都落后于歐美等工業發達國家，但近年來，隨著中國科技水平的提高和應用的需求，漏磁檢測技術也越來越多的投入到實際應用[4]。在航天領域，使用較多的仍是電流和振動式檢測辦法，但基于漏磁原理的電磁閥檢測技術以其無損、非接觸等優點得到了關注，并逐漸開展轉入了工程應用。

根據國內外現有漏磁檢測的研究進展，結合航天飛行器的實際使用需求，提出一種基于漏磁原理的非接觸式電磁閥極性檢測方法，設計了電磁閥極性檢測系統，并驗證了此方法實際應用到航天飛行器地面極性檢測中的效果。

1 漏磁檢測方法的基本原理及影響因素

漏磁場測量方法捕獲的是電磁閥通/斷電時刻的磁場變化過程，通過磁場反映電流變化過程，進而確定閥芯運動狀態。由于閥芯完全吸合后，閥壁磁場飽和，磁力線大量瀉出，因此可以測試到閥芯吸合后和斷開瞬間的磁場狀態變化，2種狀態下磁力線磁場極性相反，即可以反映閥門的通電和斷電過程。磁敏傳感器可以捕獲該信號，并按一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。磁敏傳感器是伴隨測磁儀器的進步而逐漸發展起來的，在眾多的測磁方法中，大都是將磁場信息變成電信號進行測量的。根據法拉第電磁感應定律，當N匝線圈在恒定磁場內運動時，設穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內的感應電勢E與磁通變化率dΦ/dt有如下關系：

然而，工業現場的電磁環境往往較為惡劣，存在較多的周期性電磁波干擾，而使得磁路信號的信噪降低，這種周期性電磁波干擾噪聲，由于占用的頻率范圍寬、功率譜不確定，采用經典的低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器都無法有效實現對它的抑制，甚至會造成后續特征抽取時無法實現對有效磁路信號（電磁閥打開和關閉過程）特征分離，從而影響檢測的準確性。

2 電磁閥極性檢測系統組成及設計

通過上述可知，須完成對電磁閥漏磁的準確檢測，方能判斷閥芯的動作情況。電磁閥極性檢測系統主要由數據采集計算機，含電源、總線板（含交流/直流總線板和CPCI總線板）、處理機板、A/D板、控制IO板（簡稱KIO板）、顯示屏以及數字IO板（簡稱DIO板）、磁性傳感器等組成，如圖1所示。其中，數據采集計算機主要完成人機界面交匯、I/O控制、A/D采樣、測試數據記錄、數據處理及判讀和測試結果顯示、打印控制等各項工作；液晶顯示屏安裝于儀器后面板上，形成一體化形式。

電源部分采用二次電源形式，AC/DC電源由數據采集計算機以12 V形式提供，DIO板所用電源為+12 V經DC/DC變換后的二次電源，各DC-DC模塊構成相互獨立的電源體系，提高了儀器抗干擾能力；測量系統則采用隔離技術，實現電氣隔離，提高儀器的抗干擾性能。

主要工作過程如下：電磁閥通電工作后，線圈產生磁場，漏磁通在磁路傳感器感應的電壓信號通過濾波放大后送入計算機A/D板，A/D板完成模數轉換后將信號送入計算機進行處理。同時，KIO提供數字量輸入和數字量輸出接口。通過KIO板提供的指令輸出信號，可使DIO板處于磁路自檢激勵狀態，在無外界信號時可完成檢測儀功能自檢。

2.1 非接觸式漏磁場定向檢測

磁傳感器在生物醫學、資源探測、地震災害預警等領域有著廣泛的應用。隨著對磁場探測精度越來越高的要求，磁傳感器的性能也不斷的提高。從最常用的霍爾效應磁傳感器、磁阻傳感器、磁通門磁傳感器到超導量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）和基于巨磁阻效應的磁傳感器，磁傳感器技術不斷的向前發展[5]。

考慮到實際需求、現場惡劣的使用環境及成本造價等因素，本項目選擇磁通門磁傳感器作為探測裝置。采集電磁閥動作產生漏磁場變化信號，較大的技術難點在于：電磁閥動作產生的磁場信號為不大于10 mV的弱信號，且周圍存在其他電磁閥動作產生的磁場信號及其它設備產生的磁場信號，在此環境中，對信號處理及判讀帶來較大的難度。

