CN108535001B - 一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测系统及方法。该方法包括：获取检测系统中霍尔传感器的磁感应强度测量值；检测系统包括油气弹簧和电磁检测装置，油气弹簧包括动力缸和蓄能器，电磁检测装置包括环形磁铁、霍尔传感器、信号传输电路和单片机，环形磁铁置于蓄能器的浮动活塞中，霍尔传感器置于蓄能器的缸壁外表面的临界位置，霍尔传感器的输出端通过信号传输电路连接至单片机的输入端；获取磁感应强度的设定阈值范围；判断磁感应强度测量值是否在设定阈值范围内，如果是，确定蓄能器的状态为待充气状态；如果否，确定蓄能器的状态为正常状态。采用本发明的检测系统或方法，可以保证油气弹簧的安全性，同时降低后期维保费用。

Description

一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测系统及方法

技术领域

本发明涉及油气弹簧领域，特别是涉及一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测系统及方法。

背景技术

油气弹簧是以气体作为弹性介质，用油液作为传力介质的一种弹性元件。在车身重力的作用下，油气弹簧中的气体介质处于压缩状态。车辆在不平路面的激励下，活塞杆及活塞组件相对于缸筒作往复运动，被压缩的气体介质作为悬架系统的弹性元件，来缓和传来的振动和冲击。油气弹簧一般选用高压氮气作为弹性介质，并采用动密封方式。

车高调节是通过油气弹簧向工作缸中充放油来实现。传感器将油气弹簧上下连接点的距离作为反馈信号。当蓄能器漏气后，压强降低，由于车轮静载恒定，油气弹簧上下连接点距离变小，油泵通过向油气弹簧充油使得油气弹簧长度保持不变，因此，从外观上无法发现漏气。但是蓄能器的气体体积变小，缓冲能力降低，(极端情况下气体完全泄漏，浮动活塞到达下止点，此时油气弹簧丧失缓冲能力)当车轮受到大的冲击，浮动活塞就可能被顶出，造成事故。

传统采用内置位移传感器的方式来判断油气弹簧的蓄能器是否漏气，需要在缸壁上打孔并密封。但是由于油气弹簧气体工作压强高，打孔密封会降低系统的可靠性，增加了系统的复杂性，而且一旦油气弹簧本身损坏，监测系统随之报废。因此，采用位移传感器的检测方式降低了油气弹簧的安全性，且容易损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测系统及方法，以保证油气弹簧的安全性，同时降低后期维保费用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测系统，所述检测系统包括：油气弹簧和电磁检测装置；所述油气弹簧包括动力缸和蓄能器；所述电磁检测装置包括环形磁铁、霍尔传感器、信号传输电路和单片机；

所述环形磁铁置于所述蓄能器的浮动活塞中；所述霍尔传感器置于所述蓄能器的缸壁外表面的临界位置，所述临界位置为所述蓄能器正常工作时最小缓冲能力对应的浮动活塞的位置；所述霍尔传感器用于将磁感应强度测量值通过所述信号传输电路传输至所述单片机，所述单片机用于根据接收的所述磁感应强度测量值确定所述蓄能器的状态，所述蓄能器的状态包括正常状态和待充气状态。

可选的，所述浮动活塞包括与所述环形磁铁匹配的环形槽，用于固定放置所述环形磁铁，所述环形磁铁的轴线与所述蓄能器的轴向方向平行。

可选的，所述检测系统还包括显示装置，所述显示装置的控制输入端与所述单片机的输出端连接，所述显示装置用于显示所述蓄能器的状态。

可选的，所述检测系统还包括报警装置，所述报警装置的控制输入端与所述单片机的输出端连接，所述报警装置用于当所述单片机确定的蓄能器的状态为待充气状态时产生报警，以提醒工作人员进行充气。

