用於測量軸的對準誤差的系統和方法

2023-10-26 12:44:37

專利名稱：用於測量軸的對準誤差的系統和方法
技術領域：
本發明涉及用於測量兩軸的共線性的系統、方法和布置。
背景技術：
目前對於在線(即，在操作期間)測量兩軸耦合的對準度存在大的需 求。通過使軸朝向共線的方向(與軸的對稱方向相一致)，實現了當電機 通過軸與軸的耦合而驅動泵時的較少的能量損失，並且還4吏得軸、耦合和 電機上的磨損最小化。目前，在軸靜止時利用基於雷射的系統來完成測量 和後續的定向。然而，已知在操作期間的軸的共線性由於負載和溫度的變
化而與當該軸處於靜止時的狀況不相同。同樣地，在^Mt期間，定向隨時 間而變化。因此，在許多不同的工業分支領域中存在對於對軸與軸的耦合 的在線測量的很大的興趣，以使與在操作期間的狀況相一致的定向成為可 能。
具有高達150x:的軸耦合中的溫度的工業中的環境方面以及髒的環 境要求使用可以處理這些要求的傳感器系統。目前磁傳感器例如在汽車工 業中得到普及，在汽車工業中可以發現這種環境。
GB2360596和GB2321969處理軸定向布置。

發明內容
本發明基於用於測量軸耦合的定向誤差的魯棒性的磁性方法。
相應的，獲得一種用於通過包括傳感器和磁體的雙軸正交磁傳感器系 統來測量設置有第 一和第二耦合部分的兩軸對準誤差的系統。所述傳感器 設計為放置在第一耦合部分上，它的一個感測方向朝向所U體的一個磁 化方向。磁體設計為放置在另一個耦合部分，並被設計成用於在軸的旋轉 期間在線^目互獨立地讀出角度誤差和偏移誤差(offseterror)的裝置。 此外，系統包括基準傳感器，用於確定所述角度誤差和偏移誤差相對於已 知方向的定向。本發明還涉及雙軸正交磁傳感器系統，它包括用於如上述系統的傳感 器和磁體。
本發明還涉及用於如上述系統的基準傳感器。
本發明還涉及通過如上所述的系統測量耦合體之間相對平行的距離 變化的方法，其特徵在於研究工作點的變化，工作點是由軸旋轉獲得的場 變4t的平均值。


就幾個示於附圖中的非限制性的實施例對本發明說明如下，其中
圖1示出了根據本發明的軸測量布置的實施例，
圖2示出了磁場如何隨著多誠體的距離而變化的典型表現，
圖3示出了來自感測方向1的信號的峰《%值如何隨著角度誤差絕對值而變 化的典型表現，
圖4示出了本發明的偏移誤差和傳感器系統，
圖5示出了來自感測方向2的信號的峰J^值如何隨著偏移誤差絕對值而變 化的典型表現。
具體實施例方式
軸耦合的定向誤差可以分成角度誤差和偏移誤差。我們現在將說明各 種情況並說明如何能相互獨立地測量這些誤差。也可以發生軸的軸移位， 並且用本發明的方法也可以測量軸的軸移位。
本方法基於在耦合體(coupling)中的一個上放置永久磁體(例如， 為了獲得足夠強的磁場，由NdFeB合金製成)，並在另一個耦合體上放置 雙軸(在兩個正交方向上測量磁場)磁傳感器。選擇磁體尺寸使得一方面 獲得足夠強的磁場，另 一方面還在放置磁傳感器系統的位置獲得足夠強的 磁場梯度。磁體的磁化方向將指向一個耦合體。磁傳感器系統的一個感測 方向將指向>^體的磁化方向，並且另一個感測方向將朝向和另 一個感測方 向相正交的方向。帶有角度誤差Cj)的軸耦合可見於圖1，圖1示出了帶有對應的耦合單
元lla和lib的兩軸10a和10b。耦合單元lla設置有磁體12，耦合單元 lib設置有磁傳感器13。軸距r是從軸的中心到磁體12和磁傳感器13的 距離。圖中示出了產生磁體和磁傳感器之間的最;U巨離的角度誤差，磁傳 感器指向豎直向上。距離Li和L2是磁體和磁傳感器之間的最大和最小距 離。當耦合體旋轉時，磁體和磁傳感器之間的距離將作振蕩運動，《 ^^值 為LrL2。角JL誤差給出如下
formula see original document page 7 (1)
對於小角度誤差(當^《1時)，角度誤差給出如下
formula see original document page 7 (2)
圖2示出了對於耦合中使用的磁體，磁場如何隨著距磁體的距離而變化。 永久磁體和傳感器之間的距離的微小位置變化將會產生場的變化，場的變 化取決於位置和梯度(如下所述，磁場相對於距離曲線的傾斜)的變化幅 度。