針對此問題，磁性傳感器結構采取選擇性采集磁場信號，并對有效信號進行集中的結構，即高效采集電磁閥動作信號，同時具有屏蔽周圍干擾信號的結構特點。

針對電磁閥動作漏磁信號微弱且環境干擾源復雜的特點，設計傳感器由線圈骨架、隔磁環、殼體、放大電路板及電纜組成。高匝數線圈實現對微弱磁場信號的采集，骨架能夠有效收集正向磁場信號并與殼體內壁構成完整閉合磁路，合理控制長徑比降低電荷趨膚效應，通過隔磁環隔離外部磁場與采集到的內部磁場，提高抗干擾能力，放大電路實現對采集到的磁場信號進行濾波和放大的功能。磁性傳感器結構見圖2。

線圈骨架由高導磁材料1J80制成，此高導磁材料對磁場信號有較強的敏感性，對于電磁閥動作產生弱信號能夠實現靈敏感知，達到提高磁力線密集程度，提高磁性探頭靈敏度的目的。根據法拉第電磁感應定理，可實現將磁場信號通過骨架及線圈轉換為電信號的目的。繞線方式采用雙線并繞技術，有效保證放大器輸入端輸入電壓正負端一致性較好，并將串聯繞線的中間抽頭端接地，有效避免放大器在高放大增益的狀態下輸出不穩定的情況。通過嚴格控制線圈骨架結構的長徑比降低電荷趨膚效應的影響，提高線圈輸出信號激勵，同時滿足小巧、輕便的總裝要求。隔磁環采用不導磁材料1Cr18Ni9Ti制成，作用在于隔斷線圈骨架與殼體之間的磁路，使骨架感應吸收的磁場信號延線圈骨架軸向傳輸，并構成良好的磁場閉合回路，實現磁場信號有效集中的目的。

殼體將感應吸收的磁場信號屏蔽于殼體內，使其在殼體內構成完整閉合磁路。在材料上，以鋁材料作為基材，外表面電鍍導磁材料鎳，實現屏蔽周圍干擾信號（包括其他電磁閥動作產生的磁場信號及其它設備產生的磁場信號）。

2.2 全頻率域范圍磁場信號自適應濾波

為避免磁路信號濾波后，波形發生變化，首先將微弱磁路信號進行放大，保證與采集系統的適配性，然后針對信號中的干擾部分進行濾除。考慮到檢測目的只是要求準確辯識出電磁閥的開與關，沒有提出對其頻譜進行準確分析的要求，而且進行頻譜分析需將信號作離散傅里葉變換，在頻域通過算法進行處理，需要額外的CPU資源開銷。而且通過現場測試，發現存在的干擾源主要為異常尖峰和周期性干擾，因此本文只對時域內的信號進行處理，確保快速、準確及實用性。

圖3為放大電路原理。圖3中C1，C2，C3構成“π”型濾波器，用于濾除信號間和信號與地間干擾。電路的截止頻率由R1，R2，C1，C2，C3的取值進行調整。

2.2.1 截止頻率

在頻域內滿足3 dB插入損耗所對應的頻點，保證工作頻率小于截止頻率，由電路中R1，R2，C1，C2，C3的取值決定。

式中 R1=R2；C1=C2；C3≈10C1。

2.2.2 放大器增益

放大器增益G為

式中 RG為放大器A1增益調節電阻。

將在時域中將過零點脈沖符合脈寬小于6 ms、幅度超過0.05的窄脈沖信號進行限幅消峰處理，固定其脈沖幅度為0.05，從而將各種多路徑復雜條件下的強電磁干擾信號與電磁閥動作時的漏磁場特征信號分離，實現對飛行器其他系統加電和斷電電磁噪聲的抑制。經尖脈沖濾波控制算法前、后的圖像如圖4所示，對照最后一個負向脈沖，異常負向尖脈沖被有效削平。

針對磁路信號中混入的周期性干擾信號，數字濾波是一個不錯的選擇，所謂數字濾波，就是通過一定的計算程序減少干擾在有用信號中的比重，故實質上是一種程序濾波[6]。文獻[7]提出滑動平均濾波辦法，滑動平均濾波實際上它是通過一個長度為N的滑動窗，沿離散時間不斷向前滑動，對這N個數據做算術平均便得到一次滑動平均濾波的結果。這樣做使得數據采集系統不必一次采集大量數據來做平均值濾波，節約了采集時間，讓平均值濾波有了實踐的意義。

本文選取一固定長度（22個數據點）的滑動數據塊作均值濾波，即首個經濾波處理的數據實際為原始位置數據點1～22的所有值的加權值的均值，滑動塊長度為22×0.2=4.4 ms（實際周期性干擾最大脈寬約為14.4×0.2=2.88 ms），因此滑動數據塊長度覆蓋了干擾信號周期，可以有效實現自適應對消過程。其濾波器對比特性結果如圖5所示。