一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测方法，所述方法包括：

获取检测系统中霍尔传感器的磁感应强度测量值，所述检测系统包括油气弹簧和电磁检测装置；所述油气弹簧包括动力缸和蓄能器；所述电磁检测装置包括环形磁铁、霍尔传感器、信号传输电路和单片机；所述环形磁铁置于所述蓄能器的浮动活塞中；所述霍尔传感器置于所述蓄能器的缸壁外表面的临界位置，所述临界位置为所述蓄能器正常工作时最小缓冲能力对应的浮动活塞的位置；所述霍尔传感器的输出端通过所述信号传输电路连接至所述单片机的输入端；

获取磁感应强度的设定阈值范围；

判断所述磁感应强度测量值是否在所述设定阈值范围内，得到第一判断结果；

当所述第一判断结果表示所述磁感应强度测量值在所述设定阈值范围内时，确定所述蓄能器的状态为待充气状态；

当所述第一判断结果表示所述磁感应强度测量值不在所述设定阈值范围内时，确定所述蓄能器的状态为正常状态。

可选的，所述获取检测系统中霍尔传感器的磁感应强度测量值，之前还包括：

确定临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度

获取蓄能器中浮动活塞的厚度D；

利用公式确定所述临界位置对应的高度H。

可选的，所述确定临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度具体包括：

利用确定临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度其中L为蓄能器的有效长度，P为初始充气压强，λ为临界系数，P_a为静平衡位置的气体压强，L_min为蓄能器正常工作时气柱的最小高度，L_a为蓄能器正常工作时静平衡位置的气柱高度，为蓄能器漏气后气柱的最小高度，为蓄能器漏气后静平衡位置的气柱高度。

可选的，所述获取检测系统中霍尔传感器的磁感应强度测量值，之前还包括：

将内置有环形磁铁的浮动活塞固定；

根据所述浮动活塞可移动的长度范围，对应在蓄能器缸壁外表面均匀分布多个磁感应强度测量点；

根据所述多个磁感应强度测量点测量的磁感应强度的测量值获得测点-磁感应强度的函数曲线；

确定所述函数曲线中磁感应强度的最大值；

根据所述磁感应强度的最大值向左右等距离延伸，确定所述磁感应强度的设定阈值范围。

可选的，所述当所述第一判断结果表示所述磁感应强度测量值在所述设定阈值范围内时，确定所述蓄能器的状态为待充气状态，之后还包括：

触发报警装置进行报警，以提醒工作人员进行充气。

可选的，所述确定所述蓄能器的状态为待充气状态，之后还包括：

触发显示装置显示所述蓄能器的状态，所述蓄能器的状态包括正常状态和待充气状态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明基于霍尔效应原理，在蓄能器外侧合理位置布置霍尔传感器，并在浮动活塞中嵌入环形磁铁，传感器感知周围磁场强度的变化获得磁感应强度的测量值，以判断浮动活塞位置是否处于需要充气的临界状态，及时充气保证安全性。在检测浮动活塞相对蓄能器缸体位置的同时，也解决了传统内置式位移传感器需要在缸体上打孔导致的可靠性降低的问题。同时，在更换油气弹簧后，该传感系统可以继续使用，降低了维护与保养费用

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中油气弹簧的结构示意图；

图2为本发明中环形磁铁的结构示意图；

图3为本发明中环形磁铁的位置示意图；

图4为本发明基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测方法的流程示意图；

图5为本发明中确定磁感应强度的设定阈值范围过程中测量点的示意图；

图6为本发明中确定磁感应强度的设定阈值范围过程中得到的函数曲线的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测系统，所述检测系统包括：油气弹簧和电磁检测装置。

图1为本发明中油气弹簧的结构示意图，如图1所示，所述油气弹簧包括动力缸1和蓄能器2两部分。其中动力缸1包括：活塞杆1-1、液压油1-2、阻尼阀1-3和油路1-4，动力缸1中的液压油1-2通过油路1-4通向蓄能器2中。蓄能器2包括：浮动活塞2-1、氮气2-2和充气阀2-3。