在耦合體旋轉當中發生在我們的測量布置中最大的距離變化為 L廣L"這對應於具有最小值Bmin或者最大值Bmax的磁場。場變化Bmax-Bmin 是出現角度誤差時耦合體旋轉當中振蕩磁場值的J^^值Btu。由於耦合體 旋轉當中位置變化微小(也即是說，梯度恆定)，Bta可以寫成(考慮到磁 傳感器也隨著等於角度誤差的角度扭轉)
formula see original document page 7 (3 )
其中朋/況是工作點的梯度。如果考慮到我們有微小的角度誤差的事實，
即當^ 1時，sin(^/2)cos(" >/2，我們得到因此對於小角度誤差來說，磁場振蕩的J^^值與角度場的絕對值成線性， 在大多數角度誤差中是如此。如果角度誤差比較大(也就是說，不滿足^
1)，只能使用完整的表達式求角度變化(方程2.3)，或者，如果角度誤 差很大(並且梯度不是一個常數)，使用該結果求場如何to巨離變化，然 後再計算角度誤差(也就是說，使用圖2的結果)。
在這些軸耦合布置當中獲得的所有用於相對大的誤差的測量結果證 實Bw關於角度誤差成線性。
從典型的線性磁傳感器(例如，從帶有電壓測量的集成霍爾傳感器) 獲得關於磁場成線性的輸出電壓。由於磁體和磁傳感器之間的距離在耦合 體旋轉當中將以正弦(或者餘弦)表達式振蕩，並且距離變化不太大，我 們將vyjt傳感器獲得對於電壓信號的振蕩表達式
其中6是旋轉角度，(Xi是相位，V。m是輸出信號的偏移(其取決於磁體 和磁傳感器之間的工作距離)，V^是電壓"^值。將上述方程擬合到旋 轉當中測量的數據給出^lt Vttl、 Od和V。ff!的值。從與參考信號相關的 相位(例如，^速度計或者被布置為與磁傳感器系統相連接的另一個基 準傳感器系統)，可以將角度誤差分成分量。(水平和垂直誤差)。從V禮， 可以確定耦合體之間的任何距離偏移，這種偏移將產生工作距離上的變 化。因而使用V。m可以補償工作距離上的這些變化，這意味著也可以用 這種方法檢測兩^合體之間位置上的任何相對變化。
因為磁場可以轉換成對於磁傳感器的電壓值，所以磁場的峰峰值就可 以轉換成來自磁傳感器的輸出電壓的"^^值
r",一+^ (6) 這一點示意性地示出在圖3中。
校準常數Id如方程2.4包含梯度和耦合體半徑的值。校準常數幾乎 不取決於偏移。已經測量了這個分量並且發現對於大多數耦合體應用中發生的偏移可以忽略這個分量。v1((用於獲得良好的校準線並且通常相當接
近於零。為校準系統的角度誤差，因此至少需要兩個數據點，至少一個小 的和一個較大的角度誤差。在校準階段數個數據點提供更精確的校準。優 選地，那麼應該選擇小、中和大的角度誤差。
耦合體的偏移誤差以及傳感器系統如何定位可見於圖4中。圖4示出 了帶有相應的耦合單元41a和41b的兩軸40中的一個。耦合單元41a i殳 置有磁體42a和42b，並且耦合單元41b設置有>^傳感器43a和43b。
給定偏移誤差並且給定耦合體的旋轉，磁傳感器將在磁體上方旋轉。 磁體可以鎖定在固定坐標系中。偏移可視為在>^體中心和磁t傳感器系統之
間旋轉的平面內的作為結果的位置偏移。如果4吏用感測方向沿徑向(如圖 4所示)的磁傳感器(感測方向沿徑向以最小化擺動(play)對耦合體的 影響)，這個感測方向將沿著在磁體平面內定向的磁力線投射。這種感測 方向的投射和振蕩將必然伴隨自磁傳感器的振蕩信號。在這樣的旋轉平面 中定向的磁場值取決於偏移程度。這將意味著對於沿徑向定向的磁傳感器 而言傳感器的峰>%值(圖4中，對於感測方向2)將取決於偏移程度。圖 中箭頭表明磁傳感器的感測方向2。圖中下部示出了當耦合體旋轉半周時 磁體和磁傳感器系統如何相對於彼此定位。在耦合體旋轉當中獲得和對於 角度誤差的振蕩相似的振蕩信號圖案，但這種情況下獲得圍繞零信號的信 號振蕩(對於精確中心定位、偏移是0的磁體/磁傳感器系統)。如前述過 程，在偏移誤差中使用相同類型的信號處理(看角度誤差的說明)。
磁場J^r值可以寫成
W (7)
其中S是偏移值，Ks是偏移的校準係數。
在耦合體旋轉當中，獲得正弦信號(與對於角度誤差相同的方式)， 它可以寫成具有對應的輸出信號的J^r值Vtt2,相對相位角OC 2以及恆定的偏移擬合參
數V。ff2。如同前述角度誤差情況一樣，這個對於偏移的峰J^值可以寫成
