專利名稱：用于測量旋轉的可移動部件的軸向移動的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量旋轉的可移動部件的移動的系統、以及用于測量旋轉中的可移動部件的軸向移動的方法。更具體地，本發明涉及圍繞軸線旋轉并沿平行于該旋轉軸線的軸線平移的可移動部件的軸向移動的測量。
背景技術：
為適當地操作，鉸接接合(pin joint)需要軸向的操作間隙。但是，該間隙一般隨著導向部件和軸承的狀況而變化。因此，有必要測量軸向間隙，所述軸向間隙為軸承磨損的良好指標。例如，在鐵路客車軸箱中，軸承受到摩擦腐蝕，當軸承環磨損時以及隨著軸承環的磨損，其導致軸向間隙可能超過1_。在現有技術中，使用編碼器和傳感器測量旋轉部件的移動的磁系統是已知的。編碼器一般為磁環，該磁環與旋轉部件結合為一體并包括環形磁道，在磁道上以相同距離分布的多個南、北磁極對被磁化。固定傳感器徑向設置在磁磁道的相對側，并由對磁場敏感的元件組成。傳感器發出磁信號，更具體地，磁信號的頻率使得可以確定旋轉部件的轉速。但是，這種系統不允許測量旋轉的可移動部件的軸向移動。公知的是，將傳感器與磁環相對設置，并測量磁場強度的變化以便確定旋轉部件的軸向移動。但是，由于磁場強度的測量顯示出明顯的溫度漂移，所以這種測量不可靠。因此，該系統不能應用到具有明顯溫度變化的嚴酷環境中。為確定孔中的軸的軸向位移，也存在“軸端”解決方案，其中，位置傳感器或近程式傳感器與軸端相對地安裝。但是，該方案除了因整體尺寸而在某些情況下行不通的事實外，軸端有時具有返回當前圓錐形小齒輪的作用，這使得該方案行不通。另外，專利申請EP1875422公開了一種用于檢測軸向位移的系統。該系統使用與旋轉部件結合成一體的多極磁環以及徑向相對設置且距磁環圓周一讀數距離(readingdistance)的固定傳感器。環的外圍上，具有相對于旋轉部件的旋轉軸線傾斜的特別的磁躍遷(magnetic transition)。當旋轉部件軸向移動時,該系統檢測到該特性任一側的磁極長度的改變。因此，可以從其中推導出旋轉部件的軸向位移。但是，每次旋轉只能進行一次軸向位移的測量，并且在該磁極上的速度測量是不真實的。因此，該方案不適于高分辨率速度測量。日本專利申請JP 2006201157公開了一種可以測量旋轉的可移動部件的軸向位移的系統。該測量系統包括與球軸承的內環構造成一體的環形編碼器、以及固定至該軸承的外環并與傳感器的環形編碼磁道徑向相對設置的一個或兩個傳感器。在專利申請JP2006201157的圖10中示出的一個實施例中，編碼器包括兩個編碼磁道。兩個磁道具有這樣的圖案，其具有沿相對的三角方向的恒定角螺旋形狀。兩個磁道中的每一個均相對設置有一傳感器，并且計算單元根據傳感器發出的信號之間的相差確定軸向位移。但是，該文件沒有公開確定由傳感器發出的信號之間的相位移的方法。如今，確定相位移值的精確性對于獲得旋轉的可移動部件的軸向移動的可靠值是非常重要的。另外，由于可移動部件的轉速顯示出極大的變化，所以精確地確定相位移值更加困難。
發明內容
本發明旨在通過提供用于測量旋轉的可移動部件的軸向移動的系統和方法來克服這些問題，使得可以可靠且精確的方式測量所述部件的軸向位移。為此目的且根據第一個方面，本發明提供了一種用于測量沿軸線A旋轉的可移動部件的軸向移動的系統，包括:-磁編碼裝置，包括至少一個環形環，該環形環固定至可移動部件，并且其上多個南北磁極對被磁化，這些磁極以相同的距離分布并且為具有軸線A的螺旋形；-用于檢測磁場的裝置，至少包括第一固定磁傳感器和第二固定磁傳感器，這些磁傳感器以彼此相距非零軸向距離d設置，與編碼裝置的外圍磁道徑向相對并且相距一個讀數的距離，并對由編碼裝置感生的磁場的變化敏感；以及-信號處理單元；-第一傳感器包括:-第一多個敏感元件，位于垂直于軸線A的相同平面內，該敏感元件分成至少兩個第一子組件；以及-電子電路，設置成用于根據由第一子組件發出的信號而發出正交的(inquadrature)且具有相同幅度的兩個模擬信號SINl和COSl ;并且-信號處理單元包括:-計算器，用于根據信號SINl和COSl確定信號ARCTAN1= arc Tan (SIN1/C0S1)，以及-運算器，用于根據所述信號ARCTANl確定由第一傳感器檢測到(seen)的磁場與如由第二傳感器檢測到的磁場之間的相位移。