本實(shí)用新型是一種具有位移自檢測(cè)功能的計(jì)量活門，用于航空、航天及自動(dòng)化機(jī)械中氣、液壓機(jī)械結(jié)構(gòu)中，屬于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

計(jì)量活門在航空航天控制系統(tǒng)中起到計(jì)量供往發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的作用。目前，其計(jì)量原理是在襯套側(cè)壁開槽，通過齒輪-齒條系相連接的角位移傳感器或活門后端連接的線位移傳感器將活門位移量轉(zhuǎn)化為反饋電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油流量大小的測(cè)量及反饋。

然而傳統(tǒng)直線式或旋轉(zhuǎn)式計(jì)量活門其活門與位置傳感器是獨(dú)立開的，即傳感器置于計(jì)量活門外側(cè)，雖然穩(wěn)定性較好，但重量及余度設(shè)計(jì)均有其局限性，傳感器自重較大，空間占用也較大，面對(duì)現(xiàn)階段集成化、小型化、輕量化的控制要求，其應(yīng)用已顯示出劣勢(shì)。

電容式位移傳感原理已在我國(guó)發(fā)展多年并已獲得了廣泛的應(yīng)用，其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中得到了有效驗(yàn)證。將電容式位移傳感器集成到計(jì)量活門上，由原分體式結(jié)構(gòu)變成一體式組合部件，保證原有分體式元器件的各個(gè)功能，減小了其所占的重量和空間，提高綜合性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)狀況而設(shè)計(jì)提供了一種具有位移自檢測(cè)功能的計(jì)量活門，其目的是將位移檢測(cè)功能集成于結(jié)構(gòu)件本體，在滿足甚至超過原有檢測(cè)精度的情況下，減輕系統(tǒng)重量，減少系統(tǒng)體積，結(jié)構(gòu)功能一體化。

本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

該種具有位移自檢測(cè)功能的計(jì)量活門，該活門包括活門(1)、活門襯套(2)及位移檢測(cè)模塊(3)，在活門(1)上加工有活門進(jìn)油閥口(4)和活門出油閥口(5)，在活門襯套(2)上加工有活門襯套進(jìn)油閥口(6)和活門襯套出油閥口(7)，活門(1)套裝在活門襯套(2)中，活門(1)在活門襯套(2)中沿軸向滑動(dòng)，通過調(diào)節(jié)活門(1)和活門襯套(2)的相對(duì)位置，控制活門進(jìn)油閥口(4)和活門襯套進(jìn)油閥口(6)、活門出油閥口(5)和活門襯套出油閥口(7)的開合，其特征在于：在活門(1)的外圓柱面上，沿軸向加工一個(gè)與活門進(jìn)油閥口(4)和活門出油閥口(5)的平面相垂直的平臺(tái)(8)，在平臺(tái)(8)上沿軸向制備交替排列的金屬條帶Ⅰ(9)和非金屬條帶Ⅰ(10)形成柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅰ，金屬條帶Ⅰ(9)和非金屬條帶Ⅰ(10)與活門進(jìn)油閥口(4)和活門出油閥口(5)的平面也是垂直的，金屬條帶Ⅰ(9)和非金屬條帶Ⅰ(10)的寬度數(shù)值范圍均為0.1～5mm，金屬條帶Ⅰ(9)和非金屬條帶Ⅰ(10)的厚度相等且厚度數(shù)值范圍為0.05～10mm，

位移檢測(cè)模塊(3)安裝在活門襯套(2)上，位移檢測(cè)模塊(3)位于所述該柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅰ的上方，在位移檢測(cè)模塊(3)貼近柵狀平面結(jié)構(gòu)的底部，制備與柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅰ相對(duì)應(yīng)的柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅱ，柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅱ由交替排列的金屬條帶Ⅱ(11)和非金屬條帶Ⅱ(12)構(gòu)成，在位移檢測(cè)模塊(3)的上通過孔將數(shù)據(jù)測(cè)試線(13)的一端與金屬條帶Ⅱ(11)連接，數(shù)據(jù)測(cè)試線(13)的另一端與電容傳感器(14)相連；

活門(1)和活門襯套(2)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于活門(1)的金屬條帶Ⅰ(9)與位移檢測(cè)片(3)的金屬條帶Ⅱ(11)投影面積發(fā)生變化，導(dǎo)致其電容信號(hào)發(fā)生變化，通過數(shù)據(jù)測(cè)試線將信號(hào)傳輸給電容傳感器(14)，通過信號(hào)處理單元(15)進(jìn)行處理分析，獲得活門(1)與活門襯套(2)相對(duì)位置變化。

金屬條帶Ⅰ(9)和金屬條帶Ⅱ(11)的材料為導(dǎo)電性能好且強(qiáng)度高的Cr、Ni、Cu、Ag或Au。

非金屬條帶Ⅰ(10)和非金屬條帶Ⅱ(12)的材料為硬度大于HV400、抗擊穿電壓大于500V、熱膨脹系數(shù)大于6.7×10^-6℃^-1的樹脂、硬質(zhì)工程塑料、Al₂O₃或TiO₂。