r 2=M + r2Q (9) 圖5示意性地示出了這一點。
正如同角度誤差一樣，偏移誤差結果必須4吏用至少兩個數據點小的 偏移誤差以及較大的偏移誤差來校準。在這個校準過程中數個數據點產生 更精確的校準。
根據本發明，獲得帶有一個感測方向(方向l)朝向磁體、 一個感測 方向(方向2)沿徑向或者橫向定向的雙軸磁傳感器系統。按照方向1測 量角度誤差，按照方向2測量偏移誤差。角度和偏移中的兩個絕對誤差可 以看作具有對應的水平和垂直誤差的坐標系統中的向量，整體狀況示出於 圖6中。
誤差方向的定義可以根據需要調整。對於角度誤差和偏移誤差都已經 變化的情況的測量，已經發現兩種誤差之間沒有依賴性，這意味著角度誤 差和偏移誤差可以通過4吏用來自兩個感測方向1和2的lt據獨立地測量。
基準傳感器用來確定角度誤差和偏移誤差怎樣相對已知的方向定向。 基準傳感器可以放置在任意位置，只要知道它拔改置在哪裡以及它如何相 對於磁傳感器系統定向。可以有利地和磁傳感器系統相關聯M置基準傳 感器，這是因為其它電子設備布置在這個區域。例如，可以使用加速度計 作為基準傳感器，在這種情況下當加速度計直指向g向量(豎直向下)時 將得到最大的加i4JL計信號，當感測方向逆平行於g向量(豎直向上)時 信號最低。在這種情況下，加速度計的感測方向在耦合體中將沿徑向定向。 加速度計的感測方向也可以在耦合體中沿橫向定向，然後仍獲得振蕩信 號，但是現在信號將不^^象第一個被描述的加速度計的情況受向心力的影 響。來自加速度計的信號將描繪基本上正 的信號，當感測方向朝向或者 沿g向量方向時具有相似的最大和最小信號。相對於來自於角度誤差和偏 移誤差信號的相位，參考信號的相位則將說明角度誤差和偏移誤差如何相對於g向量定向。也可以構想其它類型的基準傳感器，諸如光學換能器或 者磁性換能器，其中"發送器"(例如，光學情況下的雷射器或者磁性情 況下的>^體)固定在一點，並且探測器(光學情況下為二極體，磁性情況 下為磁傳感器)布置在旋轉軸上，或者發送器放置在軸上，探測器相對於 旋轉軸固定。
本發明不限於所示和所i兌明的實施例，並且可以在所附的專利權利要 求範圍內有利地改進和修改。
權利要求
1.一種用於通過包括傳感器和磁體的雙軸正交磁傳感器系統來測量設有第一耦合部分部分和第二耦合部分的兩軸的對準的系統，其中所述傳感器被設計成被置於所述第一耦合部分上，並且所述傳感器的一個感測方向朝向所述磁體的一個磁化方向，所述磁體被設計成被置於另一耦合部分上，並被設計成用於在軸的旋轉期間在線地相互獨立地讀出角度誤差和偏移誤差的裝置，其特徵在於所述系統還包括基準傳感器，所述基準傳感器用於確定所述角度誤差和偏移誤差相對於已知方向的定向。
2. 根據權利要求l所述的系統，其中所述軸的軸移位被測量。
3. 根據權利要求1或者2所述的系統，其特徵在於所述磁體是永久 磁體。
4. 根據權利要求3所述的系統，其特徵在於所^體是NdFeB M。
5. 根據權利要求1-4任何之一所述的系統，其特徵在於所it^體具有 尺寸使得一方面獲得足夠強的磁場，另 一方面還在放置所U傳感器系統 的位置獲得足夠強的磁場梯度。
6. 根據權利要求1-5任何之一所述的系統，其特徵在於所述角度誤差 ^由如下給出其中，r^l從所述軸的中心到所述^^體和所i^傳感器的軸距，L和 L2是所^m體和所ii^傳感器之間的最大和最小距離。
7. 根據權利要求1-6任何之一所述的系統，其特徵在於對於小角度誤 差所U場的振蕩的峰J^值Bttl和所述角度場的絕對值成線性。
8. 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於所述"^J^值為formula see original document page 2其中，朋/M是工作點的梯度，B阻-B^是場變化。
9. 根據權利要求1-8任何之一所述的系統，其特徵在於所^t傳感 器按照下式生成和所逸磁場成線性的輸出電壓formula see original document page 2其中，e是旋轉的角度，od是相位，v。ffx是所述輸出信號的偏移，Vtu是電壓中的"^值。