因此，由第一和第二傳感器發出的信號之間的相位移獨立于可移動部件的轉速變化進行測量。事實上，根據代表在所考慮的(considered) —對磁極上的傳感器的絕對位置的信號ARC TANl來確定相位移值。因此，通過根據本發明的系統獲得的軸向位移的測量具有減小的誤差范圍。另外，由于測量系統使用兩個傳感器，所以可以獲得兩個重復的速度測量。因此，重復測量保證了增加了速度測量中的安全性(security)，當速度測量應用于ABS或防滑系統中時這一點尤其有利。在一個實施例中，第二傳感器包括:-第二多個敏感元件，位于垂直于軸線A的相同平面內，并分成至少兩個第二子組件，以及
-電子電路，設置成用于根據由第二子組件發出的信號發出正交的且具有相同幅度的兩個模擬信號SIN2和C0S2。在一個實施例中，信號處理單元包括運算器，該運算器用于當信號SIN2或C0S2經過預定閾值時根據信號ARC TANl的值確定瞬時角相位移。在另一個實施例中，信號處理單元包括:-計算器，用于根據信號SIN2和C0S2確定信號REF = arc Tan (SIN2/C0S2)；以及-運算器，用于根據ARCTANl與REF之間的差確定瞬時角相位移。信號ARC TANl和REF的值代表所考慮的一對磁極上的傳感器的絕對位置，并且因此可以實時地得知軸的軸向位移。在另一個實施例中，第二傳感器只包括一個對磁場敏感且發出信號REF的傳感器，信號處理單元包括運算器，該運算器用于為當信號REF經過預定閾值時根據信號ARCTANl的值確定瞬時相位移。有利地，該 系統還包括分析器，該分析器用于存儲瞬時相位移的極值并由此推導出編碼裝置與檢測裝置之間的軸向間隙。在一個實施例中，第一傳感器和第二傳感器位于共用的定制ASIC集成電路中。因此，限制了這種檢測裝置的整體尺寸并且便于其一體化。另外，兩個傳感器在同一集成電路上的一體化可以大幅減少測量系統的生產成本。在一個實施例中，所述第一環形環的磁極具有恒定螺旋角α，編碼裝置包括具有軸線A的且與可移動部件結合為一體的第二環形磁道，并且其上多個南、北磁極對被磁化，這些磁極以相同的距離分布，并且這些磁極相對于第一外圍磁道的磁極傾斜。在一個實施例中，第二外圍磁道的磁極沿平行于軸線A的方向延伸。在另一個實施例中，第二外圍磁道的磁極為具有軸線A和恒定的螺旋角β的螺旋形。有利地，角β和角α相等并且為相對的三角方向。因此，記錄的(noted)相位移更大并且軸向位移的測量的靈敏度加倍。根據第二個方面，本發明涉及一種用于測量圍繞軸線A旋轉的可移動部件相對于固定參考系統的軸向移動的方法，該方法至少包括以下步驟:-利用至少一個環形磁磁道產生相對于可移動部件的固定磁場，在與可移動部件有關的一參考系統中距離所述軸線A預定的徑向距離的位置處，磁場的徑向分量中的一個為磁道上所考慮的角位置 和磁道上所考慮的軸向位置X的函數F( 、X)，即:F ( Θ , X) = K.Ψ (P.[ Θ +G (X)])其中，P為整數，G為X的給定的嚴格遞增函數，且Ψ為周期為2 π的周期函數，-根據代表由與參考系統相關且與環形磁道相對設置的第一固定傳感器所檢測到的磁場變化的信號，發出正交的且具有相同幅度的兩個模擬信號SINl和C0S1，-根據信號SINl 和 COSl 確定信號 ARC TAN = arc Tan (SIN1/C0S1)，以及-發出參考信號REF,該參考信號為與固定參考系統相關并與第一傳感器間隔一軸向距離d的第二固定傳感器所檢測到的磁磁道產生的磁場變化的函數，以及-根據信號ARCTANl和信號REF，確定由第一傳感器檢測的磁場變化與由第二傳感器檢測的磁場變化之間的瞬時相位移；以及-根據所述瞬時相位移，確定磁道相對于傳感器的軸向位移。
