CN101680741A - 用于测量轴的对准误差的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过包括传感器和磁体的双轴正交磁传感器系统来测量设置有第一和第二耦合部分的两轴的对准误差的系统，其中所述传感器设计为布置在第一耦合部分上，它的一个感测方向朝向所述磁体的一个磁化方向，所述磁体设计为布置在另一个耦合部分上，并被设计成用于在轴的旋转期间在线地相互独立地读出角度误差和偏移误差的装置。系统还包括基准传感器，用于确定所述角度误差和偏移误差相对于已知方向的定向。

Description

用于测量轴的对准误差的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于测量两轴的共线性的系统、方法和布置。

背景技术

目前对于在线(即，在操作期间)测量两轴耦合的对准度存在大的需求。通过使轴朝向共线的方向(与轴的对称方向相一致)，实现了当电机通过轴与轴的耦合而驱动泵时的较少的能量损失，并且还使得轴、耦合和电机上的磨损最小化。目前，在轴静止时利用基于激光的系统来完成测量和后续的定向。然而，已知在操作期间的轴的共线性由于负载和温度的变化而与当该轴处于静止时的状况不相同。同样地，在操作期间，定向随时间而变化。因此，在许多不同的工业分支领域中存在对于对轴与轴的耦合的在线测量的很大的兴趣，以使与在操作期间的状况相一致的定向成为可能。

具有高达150℃的轴耦合中的温度的工业中的环境方面以及脏的环境要求使用可以处理这些要求的传感器系统。目前磁传感器例如在汽车工业中得到普及，在汽车工业中可以发现这种环境。

GB2360596和GB2321969处理轴定向布置。

发明内容

本发明基于用于测量轴耦合的定向误差的鲁棒性的磁性方法。

相应的，获得一种用于通过包括传感器和磁体的双轴正交磁传感器系统来测量设置有第一和第二耦合部分的两轴对准误差的系统。所述传感器设计为放置在第一耦合部分上，它的一个感测方向朝向所述磁体的一个磁化方向。磁体设计为放置在另一个耦合部分，并被设计成用于在轴的旋转期间在线地相互独立地读出角度误差和偏移误差(offset error)的装置。此外，系统包括基准传感器，用于确定所述角度误差和偏移误差相对于已知方向的定向。

本发明还涉及双轴正交磁传感器系统，它包括用于如上述系统的传感器和磁体。

本发明还涉及用于如上述系统的基准传感器。

本发明还涉及通过如上所述的系统测量耦合体之间相对平行的距离变化的方法，其特征在于研究工作点的变化，工作点是由轴旋转获得的场变化的平均值。

附图说明

就几个示于附图中的非限制性的实施例对本发明说明如下，其中：

图1示出了根据本发明的轴测量布置的实施例，

图2示出了磁场如何随着距磁体的距离而变化的典型表现，

图3示出了来自感测方向1的信号的峰峰值如何随着角度误差绝对值而变化的典型表现，

图4示出了本发明的偏移误差和传感器系统，

图5示出了来自感测方向2的信号的峰峰值如何随着偏移误差绝对值而变化的典型表现。

具体实施方式

轴耦合的定向误差可以分成角度误差和偏移误差。我们现在将说明各种情况并说明如何能相互独立地测量这些误差。也可以发生轴的轴移位，并且用本发明的方法也可以测量轴的轴移位。

本方法基于在耦合体(coupling)中的一个上放置永久磁体(例如，为了获得足够强的磁场，由NdFeB合金制成)，并在另一个耦合体上放置双轴(在两个正交方向上测量磁场)磁传感器。选择磁体尺寸使得一方面获得足够强的磁场，另一方面还在放置磁传感器系统的位置获得足够强的磁场梯度。磁体的磁化方向将指向一个耦合体。磁传感器系统的一个感测方向将指向磁体的磁化方向，并且另一个感测方向将朝向和另一个感测方向相正交的方向。

带有角度误差φ的轴耦合可见于图1，图1示出了带有对应的耦合单元11a和11b的两轴10a和10b。耦合单元11a设置有磁体12，耦合单元11b设置有磁传感器13。轴距r是从轴的中心到磁体12和磁传感器13的距离。图中示出了产生磁体和磁传感器之间的最大距离的角度误差，磁传感器指向竖直向上。距离L₁和L₂是磁体和磁传感器之间的最大和最小距离。当耦合体旋转时，磁体和磁传感器之间的距离将作振荡运动，峰峰值为L₁-L₂。角度误差给出如下：

