一種旁置式精密角位移自行檢測系統的制作方法
【專利摘要】本發明提出一種使具有沿圓周機械等分特征的運動金屬齒狀體具備自動進行精密角位移檢測并輸出其位移信息的系統。本發明設計了一組包含有激勵、感應和補償線圈的測頭，放置于被測運動金屬體旁，連同微處理器系統以非接觸方式精確獲取其運動位移信息。系統特征在于：測頭增加了沿軸向等分開槽且單個線圈沿軸向繞制再沿切向串聯以削弱線圈磁場邊緣效應；測頭的金屬繞線基體的齒頂分別沿切向和軸向加工成特定的弧形；被測金屬和測頭齒狀體之間符合確定的分布原則；測頭具有獨立可調補償電源的信號補償線圈；將被測金屬體與測頭視為一個具有傳感功能的整體機械系統，再通過在線或在系統條件下的誤差修正技術，使整個系統具備自檢及輸出精密位移信息的能力。
【專利說明】一種旁置式精密角位移自行檢測系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于角位移精密測量領域。
【背景技術】
[0002]傳統精密角位移傳感器在一些處于特殊和惡劣環境下的機械系統上“無法安裝”或“安裝后無法正常使用”是長期存在的重大技術難題。例如超大型、強振動、中空、工作于油污粉塵水汽等惡劣環境下的機械裝備和武器系統等。
[0003]傳統的機械傳動裝置為了傳遞動力和位置，采用了各種齒輪和蝸輪等。同時為了保證運動的精度，需要與被測齒輪I同軸同心(即通過軸承2、聯軸節3)安裝角位移傳感器，如圖1(a)所示，4為傳感器定子，5為傳感器轉子，這種傳感器若采用電磁原理，往往需要在傳感器的定子和轉子上等分開槽并繞制線圈6，見圖2 (b)。在一些特殊和惡劣的條件下，這些傳感器可能無法正常使用甚至根本就無法安裝，例如對于中空的大型齒圈的中心就沒有安裝位置。
[0004]同時，本發明人注意到:(I)在被檢測的機械運動系統中，有相當大一部分自身就具有空間等分的特點，例如齒輪(齒)、蝸輪(齒)、軸承(滾珠)、電機(槽)等；(2)這種等分的精度不是很高，稱為“機械等分”，達不到精密測量和控制所需求的“計量等分”程度；(3)角位移傳感器總是分為運動的轉子部分和靜止的定子部分，分別與被測機械的運動部分和靜止部分相連，當兩者發生相對運動時，由傳感器感知并輸出位移信息；(4)現有公知的傳感器技術和測量技術中，有的可以用較低的等分制作精度達到較高的測量精度，如時柵位移傳感器。有的采用與高精度傳感器對比并進行誤差修正的方法，也可以使較低精度的傳感器補償成為較高精度的傳感器。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有技術存在的問題，以及被測機械運動系統中存在機械等分的結構這樣現象，提出一種旁置式精密角位移自行檢測系統，將被測金屬體視為傳感器轉子，測頭視為傳感器定子，即將被測金屬體與測頭視為一個具有傳感功能的整體機械系統，通過對電磁測頭采用各種抑制誤差的設計對原始信號進行提純，結合誤差修正技術，使整個系統具備自檢及輸出精密位移信息的能力。
[0006]本發明的基本思想:
[0007]首先把具備機械等分條件的被測運動金屬當作一個“大傳感器”的轉子部分，而特殊設計制作的一組獨立的電磁測頭旁置其外圓(非接觸、不運動)當作定子部分，以此初步具備獲取被測機械的位移信息的能力。其次對電磁測頭采用各種抑制誤差的手段對原始信號進行提純。第三將誤差軟修正技術運用于上述被測機械現場，對所獲取位移信息中包含的定、轉子之間固有的誤差信息進行分解和修正，使之能夠輸出準確的角位移信息從而成為帶自檢功能的高精度機械運動系統，達到和安裝角位移傳感器同樣的效果。