本實(shí)用新型技術(shù)方案利用容柵的基本原理將“定柵”所需的基本結(jié)構(gòu)集成在計(jì)量活門表面上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件與傳感器的集成設(shè)計(jì)?；趥鹘y(tǒng)精密制造技術(shù)，結(jié)合特種加工工藝，采用鍍膜、噴涂等先進(jìn)制備手段，在計(jì)量活門表層生成金屬條帶與非金屬條帶交替排列的位移自感知結(jié)構(gòu)，使其與計(jì)量活門基體牢固接合，成為具備位移自檢測(cè)功能的計(jì)量活門，計(jì)量活門與位移檢測(cè)模塊的金屬條帶材料間的熱膨脹系數(shù)、化學(xué)性能接近，可用于燃油計(jì)量工作環(huán)境，可靠性高，該技術(shù)方案體積小、重量輕、成本低且適用于批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型所述計(jì)量活門的外觀整體示意圖

圖2為本實(shí)用新型所述計(jì)量活門的活門結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為本實(shí)用新型所述計(jì)量活門的活門襯套結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為本實(shí)用新型所述計(jì)量活門的活門的平臺(tái)及平臺(tái)上的柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅰ的結(jié)構(gòu)示意圖

圖5為本實(shí)用新型所述計(jì)量活門的位移檢測(cè)模塊上的柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅱ的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6為本實(shí)用新型所述計(jì)量活門的偶件行程變化測(cè)定電路的方框圖

圖7為本實(shí)用新型所述計(jì)量活門的位移檢測(cè)模塊中電容傳感器檢測(cè)到的信號(hào)方波行程波形的原理圖

圖8為本實(shí)用新型所述計(jì)量活門的位移檢測(cè)模塊位移信號(hào)處理過程中1/N分頻計(jì)數(shù)器的波形原理圖

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述：

實(shí)施例一

參見附圖1～5所示，選用9Cr18做為計(jì)量活門本體材料，采用超精車、鏜孔、研磨等方法生成活門1、活門襯套2，在活門1的外圓柱面上切削平臺(tái)8，粗糙度Ra0.8以上，平臺(tái)預(yù)留厚度0.15-0.20mm，在平臺(tái)上等離子噴涂TiO₂，厚度0.2-0.3mm，在噴涂后的平臺(tái)切削條帶矩陣，條帶寬度按設(shè)計(jì)需求，深度0.1-0.15mm，等離子噴涂Cr，厚度以填充滿切削條帶為最優(yōu)，噴涂過程中需保證涂層的平面度及一致性，磨削涂層表面至使用尺寸，在活門1的表層形成由金屬條帶Ⅰ9和非金屬條帶Ⅰ10構(gòu)成的柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅰ，所有交替排列表層的結(jié)合強(qiáng)度大于20Mpa。

采用樹脂材料構(gòu)建位移檢測(cè)模塊本體，徑向鉆引線孔，預(yù)埋數(shù)據(jù)測(cè)試線13，切削下端面條帶矩陣，條帶寬度按設(shè)計(jì)需求，與計(jì)量活門條帶矩陣配合，深度0.1-0.15mm，真空磁控鍍Au，厚度以填滿切削條帶為最優(yōu)，鍍膜過程中需保證鍍層的平面度及一致性，形成由金屬條帶Ⅱ11和非金屬條帶Ⅱ12構(gòu)成的柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅱ，數(shù)據(jù)測(cè)試線13與金屬條帶Ⅱ11相接，真空磁控鍍Al2O3絕緣保護(hù)層，研磨至使用尺寸，所有表層的結(jié)合強(qiáng)度大于10Mpa，制備出位移檢測(cè)模塊3，控制位移檢測(cè)模塊3與計(jì)量活門1的間隙為0.1-0.15mm。

實(shí)施例二

參見附圖1～5所示，選用9Cr18做為計(jì)量活門本體材料，采用超精車、鏜孔、研磨等方法生成活門1、活門襯套2，在活門1的外圓柱面上切削平臺(tái)8，粗糙度Ra0.8以上，平臺(tái)預(yù)留厚度0.25-0.3mm，在平臺(tái)上刷高強(qiáng)度樹脂，厚度大于0.3mm，在樹脂上切削條帶矩陣，條帶寬度按設(shè)計(jì)需求，深度0.15-0.2mm，真空磁控濺射Cu，厚度以填充滿切削條帶為最優(yōu)，鍍制過程中需保證涂層的平面度及一致性，研磨涂層表面至使用尺寸，在活門1的表層形成由金屬條帶Ⅰ9和非金屬條帶Ⅰ10構(gòu)成的柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅰ，所有交替排列表層的結(jié)合強(qiáng)度大于20Mpa。

