一种高环境适应性尾喷管真摆角检测、测量系统及方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，涉及一种高环境适应性尾喷管真摆角检测、测量系统及方法。

背景技术

对于摆动喷管的火箭发动机，其推力和扭矩与尾喷管的摆动角度密切相关。建立发动机推力与其摆动角度的关系模型对于发动机的设计直观重要。由于发动机工作时产生的高温，粉尘，振动等因素，目前没有比较好的测量方法来实现对尾喷管摆动角度的实时测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种高环境适应性尾喷管真摆角检测、测量系统及方法，通过本发明的检测方法和系统，可以在发动机工作过程中，实时测量尾喷管的摆动角度和摆动频率。

本发明所采用的技术方案是：

一种高环境适应性尾喷管真摆角检测系统，设置待测发动机，尾喷管与待测发动机同轴对接；永磁体硬性连接在尾喷管外，且尾喷管与永磁体共球心；在永磁体的前端设置球面磁传感器，球面磁传感器的接收面为球面。

可选的，所述的永磁体通过连接杆硬性连接到尾喷管外。

可选的，在所述的待测发动机外设置环形的卡箍，用于固定安装导轨，导轨上安装滑块，滑块上设置球面磁传感器。

可选的，所述的球面磁传感器利用磁传感器芯片HMC1512进行工作，球面磁传感器处磁感应强度大于80Gs。

一种基于磁感应的球面位移传感器的位移检测方法，利用本发明任一所述的基于磁感应的球面位移传感器的位移检测系统进行，具体包括：尾喷管的轮廓线的反向延长线相交于O点，交点O为尾喷管的摆心；连接杆的反向延长线与尾喷管的轴线相交于O,通过球面磁传感器测量出连接杆经过的位移，进而求解发动机的摆动频率、振幅及方向。

可选的，设球面磁传感器的接收面是一个球的一部分，这个球的半径为R，则接收面的半径为R，单位mm；

设参考点为A，其位置采用经纬度的表示为(γ，α)，经纬度的单位是°，其坐标为：

Xa＝R·cosα·cosγ

Ya＝R·cosα·sinγ

Za＝R·sinα；

当永磁体摆动到点B时，B的坐标为(θ，β)，其坐标为：

Xb＝R·cosβ·cosθ

Yb＝R·cosβ·sinθ

Zb＝R·sinβ；

即：ρ＝arccos(cosα·cosβ·cos(θ-γ)+sinα·sinβ)；ρ为当永磁体由点A摆动到点B时的摆动角度；

而点A与点B之间的弧长为：

一种高环境适应性尾喷管真摆角测量系统，包括调轴线子系统、调距子系统和实时测量子系统，利用本发明任一所述的高环境适应性尾喷管真摆角检测系统实现；

调轴线子系统，调整尾喷管轴线，使之与发动机轴线重合；

调距子系统，调整球面磁传感器与永磁体之间的距离，使两者间距离恒定；

实时测量子系统，实时测量发动机的摆动频率、振幅及方向。

可选的，所述的调轴线子系统设置：待测发动机呈竖直状态安装，尾喷管的管口也竖直向上，在尾喷管的管口内竖向插入调节杆，调节杆的顶端安装永磁体；在待测发动机的尾喷管端套装安装筒，在安装筒的顶底面内安装球面磁传感器。

可选的，所述的调节杆的一端为锥体结构，与尾喷管的锥形内腔切合；调节杆的锥体轴线与尾喷管的锥形轴线重合；另一端为杆体的结构，杆的末端安装永磁体。

可选的，所述的调距子系统包括：待测发动机、尾喷管、球面磁传感器、导轨、滑块、检测系统控制器和电气动力柜；

球面磁传感器工作时，永磁体与球面磁传感器的法向距离保持恒定，根据尾喷管相对于待测发动机不同的推出距离实时调整球面磁传感器的位置；

当待测发动机处于冷态时，调整导轨的高度和滑块的位置，使得球面磁传感器的输出为0；

当待测发动机处于工作状态，尾喷管推出，球面磁传感器实时测量尾喷管的推出距离，并将数据发送给检测系统控制器，检测系统控制器控制电气动力柜调整滑块的位置，使得球面磁传感器的输出一直为0；

当待测发动机准备点火时，检测系统控制器锁定滑块的位置，调距过程结束。

本发明的有益效果是：

可以在发动机工作时，实时测量尾喷管摆动角度及摆动频率。摆角检测分辨率≥0.2°，摆动频率≤200Hz。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本发明的高环境适应性尾喷管真摆角检测系统结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的检测系统中的摆角计算示意图；

图4是本发明的发动机摆心摆角拟合装置及摆角测量原理图；

图5是检测系统流程图；

图6是调心子系统结构示意图；

图7是调轴线过程算法工作流程图；

图8是调距原理图；

1-待测发动机、2-卡箍、3-尾喷管、4-球面磁传感器、5-检测系统控制器、6-电气动力柜、7-滑块、8-导轨、9-连接杆、10-永磁体、11-调节杆、12-安装筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

