基于三向磁传感器的电极性测试技术.pdf

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，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 Propulsion，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 the 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 various 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 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 1.1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。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.1Electromagnetic 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：基于三向磁传感器的电极性测试技术信号进行比对，实现各分机的识别。1.5三向磁传感器安装形式基于三向磁传感器的极性测试方法由于利用不同方位的线圈类阀门输出的磁场具有不同特征的原理，且三向磁传感器用于测试地磁场，具有极高的灵敏度，因此测试时无需将传感器完全贴合在电磁阀表面，经试验验证，运载领域姿控发动机最小电磁阀在距离传感器模块 20 cm 处可输出大于10 Gs 的磁场强度，当磁场强度低于 10 Gs 后，神经网络系统对数据辨识能力大大下降，因此三向磁传感器测试范围为以传感器为中心半径 20 cm 的空间球体。CZ-2D 可将传感器模块粘贴在喷口金属保护堵盖处；CZ-4系列火箭在出厂时机组附近会安装保护罩，因此仅需安装在保护罩上即可实现极性的测试，如图 5所示。三向磁传感器的测试范围为空间 20 cm 的球体，根据空间磁场计算公式可知，当三向磁传感器的某一方向与笛卡尔坐标系某一轴重合时，该方向磁场输出近似为 0，此时三向磁传感器具备特征量的参数只有 2 个，容易引起误判。因此，2 个相同电磁阀与三向磁传感器共线的情况下，传感器输出磁场方向特征一致，仅能靠强度大小来识别；当 2个相同电磁阀分别位于传感器两侧时，传感器输出磁场强度大小几乎一致，仅依靠方向特征识别。因此在实际测试过程，应充分考虑输出磁场的方向和强度特征关系，尽可能将传感器布置在机组相对中间位置。传感器模块安装位置示意图如图 6所示。2极性判断软件设计 2.1神经网络模型神经网络技术是从神经心理学和认知科学研究成果出发，应用数学方法发展起来的一种具有高度 并 行 计 算 能 力、自 学 能 力 和 容 错 能 力 的 处 理方法。三向磁传感器测试电磁阀磁场时，每个传感器实时输出一组数组，采样率选择 200 ms一帧，以 I象限机组为例，假设 1 分机工作 5 s，对应三轴传感器产生（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）（x200，y200，z200）共计200 组数组。电脑采集到这些数据后，输入至软件中，创建激活函数，用于计算权重的调整参数，训练模型。在训练神经网络之前，定义一个标准（Loss）判断它好坏，并改进。训练模型的步骤主要包括以下几步：1）从训练数据集中提取输入，根据训练数据集的权重进行调整，并通过一种计算神经网络输出的方法对其进行筛选；（a）（b）图 5CZ-4型号极性传感器模块安装形式Fig.5Installation form of a polar sensor module 图 6传感器模块安装位置示意图（A、B为电控阀门）Fig.6Schematic diagram of sensors module installation location229第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）2）计算反向传播错误率，在这种情况下，它是神经元的预测输出与训练数据集的期望输出之间的差异；3）利用误差加权导数，根据所得的误差范围，进行较小的权值调整；4）对以上过程进行 200 次以上的迭代，在每次迭代中，整个训练集被同时处理。最终，神经元的权重将根据所提供的训练数据进行优化。随后，如果让神经元考虑一个新的状态，与先前的状态相同，它便可以做出一个准确的预测。基于神经网络的极性测试技术是对正确产品各个分机的电磁阀磁场进行采集，将采集的数据导入神经网络进行迭代训练，计算不同分机的磁场数据特征，后期可根据采集被测对象的磁场数据与训练模型进行比对，判断极性。2.2基于散点特征量的模糊识别在判据制定阶段，通过对传感器模块安装位置的控制，可以实现测试对象磁场矢量值具备一定的特征，利用原理样机对产品进行测试，根据采集的数据绘制磁场矢量的三维散点图，如图 7 所示。每个分机对应的磁场密集集中在坐标系的部分，可通过每个分机的特征制定逻辑判据，将测试的磁场矢量与标准判据进行比对，可以模糊识别出相应分机，实现极性判断。3原理样机研制及型号应用 3.1原理样机研制根据极性测试原理，设计制作一种无线三向磁传感器模块，该模块基于无线通信，可以准确实时的进行数据传输。软件分别基于神经网络和特征识别原理编制测试软件，如图 8所示。