CN101680802A - 一种用于监控遭受的振动的系统 - Google Patents

Abstract

一种描述在GB 2413189中的便携式仪器，其保持在一只手的手指之间并测量工人累积遭受的振动。然而，这个仪器将不会舒适地适合所有工人的手。还存在在换班开始时管理不同的仪器对相应的工人的分配、在换班结束时记录测量结果以及确保仪器充分充电的管理问题。通过使用坞站(14)在使用之前和之后接纳仪器、接收由单元记录或存储在单元里的信息、为电池充电并接收有关要求使用单元的工人的身份信息来解决这个问题。当工人把仪器还给坞站时，处理机构收集关于工人的身份和仪器的电池的充电状态的信息。处理机构还通知工人即将采取哪个仪器开始工作并且记录哪个工人有或已经有哪个仪器。

Description

一种用于监控遭受的振动的系统

本发明涉及一种用于监控人员在使用振动设备时遭受的振动的系统。

已知遭受过多振动引起被称为“白手指”的健康问题，其引起麻木和疼痛，并且出于这个原因，欧洲指示明确了认为安全的最大接触水平。

在我们的专利说明书GB 2413189中描述的电池供电的仪器(batterypowered instrument)保持在一只手的手指之间，并测量使用者从使用者握持的仪器累积遭受的振动。在这个说明书中，用于测量累积振动接触的仪器将被称为“剂量计”。GB 2413189中描述的剂量计便于使用、精确而且可靠。然而，存在一些问题。首先，已经发现出于舒适的原因，使剂量计适当地适合使用者的手是重要的。该适合需要是充分合适的，使得单一大小的剂量计不能满足现场所有工人的使用。其次，在现场有许多工人需要使用振动设备，就存在管理问题，该管理问题存在于下列事项中：在工作换班之前给每个工人分配正确大小的剂量计，并且其已知是完全充电的，在换班结束时收集剂量计，将那个剂量计上的数据传送到与工人的身份相关联的计算机上，并且然后对剂量计再充电。

本发明部分地在于认识以上问题，且部分地在于提供解决方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于监控振动设备的使用者遭受的振动的系统，其包括：

a)电池供电的便携式单元，其设计为安装在使用者的手上并记录有关使用者遭受的振动的信息；

b)坞站(docking station)，其设计为在使用之前和使用之后接纳便携式单元、接收由单元记录或存储在单元里的信息、为电池充电并接收有关要求使用单元的工人的身份信息；以及

c)处理机构，其与坞站相关联，并布置和编程为(i)接收所述身份信息和有关电池的充电状态的信息，(ii)通知使用者即将采取哪个单元开始工作，以及(iii)记录哪个工人有或已经有哪个剂量计。

处理机构可位于坞站里或从坞站分离，但是在优选结构中，一些处理能力位于坞站的外壳里，其余的由通过有线或无线通讯链路连接到坞站的合适编程的通用计算机提供。

便携式剂量计优选为不同的大小和/或形状，以适合不同手的大小和形状。处理机构需要具有每个使用者的手的类型的记录，使得当使用者输入他的身份时能分配给使用者合适的剂量计。

处理机构应分配给使用者完全充电或几乎完全充电的剂量计是重要的。在一个布置中，系统被编程，使得只有完全充电的剂量计被自动提供，但是保持自从单元最后完全充电的使用时间的记录。有了这个信息，在没有可用的完全充电的剂量计时，手动人控功能允许管理者分配未完全充电但是已经充分充电以用于使用者的工作换班的剂量计。在可选的布置中，此人控功能可自动执行。

坞站优选地界定许多形状凹进或其他构造，每个能够接纳任何便携式剂量计并将其保持在某一位置，使得剂量计上的触点连接坞站上的相应触点。

除了三轴加速计之外，每个便携式剂量计优选地具有用于存储累积遭受的振动的记录的设施，并优选地具有在已经达到容许接触极限时能够通知使用者的报警装置。在制造期间，这些部件位于外壳里，然后，使外壳充满可调整的混合物，仅留下某些导体的尖端暴露。这些导体尖端界定用于为电池充电的触点，且数据能够通过这些导体尖端在坞站传输。在可选的布置中，充电感应地执行，且数据无线传送。