[0008]本發明中所提“定子、轉子”及所涉及的“靜止、轉動”是相對而言的。[0009]本發明的技術方案如下:
[0010]一種旁置式精密角位移自行檢測方法，其具有一組或多組獨立電磁測頭，獨立電磁測頭圍繞分布于被測機械上的相對運動的且具有空間機械等分特征的金屬齒狀體的與齒相對一側，構成定子，而相對轉動的金屬齒狀體構成轉子。
[0011 ] 具體地，所述獨立電磁測頭包括導磁基體和線圈，導磁基體為弧形可視為圓環的一段，導磁基體上同時具有軸向開槽和切向開槽，且切向開槽的槽寬小于軸向開槽的槽寬；所述線圈包括激勵線圈、補償線圈和感應線圈，線圈先沿軸向繞制，再沿切向串聯。
[0012]所述獨立電磁測頭的線圈與微處理器及信號處理電路連接，微處理器內置誤差修正軟件模塊，它們與被測機械系統結合，共同成為一套能夠自行輸出精密位移信息的機械系統，達到與安裝角位移傳感器同樣的效果。
[0013]進一步，所述導磁基體的齒頂分別沿切向和軸向設計成弧形，該弧形可以為正弦、余弦或其他弧形形狀，用于抑制信號中的誤差分量。
[0014]更進一步，所述電磁測頭覆蓋被測機械的金屬齒狀體的齒數與獨立的電磁測頭的齒數比例符合2KN土 1: 2KN，其中K為正整數，N為電磁測頭上所加激勵的相數；
[0015]且電磁測頭的齒寬與槽寬比例符合以下規則:
[0016]L3=L2(I)
[0017]L4=M(L1+L2) M=I, 2, 3......(2)
[0018]其中，LI是金屬齒狀體的槽寬，L2是金屬齒狀體的齒寬，L3是電磁測頭的齒寬，L4是電磁測頭的槽寬，M為正整數。
[0019]更進一步，所述每個電磁測頭除包含基本的導磁基體和線圈外，還具有信號補償線圈，它采用與激勵線圈相同的繞制方法繞在測頭基體上，信號補償線圈由一套獨立的補償交流電源提供補充激勵，其電壓幅值、相位、頻率成分均可調整。
[0020]與傳統的角位移檢測系統相比，本發明的優點在于:
[0021]①測頭與被測機械不接觸，測頭作為定子部分而不需要運動，因此不易受到振動和沖擊。
[0022]②測頭為分散式，結構緊湊，便于密封，因此不怕油污、粉塵、水汽等極端惡劣工況；
[0023]③由于測頭體積小、重量輕，更不容易受到空間狹窄、中空和限重等特殊條件的限制，具備適用于極端特殊工作條件的顯著特色。
[0024]④不需要對被測機械做任何結構上的增加和改變，成本特別低廉。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1 (a)是傳統測量方法中角位移傳感器的安裝結構示意圖；
[0026]圖1 (b)是采用本發明的被檢測系統結構示意圖；
[0027]圖2 Ca)是本發明使用的圓柱坐標系定義；
[0028]圖2 (b)是傳統的電磁傳感器的定、轉子線圈結構示意圖；
[0029]圖2(c)是傳統的傳感器定子的繞線圖。
[0030]圖3 (al)是傳統測頭基體的沿切向等分后再沿軸向開槽的結構示意圖；
[0031]圖3 (a2)是本發明的測頭基體的軸向開槽和增加的沿軸向等分再沿切向開槽的結構示意圖；
[0032]圖3 (bl)是傳統線圈繞組的切向繞制再切向串聯的結構示意圖；
[0033]圖3 (b2)是本發明線圈繞組的軸向繞制再切向串聯的結構示意圖；
