本发明涉及智能数字液压元件，尤其是一种带阀芯位置检测的高速开关阀及阀芯位置检测方法。
背景技术：
1、高速开关阀是数字液压系统中的核心控制元件，其通过阀芯连续的启闭生成离散流体来实现连续流体的控制效果，可以极大的降低阀控系统的节流损失，提高阀控系统的抗污染能力。高速开关阀的响应速度越快，数字液压系统的控制精度就越高，因此，国内外学者致力于研究高速开关阀的动态响应特性。然而，由于高速开关阀的体积小、结构紧凑，高速开关阀的阀芯位移难以直接获取，进而无法准确分析高速开关阀的动态特性，使得高速开关阀动态特性的准确分析成为数字液压领域的一大难点。
2、为了获取高速开关阀的阀芯运动情况，进而准确分析高速开关阀的动态特性，现有研究提出了一些解决方案，但仍存在一些不足或局限，主要有以下几个方面：
3、(1)通过高速开关阀的阀口压力变化来判断高速开关阀的响应时间。如论文“高速开关阀动态性能试验装置及其应用研究”中提出了一种高速开关阀动态性能试验装置，将高速开关阀的工作油口和密闭容腔相连，通过测量密闭容腔压力的瞬态变化过程来估计高速开关阀打开/关闭的动作时间。该方法的不足之处在于：密闭容腔的压力变化滞后于阀芯的运动，并且容腔的体积越大，滞后越严重。
4、(2)通过振动特性来判断高速开关阀的响应时间。如专利cn114563175b公开了一种高速开关阀动态特性直接检测方法，将加速度振动传感器和高速开关阀轴向连接，利用加速度振动传感器采集阀芯启闭时的振动信号，进而判断高速开关阀的启闭状态。该方法的不足之处在于：通过振动信号只能够判断高速开关阀启闭时刻的状态，无法检测高速开关阀的阀芯位置变化过程，并且测试环境中的其他振动干扰会使测试结果产生误差。
5、(3)通过激光位移传感器测量高速开关阀的阀芯位移。该方法从阀体内部的运动部件中引出一个细长且刚性很好的连接物到阀体之外，阀芯启闭的时候会带动该连接物一同运动，激光位移传感器通过测量该连接物的位移来获取阀芯的位移。该方法的不足之处在于，阀体内部的运动部件需要另外连接一个物体，该物体会增加原本阀芯的质量，进而对高速开关阀的响应速度造成不利影响，并且该方法只能在高速开关阀不通油的条件下进行测量。
6、(4)通过高速开关阀的驱动电流波形的拐点来判断高速开关阀的响应时间。如专利cn101294534b公开了一种利用电磁阀驱动时的电流波形判断电磁阀开启与关闭延迟情况的方法。该方法只能通过电磁阀的驱动电流拐点来判断电磁阀的电磁延迟和机械延迟时间，无法对电磁阀的阀芯运动过程进行实时检测。
7、综上所述，现有技术大多只能对高速开关阀的响应延迟时间做出判断，无法实时检测阀芯的运动情况，使用激光位移传感器可以实现对阀芯位移的实时检测，但是该方法会增加阀芯质量进而影响高速开关阀的响应速度，并且该方法无法在通油工况下使用。
技术实现思路
1、本发明提出一种带阀芯位置检测的高速开关阀及阀芯位置检测方法，能利用电磁感应原理将高速开关阀的阀芯位移转化成电信号输出，该方法在通油和不通油的情况下都可以实现对高速开关阀阀芯位移的测量，并且不需要外接昂贵的传感器，测试更加便捷、成本更低、精度更高，有利于解决高速开关阀阀芯位移难测量的问题。
2、本发明采用以下技术方案。
3、一种带阀芯位置检测的高速开关阀，所述开关阀包括外壳(3)、线圈骨架(2)、激励线圈(4)、感应线圈、衔铁(5)、轭铁(8)、推杆(9)、阀座(10)、阀芯(11)、复位弹簧(12)；
4、所述外壳内固定的线圈骨架上缠绕有激励线圈和感应线圈，所述衔铁和轭铁安装在线圈骨架的内孔中，所述轭铁开有内孔，所述推杆在轭铁内孔中轴向滑动，推杆一侧与阀芯接触，另一侧与衔铁接触；
5、所述感应线圈包括第一感应线圈(6)、第二感应线圈(7)；两个感应线圈按线圈骨架的轴向方向，依次排列于激励线圈的外侧，或是分置于激励线圈的两端面旁侧；当高速开关阀工作时，在激励线圈、轭铁的电磁力驱动下，衔铁经推杆推动阀芯运动，使感应线圈输出阀芯位置检测信号。
6、所述高速开关阀的工作形式为二位二通式，其阀座和外壳连接，阀座处开设油孔，所述阀芯和复位弹簧安装在阀座内部，复位弹簧用于阀芯复位，所述外壳一端与端盖(1)连接。