虽然当考虑监控振动接触时引发本发明，但是应正视，相同的原理通常可更广泛地应用到监控使用者和它们的环境。这些实例是监控脉搏率、体温；空气或水的温度/压力；遭受的电磁辐射的特定频率、天然和合成化学制品或大气颗粒物。在一些环境中，可能需要监控两个或两个以上这种变量的函数的量。例如，振动剂量测量结果可有效地被温度测量结果加权，因为已知使用者对振动的敏感性依赖于温度。因此，本发明的第一方面还可表达为是一种监控系统，其包括：

a)电池供电的便携式单元，其设计为记录有关使用者的信息和/或在使用者的位置处进行测量；

b)坞站，其设计为在使用之前和之后接纳便携式单元、接收由单元记录的信息或存储在单元里的信息、为电池充电并接收有关要求使用单元的工人的身份信息；以及

c)处理机构，其与坞站相关联，并布置和编程为(i)接收所述身份信息和有关电池的充电状态的信息，(ii)通知使用者即将采取哪个单元开始工作，以及(iii)记录哪个使用者有或已经有哪个单元。

应注意，可装备便携式单元，以监控使用者的特性，例如他们的温度或心率，和/或它们的环境的温度和遭受的电磁辐射的特定频率、天然和合成化学制品、大气颗粒物等。

本发明的第二方面涉及手持式传感器，具体地但非排他性地，以用于感测手-臂振动接触。

当前没有可用的便宜并易于使用的个性化装置来定期测量手-臂振动。至今之前提到的EU立法要求在逐渐增加的基础上监控这种振动，从2005年7月6日直到五年后完全实现。

新的指示承认振动对人类健康可能的损害结果，并制定避免“白手指”的振动接触的最大剂量。白手指是起于连续使用振动工具的麻木或疼痛的医学状态。在极端的情况下，白手指能够导致失去一个或更多个手指。新的指示制定了使用者允许遭受的累积振动剂量的细致的说明书。超过这个指定的剂量，则那天的工作必须结束。指示并未建议如何测量这个接触。技术上来讲，可用现在市场上存在的高质量的昂贵硬件进行振动测量。这个硬件将已经用于标准的定义中涉及的研究工作中。

EP 1586875中公开的装置由致力于提供一种轻便、不突出、舒适且即使当戴着工作手套时也易于使用、充分便宜以发给每个工人、准确计算振动剂量并在已经达到剂量极限时提供清楚指示的振动剂量计产生。

该装置以袖扣形状形成，其具有配合在任何一对手指之间的柄部分，并具有位于手的下面并接触使用者抓握的机器的把手的基座。

图6示出当用在抓到把手上的使用者的手上时EP 1586875的装置的截面。该装置具有主体1A、柄1B和底座1C。在装置的试验期间，发现虽然当手保持打开时，主体1A放置成与指节齐平，但当握紧手时，邻近的手指的手掌侧上的皮肤趋向于在底座1C起作用，引起主体1A从中间指骨(根部指节和中间指节之间的指段)倾斜一定角度。这同时引起主体1A的接近边缘1D按压进入手指的顶部。

普遍地，在装置上要求操作员佩戴手套(未显示)，而这些趋向于在主体1A上向下推，施加由箭头M指示的转矩，这引起底座1C靠着机器的把手滑动和/或枢轴转动，且主体1A的后边缘1E在指节上向下推。这造成操作员的手上面和下面不舒适。还有这样的可能性，即这可能潜在地影响装置记录的测量结果的准确性。

本发明的这个第二方面提供了一种便携式感测单元，其设计为戴在使用者的手上；该单元具有：主体；柄，该柄在使用中位于使用者的手的两个手指之间；和基座，该基座连接到柄、在使用中接触引起振动的机器；其特征在于，柄和主体之间的角度从垂直方向偏移。

用另一种方式表达，本发明的第二方面提供了一种便携式单元，其设计为戴在使用者的手上；该单元具有：主体；柄，该柄在使用中位于使用者的手的两个手指之间；和基座，该基座连接到柄、在使用中接触引起振动的机器；其特征在于，柄和与主体相关联的接触平面之间的角度从垂直方向偏移。