结合图1和2，本发明的高环境适应性尾喷管真摆角检测系统，设置：待测发动机1，在发动机外设置环形的卡箍2，用于固定和安装其他辅助部件，比如导轨8等；尾喷管3与待测发动机1同轴对接，永磁体10硬性连接在尾喷管3外，比如永磁体10通过轻质高刚度的连接杆9连接到尾喷管3上，比如连接杆9的材质为钛合金；且尾喷管3与永磁体10共球心，且在永磁体10的前端设置球面磁传感器4，球面磁传感器4的接收面为球面。当尾喷管3绕球心摆动时，会带动永磁体10也绕球心摆动，二者摆动时角速度相同，方向相同；球面磁传感器4，会把测量到的永磁体10的角度和位移值实时送给数据采集单元。数据处理单元接收数据采集送来的电压信号，实时解算出当前永磁体10所处的位置，到参考点的弧长及方向，并通过以太网输出接口输出。

本发明中提到的球面磁传感器4与已授权专利“一种基于磁感应的平面位移传感器、位移检测方法及系统”专利号：ZL 2019 1 0089435.0中的传感器类似，区别仅仅是将原有的平面接收面替换为球面接收面：具体的结构可以设置为，比如设置非磁性壳体，非磁性壳体的至少一个端面为接收面；接收面为球面；在接收面上布设矩阵式的磁阻传感器。比如图中显示的，非磁性壳体为圆柱形的壳体，非磁性壳体的一个底面设为接收面。由于类似于尾喷管式的待测件摆动时，其末端的行为为一个球面，接收面为平面的传感器因为永磁体与磁平面之间的距离变化过大，无法适应这种测量场景。因此根据尾喷管的摆动模型，将传感器的接收面由平面改为内凹的球面，这种设计，可以保证永磁体在跟随尾喷管摆动时，与传感器接收面的距离一致，保证测量的精度。

另外，结合图5，本发明的尾喷管真摆角测量系统包括三个子系统，包括调轴线子系统、调距子系统和实时测量子系统，分别负责发动机的测量过程的三个步骤：

结合图6和7，调轴线子系统，调整尾喷管轴线，使之与发动机轴线重合：

每台发动机安装完成后，由于安装误差和零件的加工误差，尾喷管与发动机的轴线都不可能完全重合。因此发动机工作前，首先需要调整尾喷管的轴线，使其与发动机的轴线相重合。调轴线子系统的结构如图6所示，调轴线子系统工作时，待测发动机1呈竖直状态安装，尾喷管3的管口也竖直向上，调节杆11安装到尾喷管3的内部，具体的调节杆11，一端为锥体的结构，直接插进尾喷管3内腔，与尾喷管3的锥形内腔切合，刚好沿尾喷管3的轴线竖着装进去，与尾喷管3密切贴合；另一端为一个杆的结构，杆的末端装的是永磁体10。正常工作状态时，调节杆11的作用是插进尾喷管3之后，和尾喷管3的轴线对齐，在调节杆11的顶部安装永磁体10。连接杆9的长度与调心子系统中的调节杆11的等效长度相同。安装筒12底部与待测发动机1的壳体相连，顶端内安装球面磁传感器4，具体的，安装筒12为圆筒形结构，与待测发动机1的外壳连在一起，与待测发动机1的圆筒形的壳体圆保持一致，安装筒12沿尾喷管3延长出去之后，在安装筒12的顶底面内留了一个安装位置，用于安装球面磁传感器4，也就是说，要保证待测发动机1的轴线与尾喷管3的轴线一致的话，那么就要保证球面磁传感器4的接收面球心与调节杆的轴线有重合点。即，如果待测发动机1的轴线与尾喷管3的轴线一致的话，那么调节杆11顶端的永磁体10就对应安装在球面磁传感器4的球心所在轴线上，那么球面磁传感器4测量出来的轴心坐标就是零。如果待测发动机1的轴线与尾喷管3的轴线不一致的话，就会导致调节杆11顶端的永磁体10偏离一个角度，这时候球面磁传感器4就会测量出这个偏移的角度，依据这个偏移的角度利用检测系统控制器5让尾喷管3的轴线回到与待测发动机1的轴线重合位置上。

调轴线过程：球面磁传感器4实时测量永磁体10相对于球面磁传感器4中心点的偏差角度，并将偏差角度送给检测系统控制器5，检测系统控制器5根据偏角，采用PID算法调节尾喷管的姿态，使尾喷管3的轴线与发动机的轴线重合。结合图7，上述检测系统控制器5利用调轴线过程算法PID执行，具体包括球面磁传感器4实时监测尾喷管3的轴线的偏移角度，即调节杆11顶端永磁体的偏移角度，将这个偏移角度利用PID算法计算与目标角度的调节值，从而控制调节杆11带动尾喷管3调整。

