張子劍，王 頔，龔 博，賈 睿，楊秀山

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

電磁閥是重要的控制部件，應(yīng)用于各類航天飛行器。根據(jù)電磁閥閥芯動作特性，結(jié)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(shè)計了電磁閥極性檢測系統(tǒng).在此基礎(chǔ)上對檢測系統(tǒng)應(yīng)用進行研究，驗證漏磁檢測技術(shù)應(yīng)用到航天器極性測試中的可行性和準確性。結(jié)果表明：基于漏磁原理的非接觸式檢測技術(shù)應(yīng)用于電磁閥動作檢測，與控制指令相比，檢測結(jié)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(tǒng)的不斷發(fā)展，電磁閥在工業(yè)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(zhì)相適應(yīng)的氣體、液體的開關(guān)控制，又可用作安全和保護連鎖系統(tǒng)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(jié)果的檢測一直是各項目面臨的重要問題。目前在航天系統(tǒng)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(shè)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(yōu)點，在無損檢測領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。國外對漏磁檢測技術(shù)的研究較早，Zuschlug[2]于1933年首先提出應(yīng)用磁敏傳感器測量漏磁場的思想，但直至1947年Hastings設(shè)計了第1套漏磁檢測系統(tǒng)，漏磁檢測才開始受到普遍的承認[3]。中國在漏磁檢測技術(shù)的理論研究和工業(yè)應(yīng)用方面都落后于歐美等工業(yè)發(fā)達國家，但近年來，隨著中國科技水平的提高和應(yīng)用的需求，漏磁檢測技術(shù)也越來越多的投入到實際應(yīng)用[4]。在航天領(lǐng)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(shù)以其無損、非接觸等優(yōu)點得到了關(guān)注，并逐漸開展轉(zhuǎn)入了工程應(yīng)用。

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有漏磁檢測的研究進展，結(jié)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(shè)計了電磁閥極性檢測系統(tǒng)，并驗證了此方法實際應(yīng)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(tài)。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(tài)變化，2種狀態(tài)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(guī)律轉(zhuǎn)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(fā)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(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當N匝線圈在恒定磁場內(nèi)運動時，設(shè)穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢E與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：

然而，工業(yè)現(xiàn)場的電磁環(huán)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(jīng)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(xiàn)對它的抑制，甚至?xí)斐珊罄m(xù)特征抽取時無法實現(xiàn)對有效磁路信號（電磁閥打開和關(guān)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(tǒng)組成及設(shè)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(tǒng)主要由數(shù)據(jù)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(shù)字IO板（簡稱DIO板）、磁性傳感器等組成，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理及判讀和測試結(jié)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(shù)據(jù)采集計算機以12 V形式提供，DIO板所用電源為+12 V經(jīng)DC/DC變換后的二次電源，各DC-DC模塊構(gòu)成相互獨立的電源體系，提高了儀器抗干擾能力；測量系統(tǒng)則采用隔離技術(shù)，實現(xiàn)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(chǎn)生磁場，漏磁通在磁路傳感器感應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)換后將信號送入計算機進行處理。同時，KIO提供數(shù)字量輸入和數(shù)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(tài)，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(yī)學(xué)、資源探測、地震災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(yīng)磁傳感器、磁阻傳感器、磁通門磁傳感器到超導(dǎo)量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）和基于巨磁阻效應(yīng)的磁傳感器，磁傳感器技術(shù)不斷的向前發(fā)展[5]。

考慮到實際需求、現(xiàn)場惡劣的使用環(huán)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(chǎn)生漏磁場變化信號，較大的技術(shù)難點在于：電磁閥動作產(chǎn)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(chǎn)生的磁場信號及其它設(shè)備產(chǎn)生的磁場信號，在此環(huán)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(jié)構(gòu)采取選擇性采集磁場信號，并對有效信號進行集中的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)特點。

針對電磁閥動作漏磁信號微弱且環(huán)境干擾源復(fù)雜的特點，設(shè)計傳感器由線圈骨架、隔磁環(huán)、殼體、放大電路板及電纜組成。高匝數(shù)線圈實現(xiàn)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(nèi)壁構(gòu)成完整閉合磁路，合理控制長徑比降低電荷趨膚效應(yīng)，通過隔磁環(huán)隔離外部磁場與采集到的內(nèi)部磁場，提高抗干擾能力，放大電路實現(xiàn)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(jié)構(gòu)見圖2。