2.3 電磁閥漏磁信號特征識別

在采用“新型非接觸式磁性傳感器”獲取到電磁閥動作的磁場信號情況下，由軟件實現對閥門打開和關閉過程機器判讀（關鍵算法），其難點在于電磁閥線圈繞制和裝配方向的不確定性，導致電磁閥開啟時各閥門磁場的S極和N極并不一致，從而造成不同閥門在執行相同的動作時，磁傳感器敏感輸出的電信號有正有負，如圖6所示。

因此，算法需要綜合信號幅度、曲線形狀等多種因素實現對電磁閥打開和關閉過程的自動判讀，需要在軟件上以曲線開啟過程的爬升變化率進行界定。電磁閥磁路特征識別算法如下：

a）通過對數據序列點的歸一化處理，規范不同電磁閥動作時的磁路曲線；

b）通過數據序列的自動分割算法，完成對離散信號數據序列的窗選；

c）通過冒泡排序，據“輕氣泡”不能在“重氣泡”下的原則，從下到上掃描數組[8]，完成對窗選數據序列的極大值和極小值的尋找；

d）通過閾值的過零點檢測，尋找窗選數據序列中符合閾值條件的首個過零數據點；

e）窗選數據序列的相鄰2次過零動作曲線，以曲線過零點至其后面臨近出現的極值點的時間差為大者定義為電磁閥開啟過程，較小者定義為關閉過程。

算法約束條件：過零曲線段一側應為正值，另一側應為負值，正負值出現先后順序不作要求（即允許電磁閥線圈裝配關系不作約束），但應成對出現。

特征抽取的最主要特征是：

a）設置軟件閾值，以區分有效信號和干擾信號；

b）根據閥芯動作信號的寬度及上升沿斜率，確定電磁閥屬于開啟或關閉動作過程。

算法實現流程如圖7所示。

2.4 試驗數據及測試結果

以某飛行器項目地面測試結果為例，該項目需同時完成16路的電磁閥的動作情況，地面測試時周圍同時存在無線微波、交流電機等周期性干擾，也有大功率伺服模擬能源動作的尖峰干擾，同時還存在2路電磁閥同時開啟，或是開啟時間有重合。

檢測儀進行極性測試前，首先安裝16路磁路傳感器（根據飛行器的實際特點，可配備不同的安裝支架，將磁路傳感器安裝于距離電磁閥盡可能近的地方），要求磁性傳感器編號與檢測儀側面板安裝插座、噴管編號一一對應，然后進行自檢測試。自檢測試過程中，根據相應的指令磁路傳感器自施加激勵，自檢測試完畢，檢測儀根據施加的激勵指令和測試結果，自動對測試結果進行判別；系統測試時，指令由控制系統發出，檢測儀根據控制系統指令自動啟動記錄，隨后實時完成信號采集，信號采集結束后自動進行信號處理、打印，并與控制系統的指令發出結果進行比對。表1為電磁閥實際檢測結果。

表1 電磁閥實際檢測結果

從表1可知，該檢測儀檢測結果精準，與控制系統的激勵一致，有效地避免了周邊的各類干擾，測試真實可信。

3 結束語

本文所述磁性傳感器與工業應用中的霍爾磁場傳感器相比較，具有只敏感閥門打開和關閉過程的特點，且能夠以差分形式輸出信號，同時還具有采集距離更長，采集精度高等方面的優勢。提出的軟件算法有將地解決了多種電磁干擾下對電磁閥漏磁檢測的影響難題，設計的極性檢測系統在各種工況下均進行了實地測試，均能準確無誤地完成功能，具有較好的穩定性和檢測精度。

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Application Research of Contactless Solenoid Valve Detection Technology Based on Magnetic Flux Leakage Theory

Zhang Zi-jian1, Wang Di2, Gong Bo1, Jia Rui1, Yang Xiu-shan1
(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology Logistics Center, Beijing, 100076)

Solenoid valve is an important controller unit and it is used widely in serious of aerospace crafts. According to the characters of valve element and the present research results of solenoid valve detection technology, this paper proposes a method of contactless solenoid valve detection based on the theory of magnetic flux leakage. The purpose of the method is to test the polarity of solenoid valve and a polarity detector system is designed. It analyzes the application of the detection system and verifies the feasibility and accuracy of magnetic flux leakage detection technology applied on the polarity testing on aerospace craft. The result indicate: Contactless detection technology based on magnetic flux leakage theory apply on solenoid valve working test, compared with control command, the test result is accurate and credible.

Solenoid valve; Aerospace craft; Magnetic flux leakage; Polarity detection

V448.25+1

A

1004-7182(2017)03-0101-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20170322

2016-11-22；

2017-02-03

張子劍（1987-），男，工程師，主要研究方向為飛行器電氣系統總體研究與設計