通过利用本发明的第二方面，其在一个实施方式中可用来测量和/或记录使用者遭受的手-臂振动，主体趋向于放置成更均匀地靠着使用者的手，因此对手套的影响更不敏感。当考虑主体和柄，以及具体地与主体相关联的接触平面之间的角度时，应记住这个目的。接触平面是经过主体的点的平面，当在使用时其通常可能接触手。这个平面可能符合或一般平行于手的搁置主体的表面。

如果装置具有带有平坦侧的一般立方形主体，则接触平面将通常相应于立方体的接触手的面。如果主体具有更复杂或不规则的形状，例如楔形，具有少量或没有对称，界定许多曲线和/或隆起，则这可能不适用。在这种情况下，接触平面可与特定的面不符，但是可代替地在不用手套使用期间，经过可能合理地被认为接触手的点/表面。

类似地，考虑柄的延长的大体方向远离主体以及不需要仅在两者之间的连接部位成角度也很重要。

在本发明的第二方面的优选实施方式中，柄和主体之间的角度从垂直方向偏移θ，θ实质上约5°。这引起主体位于其相对于使用者的手的最齐平的位置。然而，在0°以上直到10°的角度中的任何变化被认为具有积极作用。10°以上的角度被认为是过补偿，导致相似的问题，但是在其他方向。

角度优选通过改变柄在与主体的连接点处的接触角度来实现。然而，也可通过改变主体的形状来实现，例如使用楔形形状或可能地通过使柄成形为曲线。

现在将参考附图、通过举例描述本发明的实施方式，其中：

图1是依照本发明构建的电池供电的便携式振动传感器(“剂量计”)的透视图，其中移除其顶盖以显示其内部部件，且其侧壁显示为部分地断开以显示电池；

图2示出了在使用中感测振动的图1的传感器；

图3是用于接纳类似图1的传感器的五个传感器的坞站的透视图；

图4是显示了电子处理功能和组成坞站的一部分的机构以及关联的通用目的计算机的示意图；

图5示出了涉及选择接下来激活哪个剂量计的逻辑；

图6是持有现有技术的振动剂量计的手的截面；

图7是结合本发明的剂量计的下面的透视图；

图8是图7的剂量计的侧视图；

图9是图8的剂量计的前视图；

图10是持有具有带角度的柄的振动剂量计的手的截面；

图11是持有具有更精确的带角度的柄的振动剂量计的手的截面；

图12是校准器系统的示意图；

图13是类似图1的适合于记录手臂振动的无线独立式传感器(wirelessfree-standing sensor)的透视图；

图14是适合于在校准期间将传感器保持在两个可能方位的壳体；

图15和图16是在两个可能方位安装在壳体里的传感器的透视图；

图17示出了用于产生振动记录的处理步骤；

图18示出了校准期间的处理步骤；以及

图19显示了使用者和剂量计之间的关系。

示出的系统包括许多便携式单元，其中一个在图1中显示，且在图2中显示了使用状态。这些单元中的每一个由中空塑料模制件形成，该中空塑料模制件界定了底座1，该底座1设计成当振动机器的把手2被使用者如图2所示抓紧时，靠着振动机器的把手2搁置。振动从底座1沿着通过使用者的手指之间的柄3传递到如图1中看到的中空的主室4。主室包含携带导体7的电路板5。在组装电路板5后，将板插入到室4里，并安装导体7突出通过的罩(未显示)，使室充满可调整的树脂(settable resin)，使得只有这些导体的尖端露出来，因此形成用于充电和与稍后将要描述的坞站通信的触点。使用许多不同大小和形状的模型，使得不同的单元将舒适地适合不同使用者的手。不同大小的识别特征是柄3的长度。

除了触点7之外，电路板5携带三轴加速计8、处理器9、报警灯10、非永久性存储模块11、电池12和计时器13。还包括但未显示的只读存储器，其包含模块的唯一标识号，这里我们将提到为#i1、#i2等等。

