一种基于磁场模型的阀芯位置检测方法

面向集成电路制造领域对输送液体的超洁净要求，超洁净节流阀通过将永磁体嵌入阀芯，实现外部磁场非接触驱动阀芯。为了实现阀芯位移的高精度控制，针对阀芯位置检测的需求，提出了一种非接触式检测方法。结合永磁体几何形状和其激励空间磁场分布，利用优化算法确定分布式多极(DMP)模型中的等效参数，运用DMP模型和等效电流模型描述永磁体的磁场。通过将磁传感器测量值减去外部永磁体产生的磁场得到阀芯产生的磁通密度，基于DMP 模型中磁通密度与阀芯位置的映射关系，利用Levenberg-Marquardt算法进行阀芯标记磁源磁逆问题求解，实现阀芯位置检测。使用COMSOL对永磁体建模，通过模型计算所得磁场与COMSOL仿真结果比较，开展模型可行性验证。通过仿真验证所提出的阀芯定位方法的有效性和精度。

在半导体、集成电路制造、化工等领域，为了保证转移液体的洁净度，超洁净流控有着极其广泛的应用[1] [2]。超洁净阀通过将永磁体嵌入由超洁净材料制成的阀芯中，并通过磁场非接触驱动阀芯，实现液体的超洁净流量控制[3]。然而，阀芯可能由于不稳定的流体冲击等原因面临振动问题。因此，为了实现超洁净阀的高精度控制，对阀芯位置的检测很有必要。

阀芯位置检测技术主要分为接触式和非接触式。接触式检测技术已应用十分广泛，如MOOG [4]和上海诺玛[5]等企业，均有电磁阀产品采用直线位移传感器作为阀芯位移测量元件。布朋生[6]选用LVDT位移传感器检测阀芯位移，基于反馈控制设计了电磁阀智能控制系统。盛世伟，李军伟[7]等人采用由伺服电机、丝杠和光栅传感器组成的位移伺服控制系统实现计量组件阀芯位移的精确控制。由于接触式检测技术中传感器探头与阀芯直连， 改变了阀芯的动态特性， 因此非接触式检测技术逐渐发展起来。

田昊， 赵禹任[8]提出了基于线圈电感–阀芯位移多项式模型的阀芯位移无传感器检测方法，利用该模型可以较好地估计阀芯开启过程的位置变化。

龙聪、黄涛[9]采用数字电容检测方法， 将测量电路插入传感器探头， 研制了一种适用于狭窄环境的新型电容传感器测量系统来实现阀芯位置的检测。

赵赛南， 黄涛， 吕莎[10]采用基于图像位移的位移检测方法，利用PC 和微型摄像头构建检测系统，对阀芯位移进行实时检测。

本文提出了一种磁定位的方法来实现对阀芯位置的检测。在超洁净阀工作原理的基础上，介绍了该磁定位方法的原理。

然后介绍了分布式多极模型和等效电流模型磁场理论， 使用COMSOL 有限元分析软件对永磁体建模， 通过模型计算所得的磁场与COMSOL 仿真结果比较， 验证了模型的有效性。

最后详细介绍了磁定位算法并通过一系列定点的仿真实验，验证了该定位方法的可行性。

2. 超洁净阀的工作原理及阀芯磁定位原理 2.1. 工作原理 超洁净阀的基本结构如图1 所示， 主要包括阀体、超洁净保护层、内嵌永磁体、弹簧、外部永磁体、