線圈骨架由高導(dǎo)磁材料1J80制成，此高導(dǎo)磁材料對磁場信號有較強的敏感性，對于電磁閥動作產(chǎn)生弱信號能夠?qū)崿F(xiàn)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(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理，可實現(xiàn)將磁場信號通過骨架及線圈轉(zhuǎn)換為電信號的目的。繞線方式采用雙線并繞技術(shù)，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(lián)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(tài)下輸出不穩(wěn)定的情況。通過嚴格控制線圈骨架結(jié)構(gòu)的長徑比降低電荷趨膚效應(yīng)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(huán)采用不導(dǎo)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(yīng)吸收的磁場信號延線圈骨架軸向傳輸，并構(gòu)成良好的磁場閉合回路，實現(xiàn)磁場信號有效集中的目的。

殼體將感應(yīng)吸收的磁場信號屏蔽于殼體內(nèi)，使其在殼體內(nèi)構(gòu)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(dǎo)磁材料鎳，實現(xiàn)屏蔽周圍干擾信號（包括其他電磁閥動作產(chǎn)生的磁場信號及其它設(shè)備產(chǎn)生的磁場信號）。

2.2 全頻率域范圍磁場信號自適應(yīng)濾波

為避免磁路信號濾波后，波形發(fā)生變化，首先將微弱磁路信號進行放大，保證與采集系統(tǒng)的適配性，然后針對信號中的干擾部分進行濾除?？紤]到檢測目的只是要求準確辯識出電磁閥的開與關(guān)，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(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)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(nèi)的信號進行處理，確?？焖?、準確及實用性。

圖3為放大電路原理。圖3中C1，C2，C3構(gòu)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(diào)整。

2.2.1 截止頻率

在頻域內(nèi)滿足3 dB插入損耗所對應(yīng)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(diào)節(jié)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(fù)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(xiàn)對飛行器其他系統(tǒng)加電和斷電電磁噪聲的抑制。經(jīng)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(shù)字濾波是一個不錯的選擇，所謂數(shù)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(zhì)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(shù)據(jù)做算術(shù)平均便得到一次滑動平均濾波的結(jié)果。這樣做使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不必一次采集大量數(shù)據(jù)來做平均值濾波，節(jié)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(shù)據(jù)點）的滑動數(shù)據(jù)塊作均值濾波，即首個經(jīng)濾波處理的數(shù)據(jù)實際為原始位置數(shù)據(jù)點1～22的所有值的加權(quán)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(shù)據(jù)塊長度覆蓋了干擾信號周期，可以有效實現(xiàn)自適應(yīng)對消過程。其濾波器對比特性結(jié)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(xiàn)對閥門打開和關(guān)閉過程機器判讀（關(guān)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(dǎo)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(zhí)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(xiàn)對電磁閥打開和關(guān)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(shù)據(jù)序列點的歸一化處理，規(guī)范不同電磁閥動作時的磁路曲線；

b）通過數(shù)據(jù)序列的自動分割算法，完成對離散信號數(shù)據(jù)序列的窗選；

c）通過冒泡排序，據(jù)“輕氣泡”不能在“重氣泡”下的原則，從下到上掃描數(shù)組[8]，完成對窗選數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)序列中符合閾值條件的首個過零數(shù)據(jù)點；

e）窗選數(shù)據(jù)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(xiàn)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(guān)閉過程。

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

特征抽取的最主要特征是：

a）設(shè)置軟件閾值，以區(qū)分有效信號和干擾信號；

b）根據(jù)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(guān)閉動作過程。

算法實現(xiàn)流程如圖7所示。

2.4 試驗數(shù)據(jù)及測試結(jié)果

以某飛行器項目地面測試結(jié)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(jù)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(cè)面板安裝插座、噴管編號一一對應(yīng)，然后進行自檢測試。自檢測試過程中，根據(jù)相應(yīng)的指令磁路傳感器自施加激勵，自檢測試完畢，檢測儀根據(jù)施加的激勵指令和測試結(jié)果，自動對測試結(jié)果進行判別；系統(tǒng)測試時，指令由控制系統(tǒng)發(fā)出，檢測儀根據(jù)控制系統(tǒng)指令自動啟動記錄，隨后實時完成信號采集，信號采集結(jié)束后自動進行信號處理、打印，并與控制系統(tǒng)的指令發(fā)出結(jié)果進行比對。表1為電磁閥實際檢測結(jié)果。

表1 電磁閥實際檢測結(jié)果

從表1可知，該檢測儀檢測結(jié)果精準，與控制系統(tǒng)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(jié)束語

本文所述磁性傳感器與工業(yè)應(yīng)用中的霍爾磁場傳感器相比較，具有只敏感閥門打開和關(guān)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(yōu)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(shè)計的極性檢測系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)總體研究與設(shè)計