7、所述第一感应线圈、第二感应线圈均不与激励线圈相连。
8、衔铁的初始位置位于激励线圈轴向的中心线处。
9、所述衔铁通过推杆推动阀芯运动时，衔铁位移等于阀芯位移，衔铁位移的变化值可视同为阀芯位移的变化值。
10、所述第一感应线圈和第二感应线圈沿激励线圈轴向的中心线对称分布，同时沿线圈骨架轴向分布；所述第一感应线圈和第二感应线圈反向串联。
11、所述第一感应线圈和第二感应线圈匝数相同、长度相同、直径相同，电阻值相同、电感值相同。
12、一种带阀芯位置检测的高速开关阀的阀芯位置检测方法，用于以上所述的带阀芯位置检测的高速开关阀，其特征在于：所述方法以由电压源供电的控制电路驱动高速开关阀的阀芯运动，并以信号处理模块来对高速开关阀第一感应线圈和第二感应线圈反向串联的输出信号进行数据处理，得到阀芯位移曲线；具体包括以下步骤；
13、步骤s1：电压源给控制电路供电；
14、步骤s2：控制电路根据具体控制需求输出控制电压，对高速开关阀的激励线圈进行激励；
15、步骤s3：高速开关阀的第一感应线圈和第二感应线圈反向串联后接入信号处理模块；
16、步骤s4：衔铁驱动阀芯运动时，衔铁在感应线圈内的运动使感应线圈生成感应电动势，信号处理模块将接收到的感应线圈的感应电动势差值转化成对应的阀芯位移信号；
17、所述信号处理模块的输入信号为第一感应线圈和第二感应线圈反向串联输出的感应电动势差值信号，信号处理模块的输出信号为阀芯位移信号，所述信号处理模块存储有与感应电动势差值信号和阀芯位移信号对应的函数关系式。
18、开关阀工作时，激励线圈驱动高速开关阀运动并产生变化磁场，从而在感应线圈处产生感应电动势，激励线圈外接控制电路；第一感应线圈、第二感应线圈经过反向串联后输出的总电动势为两个感应线圈的感应电动势之差，所述衔铁位于感应线圈的磁路路径中，衔铁位置的变化导致两个感应线圈的感应电动势之差产生变化，即感应线圈的感应电动势之差和衔铁位移之间存在函数关系，第一感应线圈和第二感应线圈反向串联后接入信号处理模块，经过信号处理模块计算出阀芯位移；具体为：
19、当电压源给激励线圈施加电压激励时，激励线圈中的电流产生变化，在该过程中由于电流变化会在线圈中建立磁场，而衔铁处于线圈磁路路径中，衔铁位置的变化会导致两个感应线圈的感应电动势之差产生变化；
20、将激励线圈和感应线圈视同为电阻和电感串联的电路，则激励线圈的电压平衡方程为：
21、
22、激励线圈中的电流为：
23、
24、式中：u0为激励线圈的激励电压；i0为激励线圈的电流；r0为激励线圈的电阻；
25、第一感应线圈和第二感应线圈的产生磁通以公式表述为
26、
27、式中：φ1为第一感应线圈的磁通；φ2为第二感应线圈的磁通；n0为激励线圈的匝数；i0为激励线圈的电流；rm1为第一感应线圈的磁阻；rm2为第二感应线圈的磁阻；
28、第一感应线圈和第二感应线圈的磁阻以公式公式如下：
29、
30、式中，li表示导磁体磁通量路径的长度，μi表示导磁体的导磁系数，si表示导磁体磁通量路径的横截面积,δ表示气隙路径的长度，μ0表示真空磁导率，s0表示气隙的横截面积；
31、第一感应线圈和第二感应线圈的感应电动势以公式表述为：
32、
33、式中：m1为激励线圈和第一感应线圈的互感；m2为激励线圈和第二感应线圈的互感；
34、
35、式中：n1为第一感应线圈的匝数；n2为第二感应线圈的匝数；n1＝n2＝ni；
36、将第一感应线圈和第二感应线圈进行反向串联后，其输出电压为感应电动势差值，以公式表述为：
37、
38、假设激励线圈的品质因数能使r0<<ωl0，将式(2)、(6)带入，可得：
39、
40、当衔铁运动δx时，则有：
41、
42、由公式(9)知，第一感应线圈和第二感应线圈的感应电动势差值与衔铁位移成线性关系；