[0034]圖4 Ca)是本發明的沿切向帶有弧形齒的測頭結構示意圖；
[0035]圖4 (b)是本發明的沿軸向帶有余弦型齒的測頭結構示意圖。
[0036]圖5是本發明的測頭齒分布圖；
[0037]圖6 Ca)是本發明的單相激勵的定、轉子齒數比的示意圖；
[0038]圖6 (b)是在圖6 Ca)的基礎上定子槽寬增加一個節距的示意圖；
[0039]圖7 Ca)是本發明的兩相激勵的定、轉子齒數比的示意圖；
[0040]圖7 (b)在圖7 Ca)的基礎上定子槽寬增加一個節距的示意圖。
[0041]圖8是本系統的原理框圖。
【具體實施方式】
[0042]以下結合附圖進一步詳細說明本發明的設計思想和具體結構:
[0043]本發明提出一種使具有沿圓周機械等分特征的運動金屬齒狀體具備自動進行精密角位移檢測并輸出其位移信息的系統。本發明采用電磁感應原理，做成一組包含有信號激勵線圈、信號感應線圈和信號補償線圈在內的電磁感應測頭，將一組或多組該測頭放置于被測運動金屬體旁邊，連同微處理器系統以非接觸方式精確獲取其運動位移信息。測頭的激勵、感應和處理采用了部分公知的電磁傳感器技術，而特征之一是測頭增加了沿軸向等分開槽且單個線圈沿軸向繞制再沿切向串聯以削弱線圈磁場邊緣效應；特征之二是測頭的金屬繞線基體的齒頂分別沿切向和軸向加工成特定的弧形，以減小誤差及減少誤差成分；特征之三是被測金屬和測頭齒狀體之間符合確定的分布原則；特征之四是定子測頭具有獨立可調補償電源的信號補償線圈；特征之五是將被測金屬體視為傳感器轉子，測頭視為傳感器定子，即將被測金屬體與測頭視為一個具有傳感功能的整體機械系統，再通過在線或在系統條件下的誤差修正技術，使整個系統具備自檢及輸出精密位移信息的能力。
[0044]本發明直接利用被測機械的齒輪、蝸輪等的機械等分性，在其旁邊安裝若干組獨立的電磁感應測頭7，這樣被測齒輪I或蝸輪等(被視為傳感器轉子)就和測頭7 (視為傳感器定子)共同構成類似于電磁感應原理傳感器的整體系統，可視其為一個廣義的“大傳感器”，如圖1 (b)所示。再用常規對傳感器進行誤差修正的方法對此“大傳感器”進行誤差標定和誤差修正，使之成為和圖1 (a)同樣效果的可以輸出高精度位移信息，具有自檢功能的機械系統，用于實現精密測控目的。
[0045]為實現上述方案，本發明采用了以下傳統的公知技術和本發明提出的集成創新性技術:
[0046]本發明中，對定子測頭按空間正交排列繞制的激勵線圈通以按時間正交輸出的交流電源，同在定子上的感應線圈將感應出電行波信號。當按空間等分的轉子轉動時，定子電行波信號的相位將隨轉動方向的不同而前后移動。相移的大小與角位移成正比，從而反映出角位移信息。此為公知的電磁式位移傳感器技術。
[0047]本發明的技術創新點在于:
[0048]1、參見圖1 (b)，將一組或多組獨立的電磁測頭7圍繞分布在相對運動的具有空間機械等分特征的金屬齒狀體(圖中是齒輪I)的與齒相對一側，構成定子，并對測頭7上線圈的繞制和組合方法進行了特殊設計。
[0049]圖2(a)給出了對圓柱體三個坐標方向的常規定義，分為軸向Y、徑向X和切向Z，而傳統的電磁類機電產品(電機、傳感器等)的串聯線圈，無論是定子還是轉子，都是沿切向Z繞制線圈，再嵌入沿切向等分開槽的定子、轉子基體中，并沿切向串聯。
