電磁閥啟閉特性非接觸測量方法研究

封錫凱，李 偉，李 輝

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

航天推進(jìn)系統(tǒng)中電磁閥主要用于推進(jìn)劑控制單元，在出廠前需對其進(jìn)行性能測試。從測試方法上，一直沿用“電流曲線法”來判斷電磁閥的吸合釋放時(shí)間，從而確定電磁閥的性能。所謂的“電流曲線法”即用一個(gè)取樣電阻串入電磁閥線圈回路中，通電使電磁閥動作，測量電阻兩端的電壓變化，描述出電流波形。電磁閥的測試無論是采取電流曲線法還是利用氣、液路的通斷來判斷，均受環(huán)境條件的限制，必須采用非接觸式的檢測方法。研究了一種高靈敏度磁敏感器，后續(xù)配以必要的變換電路，實(shí)現(xiàn)了電磁閥啟、閉特性的非接觸測量，并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 電磁閥工作原理及工作過程的磁場變化

1.1 電磁閥工作原理

電磁閥主要由固定鐵芯、銜鐵、線圈、彈簧等零部件組成。通電時(shí)，線圈產(chǎn)生電磁力，帶動銜鐵克服彈簧反作用力運(yùn)動，閥門打開；斷電時(shí)，線圈電磁力消失，彈簧推動銜鐵返回原位置，閥門關(guān)閉。某電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of solenoid valve

1.2 電磁閥啟、閉過程的磁場變化

電磁閥在開啟、關(guān)閉過程中會產(chǎn)生瞬變電磁場；電磁閥鐵心完全吸合后，進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，磁場保持恒定。由于電磁閥殼體采用導(dǎo)磁材料，磁力線大部分將通過殼體構(gòu)成閉環(huán)回路，但銜鐵與殼體間工作氣隙的存在或閥壁厚度的不均勻，一部分磁力線在電磁閥周圍產(chǎn)生一定量的磁場，即所謂漏磁。利用對漏磁場的檢測即可完成對電磁閥通電和斷電特性的檢測。

2 新型磁敏感器設(shè)計(jì)

利用磁敏感器對電磁閥的測試，就是測量當(dāng)電磁閥內(nèi)部電流變化引起的周圍磁場的變化。磁敏感器測出的磁場變化波形即反映了電磁閥內(nèi)部的電流特性。所設(shè)計(jì)的磁敏感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 磁敏感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of magnetic-sensor

磁敏感器主要由線圈、線圈骨架和殼體構(gòu)成，線圈骨架為高磁導(dǎo)率軟磁合金。同電流類似，磁力線總是走磁阻最小（磁導(dǎo)率最大）的路徑。電磁閥動作時(shí)，漏磁場被磁敏感器捕獲，經(jīng)線圈骨架的“集束”作用通過線圈內(nèi)部。

由電磁感應(yīng)原理

而

式中：eL為線圈感應(yīng)電動勢；N為線圈匝數(shù)；Φx為電磁閥漏磁場；t為時(shí)間；iv為電磁閥線圈中的電流。這樣，磁敏感器產(chǎn)生一電壓信號，而且與電磁閥線圈電流成正比。經(jīng)后續(xù)電路處理即可完成對電磁閥啟、閉特性的非接觸測量。

3 試驗(yàn)及測試結(jié)果

對某電磁閥進(jìn)行試驗(yàn)，分別利用電流曲線法和磁敏感器進(jìn)行檢測，試驗(yàn)曲線如圖3所示。

從圖中波形可分析出電磁閥內(nèi)銜鐵的運(yùn)動情況，兩種測試結(jié)果符合性較好。

電磁閥通電時(shí)（A點(diǎn)），波形的前沿反映銜鐵被吸合的過程；當(dāng)電磁鐵線圈電流大到使銜鐵開始動作時(shí)，線圈電感增加，反電動勢增加，阻止電流繼續(xù)上升；直到銜鐵完全吸合（B點(diǎn)），銜鐵在達(dá)到吸合位置后停止運(yùn)動，銜鐵運(yùn)動引起的反電動勢消失，線圈電流又繼續(xù)按指數(shù)曲線的規(guī)律上升至額定值，而磁敏感器產(chǎn)生的電壓信號因磁飽和而衰減至零。電磁閥的斷電過程是上述過程的逆過程，同樣會產(chǎn)生波形跳變。

圖3 某型號電磁閥啟、閉特性測試曲線Fig.3 On-off characteristics of a certain solenoid valve

上述測試結(jié)果可準(zhǔn)確反映電磁閥的性能。電磁閥的吸合時(shí)間ton定義為從電磁閥開始通電到銜鐵完全吸合為止的時(shí)間tAB；釋放時(shí)間toff定義為從電磁閥開始斷電到銜鐵完全復(fù)位的時(shí)間tCD。由測試曲線可準(zhǔn)確判讀電磁閥的啟、閉特性，從而判斷電磁閥工作是否正常。如圖4所示波形，是人為將電磁閥的電源電壓往高拉偏時(shí)的現(xiàn)象。這時(shí)測量曲線中的上升沿出現(xiàn)兩次跳變，這是由于線圈電流過大，產(chǎn)生的電磁力過大，導(dǎo)致銜鐵動作發(fā)生小的反彈造成的。

圖4 電磁閥的電源電壓往高拉偏時(shí)的動作波形Fig.4 Waveform curve as voltage of solenoid valve is rising

4 磁敏感器抗干擾措施

磁敏感器對磁場敏感，當(dāng)被檢測電磁閥周圍存在其它瞬變磁場時(shí)，會對磁敏感器造成干擾，嚴(yán)重時(shí)將極大影響所測電磁閥特性的判讀。可采取以下措施降低外干擾磁場的影響：

1）針對不同的電磁閥，設(shè)計(jì)相應(yīng)的線圈匝數(shù)，以提高或降低磁敏感器靈敏度，使磁敏感器只對某距離段內(nèi)的磁場敏感；

2）調(diào)整磁敏感器方向，對準(zhǔn)電磁閥漏磁點(diǎn)，使其對某方向的磁場靈敏度最高；

3） 在磁敏感器周圍加一環(huán)形軟磁材料屏蔽罩，屏蔽周圍磁場，降低干擾磁場的影響。

5 結(jié)論

新型磁敏感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。使用所研制的磁敏感器對電磁閥的啟、閉特性進(jìn)行了測量，并與“電流曲線法”的測量結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，在不增加箭上測試點(diǎn)的情況下，利用磁敏感器對電磁閥特性進(jìn)行非接觸式檢測是可行的。

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