采用硬質(zhì)工程塑料構(gòu)建位移檢測(cè)模塊本體，徑向鉆引線孔，預(yù)埋數(shù)據(jù)測(cè)試線13，切削下端面條帶矩陣，條帶寬度按設(shè)計(jì)需求，與計(jì)量活門條帶矩陣配合，深度0.05-0.1mm，真空多弧離子鍍Ag，厚度以填滿切削條帶為最優(yōu)，鍍膜過程中需保證鍍層的平面度及一致性，形成由金屬條帶Ⅱ11和非金屬條帶Ⅱ12構(gòu)成的柵狀平面結(jié)構(gòu)Ⅱ，數(shù)據(jù)測(cè)試線13與金屬條帶Ⅱ11相接，真空磁控鍍Al2O3絕緣保護(hù)層，研磨至使用尺寸，所有表層的結(jié)合強(qiáng)度大于10Mpa，制備出位移檢測(cè)模塊3，控制位移檢測(cè)模塊3與計(jì)量活門1的間隙為0.05-0.1mm。

實(shí)施例一和實(shí)施例二具有相同的數(shù)據(jù)處理過程，參見附圖6-8所示，

計(jì)量活門1在計(jì)量活門襯套2中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，固定在計(jì)量活門襯套2上位移檢測(cè)模塊3檢測(cè)計(jì)量活門表層電容的變化，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行電處理。

當(dāng)計(jì)量活門與計(jì)量活門襯套發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)量活門的金屬條帶Ⅰ9與位移檢測(cè)模塊上位移檢測(cè)片的金屬條帶Ⅱ11的投影面積發(fā)生變化，導(dǎo)致其電容信號(hào)發(fā)生變化，通過數(shù)據(jù)測(cè)試線13將信號(hào)傳輸給信號(hào)處理單元16，再通過信號(hào)處理單元16中的電容傳感器15測(cè)定電容變化，并對(duì)電容信號(hào)進(jìn)行電處理。實(shí)際上，電容輸出信號(hào)為三角波。

即，當(dāng)計(jì)量活門1在計(jì)量活門襯套2內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，位移檢測(cè)模塊上的金屬條帶Ⅱ11將電容信號(hào)通過數(shù)據(jù)測(cè)試線13傳輸給信號(hào)處理單元16，由電容傳感器15檢測(cè)其電容變化，根據(jù)電容傳感器計(jì)算出計(jì)量活門1的運(yùn)動(dòng)距離就可以測(cè)出計(jì)量活門的運(yùn)動(dòng)情況。

如圖6所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)14驅(qū)動(dòng)計(jì)量活門1運(yùn)動(dòng)，固定在計(jì)量活門襯套2上的位移檢測(cè)模塊3將信號(hào)傳輸給電容傳感器15檢測(cè)電容的變化，之后信號(hào)處理單元16對(duì)電容傳感器15的檢測(cè)信號(hào)三角波)進(jìn)行放大和濾波，把檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀晃⑻幚砥?7辨識(shí)的信號(hào)，然后把轉(zhuǎn)變好的信號(hào)輸出到微處理器17。微處理器17用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把來自信號(hào)處理單元16的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，把三角波信號(hào)按照預(yù)定的算法轉(zhuǎn)換成為方波信號(hào)，如圖7所示。

微處理器17與1/N分頻計(jì)數(shù)器18通信，控制信號(hào)的存儲(chǔ)及處理，1/N分頻計(jì)數(shù)器18從微處理器17接收方波信號(hào)并進(jìn)行1/N分頻，通過1/N分頻計(jì)數(shù)器18可將檢測(cè)精度提高為N倍，根據(jù)希望的精確度決定N值，之后再把分頻后的信號(hào)輸出到微處理器17，微處理器17根據(jù)分頻后的信號(hào)計(jì)算計(jì)量活門行程。

計(jì)量活門的運(yùn)動(dòng)方向通過比較一對(duì)方波的相位來確定，如果電容傳感器15檢測(cè)出的兩路電容信號(hào)，一路的相位超前于另一路相位，則計(jì)量活門處于正向運(yùn)動(dòng)，反之，計(jì)量活門處于反向運(yùn)動(dòng)。

圖8所示為位移變化時(shí)，信號(hào)處理1/N分頻計(jì)數(shù)器的波形圖。當(dāng)計(jì)量活門正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，按照下文公式1產(chǎn)生4個(gè)脈沖，而當(dāng)計(jì)量活門反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，按照下文公式2產(chǎn)生4個(gè)脈沖。

公式1和公式2，A和B代表電容傳感器15檢測(cè)出的兩路正弦波電容信號(hào)轉(zhuǎn)換而來的方波，/A和/B代表A和B信號(hào)的反信號(hào)，ΔA和ΔB代表具有1/4分頻計(jì)數(shù)器的一個(gè)引發(fā)電路的波形，/ΔA和/ΔB代表ΔA和ΔB的反信號(hào)。

公式1：AxΔB+/BxΔA+Bx/ΔA+/Ax/ΔB

公式2：Ax/ΔB+/Bx/A+Bx/A+/AxΔB。