对于小角度误差(当

时)，角度误差给出如下：

图2示出了对于耦合中使用的磁体，磁场如何随着距磁体的距离而变化。永久磁体和传感器之间的距离的微小位置变化将会产生场的变化，场的变化取决于位置和梯度(如下所述，磁场相对于距离曲线的倾斜)的变化幅度。

在耦合体旋转当中发生在我们的测量布置中最大的距离变化为L₁-L₂，这对应于具有最小值B_min或者最大值B_max的磁场。场变化B_max-B_min是出现角度误差时耦合体旋转当中振荡磁场值的峰峰值B_tt1。由于耦合体旋转当中位置变化微小(也即是说，梯度恒定)，B_tt1可以写成(考虑到磁传感器也随着等于角度误差的角度扭转)：

其中

是工作点的梯度。如果考虑到我们有微小的角度误差的事实，

即当

时，我们得到：

因此对于小角度误差来说，磁场振荡的峰峰值与角度场的绝对值成线性，在大多数角度误差中是如此。如果角度误差比较大(也就是说，不满足

)，只能使用完整的表达式求角度变化(方程2.3)，或者，如果角度误差很大(并且梯度不是一个常数)，使用该结果求场如何随距离变化，然后再计算角度误差(也就是说，使用图2的结果)。

在这些轴耦合布置当中获得的所有用于相对大的误差的测量结果证实B_tt1关于角度误差成线性。

从典型的线性磁传感器(例如，从带有电压测量的集成霍尔传感器)获得关于磁场成线性的输出电压。由于磁体和磁传感器之间的距离在耦合体旋转当中将以正弦(或者余弦)表达式振荡，并且距离变化不太大，我们将从磁传感器获得对于电压信号的振荡表达式：

$V_1=\left(\frac{V_{\mathrm{tt}1}}{2}\right)\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\α}}_1)+V_{\mathrm{off}1}---\left(5\right)$

其中θ是旋转角度，α₁是相位，V_off1是输出信号的偏移(其取决于磁体和磁传感器之间的工作距离)，V_tt1是电压峰峰值。将上述方程拟合到旋转当中测量的数据给出参数V_tt1、α₁和V_off1的值。从与参考信号相关的相位(例如，从加速度计或者被布置为与磁传感器系统相连接的另一个基准传感器系统)，可以将角度误差分成分量。(水平和垂直误差)。从V_off1，可以确定耦合体之间的任何距离偏移，这种偏移将产生工作距离上的变化。因而使用V_off1可以补偿工作距离上的这些变化，这意味着也可以用这种方法检测两个耦合体之间位置上的任何相对变化。

因为磁场可以转换成对于磁传感器的电压值，所以磁场的峰峰值就可以转换成来自磁传感器的输出电压的峰峰值：

这一点示意性地示出在图3中。

校准常数K₁如方程2.4包含梯度和耦合体半径的值。校准常数几乎不取决于偏移。已经测量了这个分量并且发现对于大多数耦合体应用中发生的偏移可以忽略这个分量。V₁₀用于获得良好的校准线并且通常相当接近于零。为校准系统的角度误差，因此至少需要两个数据点，至少一个小的和一个较大的角度误差。在校准阶段数个数据点提供更精确的校准。优选地，那么应该选择小、中和大的角度误差。

耦合体的偏移误差以及传感器系统如何定位可见于图4中。图4示出了带有相应的耦合单元41a和41b的两轴40中的一个。耦合单元41a设置有磁体42a和42b，并且耦合单元41b设置有磁传感器43a和43b。

给定偏移误差并且给定耦合体的旋转，磁传感器将在磁体上方旋转。磁体可以锁定在固定坐标系中。偏移可视为在磁体中心和磁传感器系统之间旋转的平面内的作为结果的位置偏移。如果使用感测方向沿径向(如图4所示)的磁传感器(感测方向沿径向以最小化摆动(play)对耦合体的影响)，这个感测方向将沿着在磁体平面内定向的磁力线投射。这种感测方向的投射和振荡将必然伴随自磁传感器的振荡信号。在这样的旋转平面中定向的磁场值取决于偏移程度。这将意味着对于沿径向定向的磁传感器而言传感器的峰峰值(图4中，对于感测方向2)将取决于偏移程度。图中箭头表明磁传感器的感测方向2。图中下部示出了当耦合体旋转半周时磁体和磁传感器系统如何相对于彼此定位。在耦合体旋转当中获得和对于角度误差的振荡相似的振荡信号图案，但这种情况下获得围绕零信号的信号振荡(对于精确中心定位、偏移是0的磁体/磁传感器系统)。如前述过程，在偏移误差中使用相同类型的信号处理(看角度误差的说明)。