10. 根據權利要求9所述的系統，其特徵在於用與參考信號相關的相位將所述角度誤差分成分量(水平和垂直誤差)，並且根據V。tn確定所述 耦合部分之間的距離的任何移位。
11. 根據權利要求9或者10中任何一個所述的系統，其特徵在於用 V。m來補償工作距離的變化。
12. 根據權利要求9至11中任何一個所述的系統，其特徵在於所述 磁場轉換成對於所i^t傳感器的電壓值，並且所逸磁場中的峰峰值依據下 式被轉換成來自所述^^傳感器的輸出電壓中的峰J^值其中，ki是包含所述梯度和所i^合體的半徑的值的校準常數。
13. 根據前述權利要求中任何一個所述的系統，其特徵在於給定偏移 誤差並給定耦合體的旋轉，所^傳感器將在所i^體上方旋轉，其中所 U體被鎖定在固定坐標系中，其中所述偏移被當作發生在所^體的中 心和所述的磁傳感器系統之間的旋轉平面內的位置的移位。
14. 根據權利要求13所述的系統，包括感測方向沿徑向定向的磁傳 感器，其中所述感測方向沿著在所^t體平面內定向的磁力線投射。
15. 根據權利要求14所述的系統，其中產生所述感測方向的投射和 振蕩，並且在這樣的旋轉平面內定向的所逸磁場值取決於所述偏移程度。
16. 根據權利要求15所述的系統，其中對於在所述徑向定向的磁傳 感器所述傳感器的峰峰值(對於感測方向2)取決於偏移程度並且在耦合 體旋轉時生成振蕩信號圖案，並且產生圍繞零信號的信號振蕩。
17. 根據權利要求16所述的系統，其中所述磁場的峰峰值獲得如下其中S是所述偏移的值，ks是對於所述偏移的校準係數。
18. 根據權利要求17所述的系統，其中在所^合體旋轉時獲得正 弦信號如下 formula see original document page 3具有對應的輸出信號的峰J^值Vtt2，相對相位角OC2以及恆定的偏移擬 合參數V。ff2。
19. 根據權利要求18所述的系統，其中對於所述偏移的"^值為formula see original document page 4
20. 根據權利要求1-19任何之一所述的系統，其特徵在於所述基準傳 感器包含加iUL計。
21. 根據權利要求20所述的系統，其中所述基準傳感器當所^>速 度計的所述感測方向直指向g向量時產生最;Uait;變計信號，並且當所述 感測方向基本上逆平行於g向量時信號最低。
22. 根據權利要求21所述的系統，其中所1^>速度計的感測方向在 耦合體中徑向地定向。
23. 根據權利要求21所述的系統，其中所述加速度計的感測方向在 耦合體中橫向地定向。
24. 根據權利要求1-19任何之一所述的系統，其特徵在於所述基準傳 感器包含光學換能器或者磁性換能器。
25. 根據權利要求21所述的系統，其特徵在於在所述基準傳感器中 的發送器被固定在一點，探測器布置在所述旋轉軸上；或者兩者相反。
26. 根據前述權利要求的任何一項所述的系統，其中所逸基準傳感器 被放置在任意位置，具有已知的與所述>^傳感器系統相關的定向和位置。
27. 根據權利要求21所述的系統，其特徵在於所逸基準傳感器和所 i^傳感器系統相關聯地放置在其它電子i殳備所枕故置的位置。
28. —種雙軸正交磁傳感器系統，包括用在根據權利要求1至27任 何一項所述的系統中的傳感器和磁體。
29. —種基準傳感器，用在根據權利要求1至27任何一項所述的系 統中。
30. —種通過如權利要求1所述的系統測量所i^合體之間相對平行 的距離變化的方法，其特徵在於研究工作點的變化，所述工作點是由軸的 旋轉獲得的場變化的平均值。
全文摘要
本發明涉及通過包括傳感器和磁體的雙軸正交磁傳感器系統來測量設置有第一和第二耦合部分的兩軸的對準誤差的系統，其中所述傳感器設計為布置在第一耦合部分上，它的一個感測方向朝向所述磁體的一個磁化方向，所述磁體設計為布置在另一個耦合部分上，並被設計成用於在軸的旋轉期間在線地相互獨立地讀出角度誤差和偏移誤差的裝置。系統還包括基準傳感器，用於確定所述角度誤差和偏移誤差相對於已知方向的定向。
文檔編號G01B7/31GK101680741SQ200880017788
公開日2010年3月24日 申請日期2008年7月17日 優先權日2007年7月18日
發明者克裡斯特·詹森, 克裡斯蒂安·約納松, 揚·維彭米爾 申請人:埃洛斯菲克斯圖爾雷射公司