结合图8，调距子系统，调整球面磁传感器与永磁体之间的距离，使两者间距离恒定：发动机在冷态时，尾喷管处于锁紧状态；当发动机处于工作状态后，尾喷管解除锁紧状态，向后推出一个距离s，不同型号产品的s不同。如图8所示：1为待测发动机，3为处于冷态时尾喷管的位置，3’为处于工作状态时尾喷管的位置。球面磁传感器4工作时，永磁体10与球面磁传感器4的法向距离必须保持恒定，因此需要根据不同的推出距离s实时调整球面磁传感器4的位置。

调距过程：当发动机处于冷态时，调整导轨8的高度和滑块7的位置，使得球面磁传感器4的输出为0。当发动机处于工作状态，尾喷管3推出，球面磁传感器4实时测量尾喷管3的推出距离，并将数据发送给检测系统控制器5，检测系统控制器5控制电气动力柜6调整滑块7的位置，使得球面磁传感器4的输出一直为0。当发动机准备点火时，检测系统控制器5锁定滑块7的位置，调距过程结束。

实时测量子系统，实时测量发动机的摆动频率、振幅及方向：发动机点火后，尾喷管3开始摆动，此时，球面磁传感器4能够实时测量永磁体10的实时坐标，检测系统控制器5实时计算并记录尾喷管3的实时摆角。

1、通过永磁体在基于磁感应球面磁传感器上的移动获得摆角：

图3是摆角计算示意图；

图中，设球面磁传感器4的半径为R；参考点为A，其位置采用经纬度的表示为(γ，α)，其坐标为：

Xa＝R·cosα·cosγ

Ya＝R·cosα·sinγ

Za＝R·sinα；

当永磁体摆动到点B时，参考原发明中的算法，可以获得B的坐标为(θ，β)，其坐标为：

Xb＝R·cosβ·cosθ

Yb＝R·cosβ·sinθ

Zb＝R·sinβ；

则有：

①AB

对于球面上任意一点，有：

R

代入①式可得：

②AB

由余弦定理可知：

③AB

其中AO＝BO＝R，把②代入③可得：

即：cosρ＝cs=osα·cosβ·cos(θ-γ)+sinα·sinβ；

ρ＝arccos(cosα·cosβ·cos(θ-γ)+sinα·sinβ)；

ρ即当喷管由点A摆动到点B时的摆动角度，绘制ρ-t曲线，即可获得摆动喷管的实时摆角。

2、通过机构设计将摆角测量值转化为尾喷管的摆角：

图4是发动机摆心摆角拟合装置及摆角测量原理图；尾喷管3的轮廓线的反向延长线相交于O点，交点O为尾喷管3的摆心。拟合装置为了准确测量发动机摆角，其动作角度应该与摆动喷管的轴线OZ保持一致。为此，连接杆9的反向延长线与轴线OZ相交与O，此时，当尾喷管3动作时，其摆角通过连接杆9的位移表现出来，通过球面磁传感器4可以测量出连接杆9经过的位移，通过计算可以求解摆角的值和摆动。由于连接杆9与尾喷管3同摆心，且角速度一致，那么由球面磁传感器4测量出来的摆角ρ即为尾喷管3的摆角。

对于永磁体磁场强度的要求：球面磁传感器4可以利用磁传感器芯片HMC1512进行工作，磁传感器芯片HMC1512必须在电桥上施加至少80高斯的磁场才能准确输出。因此必须确保球面磁传感器4工作在饱和磁场，球面磁传感器4处磁感应强度需大于80Gs；根据此：

磁铁选择计算如下：

其中：B

B

X，磁铁与磁传感器间距离，取5mm；

L，磁铁高度，单位mm；

则有：

代入公式计算，当磁铁高度15mm，磁铁磁感应强度需大于1220Gs，可确保磁传感器工作在饱和磁场环境。

根据以上计算选择，直径φ6mm，高度为15mm的汝磁铁即可满足要求，因此方案中永磁体10的选择可以根据实际情况调整。

实施例一、本次的实施方案：

单组传感器可检测距离为25mm，所以需布置单行及列需布置5对磁阻传感器，共25组磁阻传感器，两磁阻传感器间弧长距离为25mm，可检测弧长距离为125mm。

如图4所示：根据发动机的产品尺寸，及摆动±10°后摆角的位置关系，磁感应球面磁传感器的半径R＝340mm，摆动角度n＝±10°时经过的弧长L为：

因此要求磁感应传感的测量范围≥120mm。

为适应不同尺寸的发动机进行试验测试，磁感应球面磁传感器可调支撑机构传感器可进行中心高度调整：调整那个范围1000-1500mm，调节精度：0.2mm；水平调整0-500mm，调节精度：0.2mm。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。