磁场峰峰值可以写成：

B_tt2＝K_sS                                (7)

其中S是偏移值，Ks是偏移的校准系数。

在耦合体旋转当中，获得正弦信号(与对于角度误差相同的方式)，它可以写成：

$V_2=\left(\frac{V_{\mathrm{tt}2}}{2}\right)\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\α}}_2)+V_{\mathrm{off}2}---\left(8\right)$

具有对应的输出信号的峰峰值V_tt2，相对相位角α₂以及恒定的偏移拟合参数V_off2。如同前述角度误差情况一样，这个对于偏移的峰峰值可以写成：

V_tt2＝k₂S+V₂₀                    (9)

图5示意性地示出了这一点。

正如同角度误差一样，偏移误差结果必须使用至少两个数据点：小的偏移误差以及较大的偏移误差来校准。在这个校准过程中数个数据点产生更精确的校准。

根据本发明，获得带有一个感测方向(方向1)朝向磁体、一个感测方向(方向2)沿径向或者横向定向的双轴磁传感器系统。按照方向1测量角度误差，按照方向2测量偏移误差。角度和偏移中的两个绝对误差可以看作具有对应的水平和垂直误差的坐标系统中的向量，整体状况示出于图6中。

误差方向的定义可以根据需要调整。对于角度误差和偏移误差都已经变化的情况的测量，已经发现两种误差之间没有依赖性，这意味着角度误差和偏移误差可以通过使用来自两个感测方向1和2的数据独立地测量。

基准传感器用来确定角度误差和偏移误差怎样相对已知的方向定向。基准传感器可以放置在任意位置，只要知道它被放置在哪里以及它如何相对于磁传感器系统定向。可以有利地和磁传感器系统相关联地放置基准传感器，这是因为其它电子设备布置在这个区域。例如，可以使用加速度计作为基准传感器，在这种情况下当加速度计直指向g向量(竖直向下)时将得到最大的加速度计信号，当感测方向逆平行于g向量(竖直向上)时信号最低。在这种情况下，加速度计的感测方向在耦合体中将沿径向定向。加速度计的感测方向也可以在耦合体中沿横向定向，然后仍获得振荡信号，但是现在信号将不会像第一个被描述的加速度计的情况受向心力的影响。来自加速度计的信号将描绘基本上正弦的信号，当感测方向朝向或者沿g向量方向时具有相似的最大和最小信号。相对于来自于角度误差和偏移误差信号的相位，参考信号的相位则将说明角度误差和偏移误差如何相对于g向量定向。也可以构想其它类型的基准传感器，诸如光学换能器或者磁性换能器，其中“发送器”(例如，光学情况下的激光器或者磁性情况下的磁体)固定在一点，并且探测器(光学情况下为二极管，磁性情况下为磁传感器)布置在旋转轴上，或者发送器放置在轴上，探测器相对于旋转轴固定。

本发明不限于所示和所说明的实施例，并且可以在所附的专利权利要求范围内有利地改进和修改。

Claims (30)

1.一种用于通过包括传感器和磁体的双轴正交磁传感器系统来测量设有第一耦合部分部分和第二耦合部分的两轴的对准的系统，其中所述传感器被设计成被置于所述第一耦合部分上，并且所述传感器的一个感测方向朝向所述磁体的一个磁化方向，所述磁体被设计成被置于另一耦合部分上，并被设计成用于在轴的旋转期间在线地相互独立地读出角度误差和偏移误差的装置，其特征在于：

所述系统还包括基准传感器，所述基准传感器用于确定所述角度误差和偏移误差相对于已知方向的定向。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述轴的轴移位被测量。

3.根据权利要求1或者2所述的系统，其特征在于所述磁体是永久磁体。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述磁体是NdFeB合金。

