基于三向磁传感器的电极性测试技术.pdf
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1、第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)基于三向磁传感器的电极性测试技术徐立峰,赵恒斌,付超凡,刘传,杨忆湄,王吉星(上海空间推进研究所,上海 201112)摘要:针对航天领域传统电极性测试准确性低、操作复杂等缺点,CZ-4型号优先使用一种基于三向磁传感器的电极性测试技术,实现使用一个三向磁传感器模块即可测取一个机组的磁场矢量值,并通过软件进行识别判断,从而测试阀门电极性的技术,该技术有效提升 90%测试准备时间,减少 2/3的测试人员数量,已在多个运载领域型号火箭完成应用测试,测试效果良好。与传统方法相比,
2、具有操作简单、智能化、安装数量少、安装方便、测试可靠性高和可推广性强等优点。关键词:电极性;三向磁传感器;矢量;航天领域;磁场中图分类号:TN 911.73;TP 391.9 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.033Polarity Testing Technology Based on Three-Dimensional Magnetic SensorsXU Lifeng,ZHAO Hengbin,FU Chaofan,LIU Chuan,YANG Yimei,WANG Jixing(Shanghai Insititute of Space P
3、ropulsion,Shanghai 201112,China)Abstract:A electrode testing technology based on three-dimensional magnetic sensors was designed by CZ-4 in response to the shortcomings of low accuracy and complex operation in traditional tests in the aerospace field.A three-way magnetic sensor was used to measure t
4、he magnetic field of vector value and to identify it using the software to test the polarity of the valve.This technology effectively improves testing preparation time by 90%and reduces the number of testing personnel by 2/3.In addition,it has been applied and tested on multiple rocket models in var
5、ious delivery fields,where expected testing results were acquired.Compared with traditional methods,it owns the advantages of simple operation,intelligence,less installation quantity,convenient installation,high testing reliability,and strong scalability.Key words:polarity;three-dimensional magnetic
6、 sensors;vector;aerospace field;magnetic field0引言 电磁阀是一种使用电磁线圈驱动的阀门,用来控制流体的流量、方向、速度等参数,广泛应用于运载火箭和卫星的动力系统中1,可通过控制加电,实现远程控制阀门的开启关闭,最终实现控制航天器飞行或在轨动作的作用。电磁阀、自锁阀等阀门通过电缆插头连接,很多航天型号包含了多个甚至多种类似阀门,插头误插隐患较大。电磁阀极性是指电磁阀内部电磁线圈续流二极管的极性。装配过程中接线错误会导致电磁阀极性错误,进而使得电磁阀不能正常工作。因此在测试环节,需要一种能够快速判断电磁阀极性是否正确的装置2。2017年,某型号姿控发
7、动机 5、6分机电磁阀误插,后续测试均未识别出来,最终导致整发火箭发射失利,给我国航天造成了不可估量的影响。国内航天领域原先极性测试普遍使用手摸耳听的方法,用手触摸阀门,根据阀门振动情况判断是否开启,该方法主观性较强,部分阀门振动信号不明显存在误判风险;举一反三后使用对系统充气,根据发动机出口气球或者压力传感器判断极性的方法,简称吹气法,吹气法具有极高的测试准确性,但是需要对系统进行充气,部分产品在部分场合下无法进行喷气极性测试。2016 年下半年提出使用非接触式传感器测试电极性的方法,2017年开收稿日期:20230423;修回日期:XXXXXXXX作者简介:徐立峰(1990),男,硕士,高
8、级工程师,主要研究方向为运载领域姿轨控发动机系统。226第 40 卷 2023 年第 s1 期徐立峰,等:基于三向磁传感器的电极性测试技术始航天六院、一院和八院开始进行非接触式极性测试方法的研究。一院最早使用开关霍尔传感器(干簧管)测试 CZ-7、CZ-5 型号电磁阀,干簧管可以测试大于 20 Gs的磁场场强,因此在测试过程中,无法测试到所有电磁阀。八院 CZ-4型号在干簧管、霍尔传感器等应用基础上,优先使用一种基于三向磁传感器的极性测试技术。该技术以每个象限的机组作为测试对象,测取该机组不同位置分机电磁阀磁场的矢量信号实现极性判断,具备安装数量少、测试准确、无复杂绕线等优点。1技术原理 1.