[0050]而對于本發明采用的測頭線圈而言，測頭基體71相當于一個圓環體截斷后的一段，如圖3 (al)，對這樣的測頭基體若是仍按上述切向等分軸向開槽，線圈6只能按切向串聯繞制后，前后不搭邊，不形成封閉，這樣線圈磁場的邊緣效應將對信號質量產生嚴重不利影響，如圖2 (C)。
[0051]為此本發明提出在傳統測頭基體的切向等分軸向開槽的基礎上，增加沿軸向等分的切向開槽，且其槽寬b小于軸向開槽的槽寬a，如圖3(a2)所示。然后線圈52的繞制方向由傳統的切向繞制后切向串聯(如圖3 (bl))，改為軸向繞制后再切向串聯，如圖3(b2)所示。通過理論分析、電磁場仿真和實驗效果均證明這種結構可以明顯削弱測頭離散(不封閉)線圈的磁場邊緣效應。
[0052]以上只是以增加一道切向開槽，兩個線圈6反繞組成“8”字型線圈為例，實用中可以有更多的切向開槽用于繞制多個線圈。
[0053]2、本發明用于繞制線圈6 (含激勵線圈、感應線圈和補償線圈)的測頭基體亦為機械等分的金屬齒狀體，為了進一步抑制感應信號中的誤差成分，本發明將測頭基體的齒頂加工成正弦、余弦或其它弧形，并且可以分別或同時沿著切向和軸向分布，如圖4 (a)是在齒頂的切線方向加工為弧形齒711，如圖4 (b)是在齒頂的軸向方向形成余弦形齒面712，此為兩個典型例，當 然也可以還有其他類似設計。
[0054]3、本發明的測頭基體71的齒數、寬度和占空比等分布規律符合圖5所示原則。
[0055]測頭齒分布原則:
[0056]L3=L2(I)
[0057]L4=M(L1+L2) M=I, 2, 3......(2)
[0058]其中，LI是金屬齒狀體的槽寬，L2是金屬齒狀體的齒寬，L3是離散電磁測頭的齒寬，L4是離散電磁測頭的槽寬，M為正整數。
[0059]測頭基體71(即定子)和被測機械的金屬齒狀體1(轉子)的齒數比為:2KN:2KN±1，其中K為正整數，N為測頭上所加激勵的相數。
[0060]在此基礎上，定子槽寬可增加P (P ^ I)倍節距的寬度，同樣可衍生出多種定轉子齒數比。
[0061]如圖6為單相激勵定轉子齒數比，圖6(a)為定轉子齒數比為2:3的情況，圖6(b)為在圖6 Ca)的基礎上定子槽寬增加I倍節距的情況。
[0062]如圖7為兩相激勵定轉子齒數比，圖7(a)為定轉子齒數比為4:5的情況，圖7(b)為在圖7 Ca)的基礎上定子槽寬增加I倍節距的情況。
[0063]4、由于各種原因，在激勵電源作用下信號感應線圈產生的感應信號將包含各種誤差成分，為此需再增加一個信號補償線圈，對原有誤差成分進行抵消。本發明增加的信號補償線圈的特征是:首先不是采用一個環狀封閉的定子線圈，而是將其截斷成為若干個離散的測頭線圈，其作用與上述定子線圈相似；其次不僅增加一個獨立的信號補償線圈，而且還要增加一套獨立的補償交流電源，其電壓幅值、相位、頻率成分均可調整，從而達到更好的補償效果，見圖8。
[0064]5、傳統方法將研制開發的位移傳感器與高精度的位移傳感器(如精密光柵、激光干涉儀等)同步轉動進行比對，將誤差信息記錄于微處理器進行誤差修正，從而提高所研發的傳感器精度。本發明由于將具有機械等分特征的被測機械視為傳感器轉子，而把通常為一整圈的定子線圈改為離散的電磁測頭后視為定子旁置于被測機械，如圖1 (b)所示，從而不同于上述傳統方法，即不需要在實驗室或傳感器制造商廠房中實現傳感器對傳感器的誤差修正，而是在系統使用客戶的加工現場實現傳感器對具備自檢功能的機械系統(有可能是非常龐大的系統)的在線誤差修正。除了直接利用被測機械的等分金屬齒狀體外，也可以專門加工一個按需設計的齒圈依附于轉動機械之上，本方法同樣適用。