5.根据权利要求1-4任何之一所述的系统，其特征在于所述磁体具有尺寸使得一方面获得足够强的磁场，另一方面还在放置所述磁传感器系统的位置获得足够强的磁场梯度。

6.根据权利要求1-5任何之一所述的系统，其特征在于所述角度误差

由如下给出：

其中，r是从所述轴的中心到所述磁体和所述磁传感器的轴距，L₁和L₂是所述磁体和所述磁传感器之间的最大和最小距离。

7.根据权利要求1-6任何之一所述的系统，其特征在于对于小角度误差所述磁场的振荡的峰峰值B_tt1和所述角度场的绝对值成线性。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述峰峰值为：

其中，

是工作点的梯度，B_max-B_min是场变化。

9.根据权利要求1-8任何之一所述的系统，其特征在于所述磁传感器按照下式生成和所述磁场成线性的输出电压：

$V_1=\left(\frac{V_{\mathrm{tt}1}}{2}\right)\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\α}}_1)+V_{\mathrm{off}1}$

其中，θ是旋转的角度，α₁是相位，V_off1是所述输出信号的偏移，V_tt1是电压中的峰峰值。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于用与参考信号相关的相位将所述角度误差分成分量(水平和垂直误差)，并且根据V_off1确定所述耦合部分之间的距离的任何移位。

11.根据权利要求9或者10中任何一个所述的系统，其特征在于用V_off1来补偿工作距离的变化。

12.根据权利要求9至11中任何一个所述的系统，其特征在于所述磁场转换成对于所述磁传感器的电压值，并且所述磁场中的峰峰值依据下式被转换成来自所述磁传感器的输出电压中的峰峰值：

其中，k₁是包含所述梯度和所述耦合体的半径的值的校准常数。

13.根据前述权利要求中任何一个所述的系统，其特征在于给定偏移误差并给定耦合体的旋转，所述磁传感器将在所述磁体上方旋转，其中所述磁体被锁定在固定坐标系中，其中所述偏移被当作发生在所述磁体的中心和所述的磁传感器系统之间的旋转平面内的位置的移位。

14.根据权利要求13所述的系统，包括感测方向沿径向定向的磁传感器，其中所述感测方向沿着在所述磁体平面内定向的磁力线投射。

15.根据权利要求14所述的系统，其中产生所述感测方向的投射和振荡，并且在这样的旋转平面内定向的所述磁场值取决于所述偏移程度。

16.根据权利要求15所述的系统，其中对于在所述径向定向的磁传感器所述传感器的峰峰值(对于感测方向2)取决于偏移程度并且在耦合体旋转时生成振荡信号图案，并且产生围绕零信号的信号振荡。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述磁场的峰峰值获得如下：

B_tt2＝K_sS

其中S是所述偏移的值，k_s是对于所述偏移的校准系数。

18.根据权利要求17所述的系统，其中在所述耦合体旋转时获得正弦信号如下：

$V_2=\left(\frac{V_{\mathrm{tt}2}}{2}\right)\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\α}}_2)+V_{\mathrm{off}2}$

具有对应的输出信号的峰峰值V_tt2，相对相位角α₂以及恒定的偏移拟合参数V_off2。

19.根据权利要求18所述的系统，其中对于所述偏移的峰峰值为：

V_tt2＝k₂S+V₂₀。

20.根据权利要求1-19任何之一所述的系统，其特征在于所述基准传感器包含加速度计。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述基准传感器当所述加速度计的所述感测方向直指向g向量时产生最大加速度计信号，并且当所述感测方向基本上逆平行于g向量时信号最低。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述加速度计的感测方向在耦合体中径向地定向。

23.根据权利要求21所述的系统，其中所述加速度计的感测方向在耦合体中横向地定向。

24.根据权利要求1-19任何之一所述的系统，其特征在于所述基准传感器包含光学换能器或者磁性换能器。

25.根据权利要求21所述的系统，其特征在于在所述基准传感器中的发送器被固定在一点，探测器布置在所述旋转轴上；或者两者相反。

26.根据前述权利要求的任何一项所述的系统，其中所述基准传感器被放置在任意位置，具有已知的与所述磁传感器系统相关的定向和位置。

27.根据权利要求21所述的系统，其特征在于所述基准传感器和所述磁传感器系统相关联地放置在其它电子设备所被放置的位置。

28.一种双轴正交磁传感器系统，包括用在根据权利要求1至27任何一项所述的系统中的传感器和磁体。

29.一种基准传感器，用在根据权利要求1至27任何一项所述的系统中。

30.一种通过如权利要求1所述的系统测量所述耦合体之间相对平行的距离变化的方法，其特征在于研究工作点的变化，所述工作点是由轴的旋转获得的场变化的平均值。

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