所述电磁检测装置包括环形磁铁、霍尔传感器、信号传输电路和单片机。图2为本发明中环形磁铁的结构示意图，如图2所示，该环形磁铁相当于无数个极小的轴向充磁的条形磁铁的叠加，且周向的磁场分布是均匀的，可以保证即便使用过程中浮动活塞发生转动，测量值仍不变。

图3为本发明中环形磁铁的位置示意图，如图3所示，所述环形磁铁置于所述蓄能器的浮动活塞中；浮动活塞沿轴向开一个与环形磁铁匹配的环形槽以放置环形磁块(辐射充磁)，环形磁铁的轴线与蓄能器的轴向方向平行。

所述霍尔传感器置于所述蓄能器的缸壁外表面的临界位置，所述临界位置为所述蓄能器正常工作时最小缓冲能力对应的浮动活塞的位置；所述霍尔传感器用于将磁感应强度测量值通过所述信号传输电路传输至所述单片机，所述单片机用于根据接收的所述磁感应强度测量值确定所述蓄能器的状态，所述蓄能器的状态包括正常状态和待充气状态。

由轴向充磁的条形磁铁的空间磁场分布规律可知，当环形磁铁(浮动活塞)移动到临界位置的时候，此处的霍尔传感器能检测到磁场强度的最大值，另外缸体材质为钢，其作为铁磁质材料易被磁化，其原有磁畴方向重新按照外磁场方向排列，而且铁磁质材料被外磁场磁化后产生的附加磁场会远大于施加的外磁场，这样还可以起到增强磁铁外磁场的作用。

所述检测系统还包括显示装置，所述显示装置的控制输入端与所述单片机的输出端连接，所述显示装置用于显示所述蓄能器的状态。

所述检测系统还包括报警装置，所述报警装置的控制输入端与所述单片机的输出端连接，所述报警装置用于当所述单片机确定的蓄能器的状态为待充气状态时产生报警，以提醒工作人员进行充气。

图4为本发明基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测方法的流程示意图。如图4所示，所述检测方法包括：

步骤100：获取检测系统中霍尔传感器的磁感应强度测量值。由于水平方向的磁感应强度和X、Y、Z三个方向矢量叠加后的磁感应强度的变化规律一致，因此，为了简化方案的实时过程，此处可以只测量X水平方向的磁感应强度即可，对状态检测结果不会产生影响。

步骤200：获取磁感应强度的设定阈值范围。磁感应强度的设定阈值范围为最大磁感应强度向左右等距离延伸得到的范围，也就是设定阈值范围是磁感应强度中最大值附近的磁感应强度值。

步骤300：判断磁感应强度测量值是否在设定阈值范围内，如果是，执行步骤400；如果否，执行步骤500。

步骤400：确定蓄能器的状态为待充气状态。磁感应强度测量值在所述设定阈值范围内，表示浮动活塞处于临界位置，此时，蓄能器已经出现气体泄漏的现象，因此，需要及时充气。

步骤500：确定蓄能器的状态为正常状态。磁感应强度测量值不在所述设定阈值范围内，表示浮动活塞在临界位置之上，此时，蓄能器的气体充足，可以正常工作。

所述检测方法在检测前，首先需要确定霍尔传感器的位置，也就是临界位置。临界位置的确定包括以下步骤：

确定临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度

获取蓄能器中浮动活塞的厚度D；

利用公式确定所述临界位置对应的高度H。

关于临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度具体确定过程如下：

利用确定临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度其中L为蓄能器的有效长度，P为初始充气压强，λ为临界系数，P_a为静平衡位置的气体压强，L_min为蓄能器正常工作时气柱的最小高度，L_a为蓄能器正常工作时静平衡位置的气柱高度，为蓄能器漏气后气柱的最小高度，为蓄能器漏气后静平衡位置的气柱高度。