9、1极性测试对象分析航天产品使用的电控阀门一般安装在不同位置,以运载领域火箭姿控发动机使用的电磁阀为例,运载领域单组元发动机选取磁场强度最大的阀门(30阀)、磁场强度最小的阀门(40阀)和运用型号最多的阀门(20阀)进行仿真计算分析。运载领域姿控发动机其余型号用阀门,根据阀门电阻和输入电压换算,磁场强度介于 30 阀和 40 阀之间。使用 Maxwell软件对运载型号几个典型特征的电磁阀(30阀、20阀和40阀)进行磁场仿真,仿真结果如图1所示。由仿真结果可以看出,电磁阀表面随着位置变化,磁场出现较为复杂的强度波动变化,表面磁场强度较为均匀,轴向推力室头部喷注管附近的磁场衰减近似成线性规律,距离
10、电磁阀表面的距离越远,磁场衰减越快,磁场强度衰减速度近似与距离的平方成正比。1.2空间磁场矢量特性分析随着科学技术的发展,磁场测试研究更加偏向于三维磁矢量的测量5。空间上一载有电流 I、半径为 a 的线圈,以 O 点为圆心、轴线为极轴,建立球坐标系和笛卡尔坐标系,如图 2所示,它在 P 点的磁感应强度根据解析法计算可得6:B=0Ia402r()cos cos ex+r()cos sin ey+(a-rsin cos)exd()r2+a2-2arsin cos 3 2(1)由毕奥-萨伐尔定律和对称性可知,在空间(r,)相同的点(即以极轴上任一点为圆心、与圆电流平行的圆周上),B 的大小必定相同。
11、因此,取 P 点和极轴构成的平面为方位角=0的平面进行计算,当r a是为远区,该处磁感应强度为B=0Ia24r33(sincos)ex+(2-3sin2)ez(2)由式(2)可知,通电线圈在空间上产生 3个方向的磁场,当 P点远远大于线圈半径时,通过合理设置P点传感器位置和角度,可以采集磁场在 P点处 3个方向的非零数值。1.3三向磁传感器极性测试原理根据通电线圈在空间上产生的磁场特点,设计使用一种基于三向磁传感器的极性测试技术。三向磁传感器可测取空间磁场,输出 3 个方向的磁场(a)20阀磁场云(b)30阀磁场云(c)40阀磁场云图 1电磁阀磁场特性仿真分析Fig.1Electromagne
12、tic valve magnetic field characteristics simulation analysis227第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)大小,且具有极高的灵敏度,最高可测试 1 Gs 的磁场信号。将传感器模块放置在机组中间,各分机对应测试传感器模块分别位于上、下、左、右方向,因此输出的 X、Y、Z 值有正负及大小的差异,如图 3所示。航天领域产品以姿控发动机系统为例,电磁阀一般集中在 4个象限的机组附近。三向磁传感器以每个象限的机组作为测试对象,将传感器粘贴至机组附近,依次测取每
13、台分机工作时产生的电磁场,分别输出 3 个方向的值,利用软件记录每个分机磁场数据特征,制定极性判读的判据。测试原理示意图如图 4 所示,其中传感器模块自带电源及无线通讯模块,可以将采集的磁场信号无线发射至上位机软件。(a)极性测试(b)传感器模块图 4极性测试原理Fig.4Schematic diagram of pensory test1.4三向磁传感器极性测试步骤基于三向磁传感器极性测试需要对极性正确的产品进行磁场测试,根据测试的磁场特征制定相应的判据,具体的测试步骤包括:1)将传感器模块安装在产品的一个特定位置,记录安装位置及传感器安装方向;2)将极性正确的产品依次输出电磁信号,使用三向
14、磁传感器模块采集各个分机的磁场信号并在软件中设置判据后保存;3)将传感器模块以同样安装角度安装在被测产品同样位置,依次输出被测产品的电磁信号,将被测产品的电磁信号与步骤二中正确产品的电磁图 3三向磁传感器磁场矢量测试Fig.3Schematic diagram of three-way magnetic sensor magnetic field vector test图 2通电线圈空间磁场强度计算Fig.2Calculation of spatial magnetic field strength of energized coils228第 40 卷 2023 年第 s1 期徐立峰,等:基
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