因此，根據本發明的測量方法可以獲得不因可移動部件的轉速變化而改變的精確軸向位移測量。根據一個實施例，該方法包括以下步驟:-確定信號 REF = arc Tan (SIN2/C0S2)，-確定瞬時相位移，所述瞬時相位移為信號REF與信號ARCTAN1之間的差。根據另一個實施例，根據當信號REF沿至少一個預定方向經過預定閾值時由信號ARC TANl獲得的值，確定相位移。有利地，信號REF與信號SIN2或與信號C0S2成比例。在一個實施例中，函數G為具有常數R的線性函數，SP:G(X) = R (X-XO)/XO。
在閱讀以下參照附圖進行的描述的同時，本發明的其它目的和優點將變得顯而易見，附圖中:圖1是根據第一實施例的用于測量軸向位移的系統的示意圖；圖2是組成圖1中的測量系統的磁環之一的詳細示意圖；圖3是根據第二實施例的用于測量軸向位移的系統的示意圖，圖3’示出了當磁極具有螺旋形狀其螺旋角ct根據函數a =f(x) = arctan2K χ變化時,來自環的一個磁極的磁躍遷的形狀的曲線圖；圖4是根據第三實施例的測量系統以及由其檢測裝置發出的信號的示意圖；以及圖5是根據第四實施例的測量系統以及由其檢測裝置發出的信號的示意圖。
具體實施例方式在下面的描述中，軸沿其旋轉軸線A的位移被稱為“軸向位移”。X指的是軸線Β( “編碼”環的軸線)上的一個所考慮的點的軸向坐標，Y指的是在垂直于軸線B的平面上測量的環的外圍磁道上的一點的曲線坐標。另外，“極長(polarlength)Lp”表示沿軸線Y測量的磁極的長度。另外，螺旋角在本說明書的意思中表示由磁極的螺旋線的切線相對于軸線X形成的角。此處，霍耳效應探針表示包括至少一個感應元件(通常為板形的半導體)的傳感器，從而當電流I流過傳感器時，并且當傳感器還受到與該電流形成角度Θ的電磁感應B時，沿著垂直于電流I并垂直于電磁感應B的方向產生電壓V (V = K.1.B.sin Θ )，K被稱為“霍耳常數”且是感應元件的材料特性和幾何學特性，并且K隨溫度變化。此處，“磁致電阻”表示對磁場強度敏感的變阻器，S卩，由半導體材料制成的電阻，當垂直于流經該電阻的電流的方向施加的單向磁場的強度改變時，其歐姆值改變。根據本發明的系統和方法旨在測量諸如圖1和3示出的軸I的可移動部件圍繞軸線A旋轉以及平行于軸線A的平移的移動。 用于測量位移的系統包括稱為編碼裝置的磁脈沖發生器、用于檢測磁場的裝置、以及信號處理裝置8，該信號處理裝置可以處理由檢測裝置發出的信號以獲得期望的信息，更具體地是獲得軸I的軸向位移。圖1示出的測量系統包括也稱為“編碼器”的編碼裝置，其由具有軸線B的兩個多極磁環2、7組成。環2、7相對于軸I的旋轉軸線A與軸I同心地構造成一體。磁環2、7包括設置在環2、7的圓周上并形成外圍磁道的多個北極和南極3、4。磁極3、4以相同距離分布在環2、7的外圍上，且具有恒定極長Lp。例如，環2、7可以是這樣的部件，其由摻有鋇鐵氧體微粒或鍶鐵氧體微粒的合成材料或任何其它硬鐵磁材料制成，形成有多個鄰接磁場形成，形成有相反的磁化方向，相對于兩個鄰接磁場形成有給定磁場。第一環2的外圍磁道的磁極為具有軸線B的螺旋形，其螺旋角α為常數。對于第二環7，其也稱為“參考”環，其外圍磁道的磁極沿著平行于旋轉軸線A的方向延伸。在有關軸的參考系統中，在距軸線A預定的徑向距離處，由具有軸線B及恒定螺旋角α的螺旋形第一環2產生的磁場的徑向分量中的一個為磁道上所考慮的角位置Θ和磁道上所考慮的軸向位置X的函數F( 、χ)，即:F (Θ , X) = K.Ψ (P.[ Θ +G (X)])其中，P為整數，G為X的給定的嚴格遞增函數，且V為周期為2 π的周期函數；例如:
權利要求
1.一種用于測量沿軸線A旋轉的可移動部件相對于固定參考系統的軸向移動的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步驟: -利用至少一個環形磁磁道產生相對于所述可移動部件的固定磁場，在與所述可移動部件(I)有關的一參考系統中距離所述軸線A預定的徑向距離的位置處，所述磁場的徑向分量中的一個為所述磁道上所考慮的角位置 和所述磁道上所考慮的軸向位置X的函數F(0、X)，即: F (Θ , X) = K.Ψ (P.[ Θ +G (X)]) 其中，P為整數，G為X的給定的嚴格遞增函數，且V為周期為2 π的周期函數， -根據代表由與所述參考系統相關且與環形磁道相對設置的第一固定傳感器所檢測到的磁場變化的信號，發出正交的且具有相同幅度的兩個模擬信號SINl和C0S1， -根據信號 SINl 和 C0S2 確定信號 ARC TANl = arc Tan (SIN1/C0S1);以及-發出參考信號REF，該參考信號為由與所述固定參考系統相關并與所述第一傳感器間隔一軸向距離d的第二固定傳感器檢測到的磁磁道產生的磁場變化的函數，以及 -根據所述信號ARC TANl和所述信號REF，確定由所述第一傳感器所檢測到的磁場變化與由所述第二傳感器所檢測到的磁場變化之間的瞬時相位移；以及_根據所述瞬時相位移，確定磁道相對于傳感器的軸向移動。
2.根據權利要求1所述的用于測量移動的方法，其特征在于，包括以下步驟: -根據代表由所述第二傳感器檢測到的磁場變化的信號，發出2，發出正交的且具有相同幅度的兩個模擬信號SIN2和COS， -根據SIN2和/或C0S2確定所述信號REF。
3.根據權利要求2所述的用于測量移動的方法，其特征在于，包括以下步驟: -確定所述信號 REF = arc Tan (SIN2/C0S2)， -確定所述瞬時相位移，所述瞬時相位移為所述信號REF與信號ARC TANl之間的差。
4.根據權利要求2所述的用于測量移動的方法，其特征在于，包括以下步驟:根據當所述信號REF沿至少一個預定方向經過所述預定閾值時由所述信號ARC TANl獲得的值，確定所述相位移。
5.根據權利要求4所述的用于測量移動的方法，其特征在于，所述信號REF與所述信號SIN2或與所述信號C0S2成比例。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，函數G為具有常數R的線性函數，即:G(X) = R (X-XO)/XO。
全文摘要
一種用于測量沿軸線A旋轉的可移動部件相對于固定參考系統的軸向移動的方法，方法至少包括以下步驟利用至少一個環形磁磁道產生相對于可移動部件的固定磁場；根據代表由與參考系統相關且與環形磁道相對設置的第一固定傳感器所檢測到的磁場變化的信號，發出正交的且具有相同幅度的兩個模擬信號SIN1和COS1；根據信號SIN1和COS2確定信號ARC TAN1＝arc Tan(SIN1/COS1)；以及發出參考信號REF；以及根據信號ARC TAN1和信號REF，確定由第一傳感器所檢測到的磁場變化與由第二傳感器所檢測到的磁場變化之間的瞬時相位移；以及根據瞬時相位移，確定磁道相對于傳感器的軸向移動。
文檔編號G01D5/12GK103217179SQ20131008225
公開日2013年7月24日 申請日期2009年8月28日 優先權日2008年8月28日
發明者帕斯卡爾·德比奧勒, 艾蒂安·旺達姆 申請人:S.N.R.魯爾門斯公司