下面给出上述公式的推导过程：

设蓄能器的有效长度为L，初始充气压强为P，作用于油气弹簧的静载为F₀，油气弹簧最高许用工作压强为P_max，临界系数λ，为了保证系统安全，有静平衡位置，气体压强为P_a。

则：

其中d₁为蓄能器缸筒内直径；

蓄能器正常状态下：

气体由初始长度到静平衡位置服从理想气体的等温过程：

从而

当气体工作时，气体服从绝热过程

气体压强：

从而：

则最短气柱长度

则气体在整个变形过程中吸收的能量：

其中，λ为气体多变指数，此处取1.3。

当蓄能器漏气后：

静平衡气柱长度变为了

相应的最短气柱长：

则气体在整个变形过程中吸收的能量：

根据：在等号成立时，可以得到临界长度

所述检测方法在检测前，还需要确定磁感应强度的设定阈值，也就是正常状态与待充气状态的判断标准。可以令带有磁块的活塞固定不动，用霍尔元件测量其缸体外壁对应直线上磁感应强度的变化。确定磁感应强度的设定阈值的过程如下：

(1)将内置有环形磁铁的浮动活塞固定。

(2)根据所述浮动活塞可移动的长度范围，对应在蓄能器缸壁外表面均匀分布多个磁感应强度测量点。如图5所示，图5为本发明中确定磁感应强度的设定阈值范围过程中测量点的示意图。浮动活塞工作时可移动的长度范围为L(计入缸体壁厚)，在该长度的缸体外的水套上沿轴向画一条直线，从端点开始，将其每隔a距离设置一个测点，测点号记为0，1，2，…，8，9，例如L＝270，a＝30(单位毫米)。环形磁铁(轴向充磁)放置在测点1相对应的缸体内壁的位置，方向如图，另外建立空间直角坐标系，以磁铁轴线中心所在水平直线为X轴，正向为轴线上的磁感线方向，磁体朝外的端面到缸体外壁面的水平距离为d，以此距离确定原点O，并以与缸体轴线平行的方向为Z轴，X、Z方向见图中标注，Y方向垂直XZ面向里。

(3)根据多个磁感应强度测量点测量的磁感应强度的测量值获得测点-磁感应强度的函数曲线。磁块放置好后，过一段时间待磁场稳定后进行测量，测量仪器为量程20mT，精度0.01mT的高斯计。每个测点需测量X,Y,Z三个方向的磁场感应强度值，另外根据式矢量叠加计算出总的磁感应强度值，将结果作测点-磁感应强度的曲线如图6所示，图6为本发明中确定磁感应强度的设定阈值范围过程中得到的函数曲线的示意图。

(4)确定所述函数曲线中磁感应强度的最大值。由函数曲线可知，在磁块放置点有磁感应强度X方向的最大值，且往左右两边递减，同样的磁感应强度的总值也在该处附近出现最大值，趋势与理论曲线一致；用同样的方法，将磁铁放置的位置改为测点5，重新测量各测点的磁感应强度值，得到相同的结论。

(5)根据所述磁感应强度的最大值向左右等距离延伸，确定所述磁感应强度的设定阈值范围。延伸的距离根据实际情况进行确定，通常保证设定阈值范围包括最大值的误差范围即可，无需将设定阈值范围确定为很大的范围，范围过大，会影响测量的精度。

所述检测方法中确定所述蓄能器的状态为待充气状态，之后还包括触发报警装置进行报警，以提醒工作人员进行充气。

所述检测方法还包括：确定蓄能器的状态为正常状态或确定蓄能器的状态为待充气状态之后，触发显示装置显示蓄能器的状态，蓄能器的状态包括正常状态和待充气状态。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：油气弹簧和电磁检测装置；所述油气弹簧包括动力缸和蓄能器；所述电磁检测装置包括环形磁铁、霍尔传感器、信号传输电路和单片机；