[0065]本發明并不局限于上述實施方式，如果對發明的各種改動或變形不脫離本發明的精神和范圍，倘若這些改動和變形屬于本發明的權利要求和等同技術范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變形。
【權利要求】
1.一種旁置式精密角位移自行檢測系統，其特征在于，所述系統具有一組或多組獨立的電磁測頭，所述電磁測頭圍繞分布于被檢機械上相對轉動的、具有空間機械等分特征的金屬齒狀體的與齒相對的一側，構成定子，而相對轉動的金屬齒狀體構成轉子； 所述電磁測頭包括導磁基體和線圈，導磁基體為圓環的一段，導磁基體在面對金屬齒狀體的一面上同時具有軸向開槽和切向開槽，且切向開槽的槽寬小于軸向開槽的槽寬；所述線圈包括激勵線圈和感應線圈，線圈先沿軸向繞制，再沿切向串聯； 所述電磁測頭的線圈與微處理器及信號處理電路連接，微處理器內置有誤差修正處理模塊； 所述電磁測頭、微處理器、信號處理電路和被測機械的相對轉動金屬齒狀體共同構成一套能夠自行輸出精密位移信息的自行檢測機械系統。
2.根據權利要求1所述的旁置式精密角位移自行檢測系統，其特征在于，所述導磁基體的齒頂分別沿切向和軸向設計成弧形。
3.根據權利要求2所述的旁置式精密角位移自行檢測系統，其特征在于，所述齒頂的弧形為正弦、余弦或其他弧形形狀。
4.根據權利要求1-3之一所述的旁置式精密角位移自行檢測系統，其特征在于，所述電磁測頭覆蓋被測機械的金屬齒狀體的齒數與電磁測頭的齒數比例符合2KN±1:2KN，其中K為正整數，N為電磁測頭上所加激勵的相數； 且電磁測頭的齒寬與槽寬比例符合以下規則: L3=L2(I) L4=M(L1+L2) M=I, 2, 3......(2) 其中，LI是金屬齒狀體的槽寬，L2是金屬齒狀體的齒寬，L3是電磁測頭的齒寬，L4是電磁測頭的槽寬，M為正整數。
5.根據權利要求1-3之一所述的旁置式精密角位移自行檢測系統，其特征在于，所述每個電磁測頭除包含基本的導磁基體和激勵、感應線圈外，還有信號補償線圈，它采用與激勵線圈相同的繞制方法繞在導磁基體上，信號補償線圈由一套獨立的補償交流電源提供補償激勵，其電壓幅值、相位、頻率成分均可調整。
6.根據權利要求1-3之一所述的旁置式精密角位移自行檢測系統，其特征在于，所述電磁測頭旁置于相對轉動金屬齒狀體的外圓相對一側。
7.根據權利要求1-3之一所述的旁置式精密角位移自行檢測系統法，其特征在于，所述被測機械的金屬齒狀體為齒輪、蝸輪、電機、軸承等。
8.根據權利要求1-3之一所述的旁置式精密角位移自行檢測系統，其特征在于，首次使用所述自行檢測機械系統前，先要利用高精度的角位移測量裝置對自行檢測機械系統的進行位移測量，將測量結果與自行檢測機械系統的自測結果進行對比得出自行檢測機械系統的固有測量誤差，存儲于微處理器，以后在實際測量或控制中補償此固有測量誤差部分，達到誤差修正后輸出精密位移信息的效果。
【文檔編號】G01B7/30GK103808250SQ201410067858
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2014年2月26日
【發明者】彭東林, 武亮, 高中華, 孫世政, 湯其富, 陳錫侯, 范兵 申請人:重慶理工大學