43、当衔铁位于中间初始位置时，如果两个感应线圈参数和磁路尺寸相等，则m1＝m2，初始的感应电动势差值为0；当衔铁位置发生变化时并影响穿过感应线圈的磁通变化量，进而使靠近衔铁一侧的感应线圈与其互感大于另一侧，此时m1≠m2，两个感应线圈经过反向串联后输出的感应电动势差值发生变化，形成基于电-磁场耦合变化关系的物理位移变化测量信号。
44、所述感应电动势差值信号和阀位移信号之间的函数关系通过最小二乘算法拟合而得，拟合按以下步骤进行：
45、步骤a1：采集用于拟合的实验数据(xi，yi)，其中xi是阀芯位移，yi是感应电动势差值；也可通过仿真数据来用于拟合；
46、步骤a2：确定回归方程的形式；当感应电动势差值信号和位移信号近似线性关系时，设定回归方程为y＝ax+b；
47、步骤a3：计算每个数据点到回归直线的距离，计算距离的平方值；
48、步骤a4：对所有平方距离求和，得到残差平方和；
49、步骤a5：确定回归方程中未知参数的值使残差平方和最小；
50、步骤a6：将确定的未知参数的值代入回归方程得到感应电动势差值和阀芯位移的函数关系；
51、通过以上步骤分别得到阀芯开启和复位时感应线圈的感应电动势差值和阀芯位移的函数关系后，再利用该函数关系将采集到的感应电动势差值信号经过换算，以得到相应的阀芯位移。
52、与现有的高速开关阀阀芯位移检测技术相比，本发明利用电磁感应原理测量高速开关阀的阀芯位移，不会增加阀芯的质量，响应速度更快、滞后小，在通油和不通油的工况下均可以实现对高速开关阀阀芯位移的实时监测。
1.一种带阀芯位置检测的高速开关阀，其特征在于：所述开关阀包括外壳(3)、线圈骨架(2)、激励线圈(4)、感应线圈、衔铁(5)、轭铁(8)、推杆(9)、阀座(10)、阀芯(11)、复位弹簧(12)；
2.根据权利要求1所述的一种带阀芯位置检测的高速开关阀，其特征在于：所述高速开关阀的工作形式为二位二通式，其阀座和外壳连接，阀座处开设油孔，所述阀芯和复位弹簧安装在阀座内部，复位弹簧用于阀芯复位，所述外壳一端与端盖(1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种带阀芯位置检测的高速开关阀，其特征在于：所述第一感应线圈、第二感应线圈均不与激励线圈相连。
4.根据权利要求1所述的一种带阀芯位置检测的高速开关阀，其特征在于：衔铁的初始位置位于激励线圈轴向的中心线处。
5.根据权利要求1所述的一种带阀芯位置检测的高速开关阀，其特征在于：所述衔铁通过推杆推动阀芯运动时，衔铁位移等于阀芯位移，衔铁位移的变化值可视同为阀芯位移的变化值。
6.根据权利要求5所述的一种带阀芯位置检测的高速开关阀，其特征在于：所述第一感应线圈和第二感应线圈沿激励线圈轴向的中心线对称分布，同时沿线圈骨架轴向分布；所述第一感应线圈和第二感应线圈反向串联。
7.根据权利要求6所述的一种带阀芯位置检测的高速开关阀，其特征在于：所述第一感应线圈和第二感应线圈匝数相同、长度相同、直径相同，电阻值相同、电感值相同。
8.一种带阀芯位置检测的高速开关阀的阀芯位置检测方法，用于如权利要求7所述的带阀芯位置检测的高速开关阀，其特征在于：所述方法以由电压源供电的控制电路驱动高速开关阀的阀芯运动，并以信号处理模块来对高速开关阀第一感应线圈和第二感应线圈反向串联的输出信号进行数据处理，得到阀芯位移曲线；具体包括以下步骤；
9.根据权利要求8所述一种带阀芯位置检测的高速开关阀的阀芯位置检测方法，其特征在于：开关阀工作时，激励线圈驱动高速开关阀运动并产生变化磁场，从而在感应线圈处产生感应电动势，激励线圈外接控制电路；第一感应线圈、第二感应线圈经过反向串联后输出的总电动势为两个感应线圈的感应电动势之差，所述衔铁位于感应线圈的磁路路径中，衔铁位置的变化导致两个感应线圈的感应电动势之差产生变化，即感应线圈的感应电动势之差和衔铁位移之间存在函数关系，第一感应线圈和第二感应线圈反向串联后接入信号处理模块，经过信号处理模块计算出阀芯位移；具体为：
10.根据权利要求8所述一种带阀芯位置检测的高速开关阀的阀芯位置检测方法，其特征在于：所述感应电动势差值信号和阀位移信号之间的函数关系通过最小二乘算法拟合而得，拟合按以下步骤进行：