所述环形磁铁置于所述蓄能器的浮动活塞中；所述霍尔传感器置于所述蓄能器的缸壁外表面的临界位置，所述临界位置为所述蓄能器正常工作时最小缓冲能力对应的浮动活塞的位置；所述临界位置对应的高度H通过公式确定，其中，为临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度，D为蓄能器中浮动活塞的厚度；所述霍尔传感器用于将磁感应强度测量值通过所述信号传输电路传输至所述单片机，所述单片机用于根据接收的所述磁感应强度测量值确定所述蓄能器的状态，所述蓄能器的状态包括正常状态和待充气状态。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述浮动活塞包括与所述环形磁铁匹配的环形槽，用于固定放置所述环形磁铁，所述环形磁铁的轴线与所述蓄能器的轴向方向平行。

3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括显示装置，所述显示装置的控制输入端与所述单片机的输出端连接，所述显示装置用于显示所述蓄能器的状态。

4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括报警装置，所述报警装置的控制输入端与所述单片机的输出端连接，所述报警装置用于当所述单片机确定的蓄能器的状态为待充气状态时产生报警，以提醒工作人员进行充气。

5.一种基于电磁感应的油气弹簧蓄能器状态检测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取检测系统中霍尔传感器的磁感应强度测量值，所述检测系统包括油气弹簧和电磁检测装置；所述油气弹簧包括动力缸和蓄能器；所述电磁检测装置包括环形磁铁、霍尔传感器、信号传输电路和单片机；所述环形磁铁置于所述蓄能器的浮动活塞中；所述霍尔传感器置于所述蓄能器的缸壁外表面的临界位置，所述临界位置为所述蓄能器正常工作时最小缓冲能力对应的浮动活塞的位置；所述霍尔传感器的输出端通过所述信号传输电路连接至所述单片机的输入端；

获取磁感应强度的设定阈值范围；

判断所述磁感应强度测量值是否在所述设定阈值范围内，得到第一判断结果；

当所述第一判断结果表示所述磁感应强度测量值在所述设定阈值范围内时，确定所述蓄能器的状态为待充气状态；

当所述第一判断结果表示所述磁感应强度测量值不在所述设定阈值范围内时，确定所述蓄能器的状态为正常状态；

所述获取检测系统中霍尔传感器的磁感应强度测量值，之前还包括：

确定临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度

获取蓄能器中浮动活塞的厚度D；

利用公式确定所述临界位置对应的高度H。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述确定临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度具体包括：

利用确定临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度其中

W为蓄能器正常状态下由初始长度到静平衡位置的变形过程中，气体吸收的能量；为蓄能器漏气后由静平衡气柱长度到最短气柱的变形过程中，气体吸收的能量；L为蓄能器的有效长度，P为初始充气压强，λ为临界系数，P_a为静平衡位置的气体压强，L_min为蓄能器正常工作时气柱的最小高度，L_a为蓄能器正常工作时静平衡位置的气柱高度，为蓄能器漏气后气柱的最小高度，为临界状态下静平衡时蓄能器内气柱高度。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述获取检测系统中霍尔传感器的磁感应强度测量值，之前还包括：

将内置有环形磁铁的浮动活塞固定；

根据所述浮动活塞可移动的长度范围，对应在蓄能器缸壁外表面均匀分布多个磁感应强度测量点；

根据所述多个磁感应强度测量点测量的磁感应强度的测量值获得测点-磁感应强度的函数曲线；

确定所述函数曲线中磁感应强度的最大值；

根据所述磁感应强度的最大值向左右等距离延伸，确定所述磁感应强度的设定阈值范围。

8.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述当所述第一判断结果表示所述磁感应强度测量值在所述设定阈值范围内时，确定所述蓄能器的状态为待充气状态，之后还包括：

触发报警装置进行报警，以提醒工作人员进行充气。

9.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述确定所述蓄能器的状态为待充气状态，之后还包括：

触发显示装置显示所述蓄能器的状态，所述蓄能器的状态包括正常状态和待充气状态。