图 7极性测试磁场矢量的三维散点图Fig.7Pensory test of the three-dimensional scatter map of the magnetic field vector（b）特征识别图 8基于神经网络和特征识别的极性测试软件Fig.8Pensory test software based on neural network and characteristic recognition230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3.2型号应用情况基于神经网络技术的极性测试软件，对 CZ-2D、CZ-4系列火箭姿控发动机进行极性测试。考虑到输入参数和输出参数的规模，构建的神经网络结构如图 9所示。输入层由 3 个神经元组成，隐藏层由 5 个神经元组成，输出层由 4个神经元组成，每个神经元都代表可能的输出类别。神经网络使用前向传递，输入信号首先通过第 1 层进行转换，使用了修正线性激活函数，以引入非线性，并生成输入信号的低维度表示。转换后的信号通过第 2 层进行处理，最终生成输出的概率向量形式。测试过程将传感器分别在四个象限机组喷口保护盖处，依次打开每台分机保持 5 s，录入 200 组数组，进行神经网络循环训练，检查确认 Loss 值接近 0后，停止训练，并作为判据保存。为了评估训练的效果，使用 loss 计算方法对模型在训练数据集的性能进行了评估，损失函数的评估结果如图 10 所示。模型的训练损失随着训练的迭代次数而逐渐下降，这表明模型在训练数据集上逐渐学习到了数据的特征，并不断优化提高了的预测性能。测试时在相同位置安装 1台三轴磁力计传感器样机，软件导入各个型号的判据，开启各分机阀门，软件自动识别开启的分机号。测试环境下，正确识别率超过 95%。在实际测试过程中，基于神经网络的极性测试软件可以适用于大部分的应用场景。但是由于神经网络的训练过程和隐藏层的信息传递特性无法直接展示，不能直接通过对模型的架构和训练过程进行分析来了解模型如何做出其预测。因此，模型的准确率无法通过理论推导来评估，只能通过不断地实验测试加以验证。这个缺陷在小批量生产的航天型号产品上表现得尤为明显，因此神经网络的极性测试软件在推广应用上存在一定困难。基于特征的模糊识别的极性测试软件在 CZ-2D、CZ-3 系列、CZ-4 等型号进行应用测试，通过增加特征量约束条件，可以实现特定型号的极性测试100%准确率，缺点是不同型号需要进行特征量分析及人工制定判据。依据三向磁传感器的方向性和高灵敏度的特点，可以推广至几乎所有使用线圈类阀门的极性判断。在空间紧凑集成度较高，磁场容易出现干扰的场合使用磁场方向识别进行极性判断，在空间离散图 9神经网络结构Fig.9Neural network structure 图 10训练损失曲线Fig.10Training loss curve231第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）磁场无干扰的环境可使用高灵敏度精确测取开关动作，因此理论上可推广至所有线圈类阀门的极性测试。4结束语 基于三向磁传感器的极性测试技术可以广泛应用于航空航天乃至其他领域的电控产品的测试，除了动力系统的阀门动作极性之外，可以对控制系统或者测量系统等通电产生电磁信号的产品进行同样原理的故障诊断，跟传统的测试方法相比，基于三向磁传感器的测试方法具有以下优势：1）三向磁传感器可远距离测取电磁场信号，并且可以实现一对多及各种组合工况的测试，相比传统测试方法，可以减少安装的传感器数量，并且安装位置灵活，适合大批量紧凑产品；2）实现非接触式测试，部分产品可以安装在产品保护件上，不会影响产品外观及性能；3）三向磁传感器输出的矢量特征可以判断磁场空间位置，即判断产品的安装极性，同时可以根据磁场数据判断线圈绕组方向，适用于部分对线圈绕组方向有要求阀门的故障诊断。参考文献1 武威.应用于电磁阀极性判断的系统设计 D.北京：北京交通大学，2020.2 张子剑，王頔，龚博，等.基于漏磁原理的非接触式电磁阀检测技术应用研究 J.导弹与航天运载技术，2017，353（3）：101-106.3 吴波，廉自生，刘远波.基于 Maxwell的电磁铁吸力特性研究 J.太原理工大学学报，2011，42（5）：491-493.4 陈雅娟，周子健，李清华，等.基于磁场矢量相位差的多传 感 器 定 位 技 术 研 究J.航 空 科 学 技 术，2021，32（10）：74-79.51 陈新华，朱定一.运载火箭姿控发动机故障诊断方法研究 J.指挥技术学院学报，2000（3）：20-24.6 樊希壮.便携式三维磁矢量测量系统研究 D.哈尔滨：黑龙江大学，2020.7 柳微微.高性能空间磁场矢量传感器研究 D.哈尔滨：黑龙江大学，2022.8 柳微微，赵晓锋，温殿忠.基于硅磁敏三极管空间磁场矢量传感器 J.黑龙江大学工程学报，2021，12（3）：70-75.9 杨亦婷，李进贤，黄启龙.轨/姿控发动机用电磁阀动态特性仿真 J.计算机仿真，2015，32（9）：48-52.10 毛炳强，孙铁良，孙凌祎，等.基于双神经网络结构的新型人工神经网络训练算法 J.化工自动化及仪表，2021，48（5）：446-449，456.11 吴国兴.航天事故中的人为失误分析 J.国际太空，2005（2）：18-20.12 叶国阳，祝云飞，陈伟，等.基于声发射技术的冰箱电磁阀泄漏检测研究 C/2021年中国家用电器技术大会论文集.北京：电器 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