现在参考图3，显示了坞站14，坞站14的外壳界定五个同样的隔间或凹进，该五个同样的隔间或凹进被配置成使得每个隔间将接纳任何便携式剂量计。在这些隔间的内表面上形成设置成电连接便携式剂量计单元的触点7的电触点(未显示)。

在每个隔间旁边是一组三个灯15。三个灯中的第一个灯指示入坞单元(docked unit)的充电状态。它在充电时闪，而在完全充电时持续亮。第二个灯指示正在发生数据传送。它在下载数据时闪，而在下载完成时持续照亮。第三个灯照亮以指示错误。

在坞站的顶表面界定了键盘16和VDU 17。在坞站的外壳里是编程的中央处理单元18和电池充电器19。处理器18经由标准电讯链路20连接到通用计算机21，通用计算机21具有使用者接口22，其包括VDU和键盘，供管理员使用。

CPU 18和计算机21被编程，使得它们构成执行将在稍后描述的功能的处理机构。此外，计算机21包含表1和表2(图19)中陈述的数据。表1识别(通过PIN)当前拥有剂量计的四个使用者中的每人和分配给他们用于当前工作换班的剂量计的标识号。表2是使用者首选的柄长度的记录。虽然为了说明的目的，表2只指示四个使用者，但应理解，在实际情况下很可能更多。

充电器19被设计成为每个入坞剂量计充电，直到其达到完全充电，此后只有涓流充电电流应用到剂量计。剂量计的处理器9检测并辨别充电电流在界定的“涓流”水平之上或之下。从这个能够确定电池是否完全充电，并能够经由CPU 18到计算机21获得这个信息。当检测到涓流充电时，处理器重新设置计时器13。

系统的操作如下。假设具有ID 1342的使用者要求使用剂量计。他使用键盘16输入他的PIN号1342。这引起CPU 18发送给计算机21：a)使用者ID 1342；b)坞站里的每个剂量计的标识号的指示；c)对于每个剂量计，其是否完全充电的指示；以及d)对于每个未完全充电的剂量计，自从其最后完全充电的使用时间的指示。

因此，计算机21能够识别可用并完全充电的剂量计。根据图5的逻辑，从这些逻辑，其从表2随机选择已知适合使用者的一个剂量计。信息显示在图3的VDU显示器17上，显示了使用者的名字和已经分配了哪个剂量计。如果坞站没有完全充电和适合使用者的剂量计，则信息经由使用者接口22显示给管理员。然后管理员能够选择适合使用者以及虽然未完全充电但自从其最后完全充电只使用了短时间的可用剂量计。

选定的剂量计的标识号发送回CPU 18，这引起邻近选定剂量计的所有三个灯闪。使用者然后移走选定的剂量计。从坞站移走剂量计引起计时器13开启，以及剂量计的灯开始每四秒闪一次以指示其被激活。移走剂量计被通知给计算机21来更新表1。

如果移走错误的剂量计，则其进入长期储存的最小能量模式。坞站上的灯持续闪。当处于最小能量模式的剂量计归还坞站时，该剂量计以正常方式被接纳。

在使用剂量计期间，它的处理器9取样并且过滤三轴加速计8以许多千赫的频率间隔的输出。这个数据依照ISO 8041:2005处理，以产生存储在模块11里的逐秒的全部RMS加速度和运行累积剂量值。在正常使用中，LDE灯10闪烁四秒周期，以指示其是活动的并起作用的。当剂量计的处理器9检测到已经达到振动的日常容许的一半时，引起灯10照亮为每秒闪一次。如果达到全部最大日常容许或当达到全部最大日常容许时，这个灯10以每秒四次的更高的速度闪烁，并要求工人停止当天的工作。

有使用剂量计灯的另一种模式，由此在一秒的周期期间，在已经发生任何超负荷时，其将迅速三倍闪烁。该一秒周期是连续的并相应于在逐秒的基础上产生RMS加速度值和剂量值的一秒处理周期。记录这个信息，并当剂量计在使用后入坞时，这个信息是下载到坞站的信息的一部分。

在使用后，工人把剂量计返回给坞站的任何自由端口，并且这被CPU18检测，该CPU 18作为响应，引起剂量计的处理器9冻结计时器13的内容并停止LED灯的四秒周期的闪烁循环。其还读取存储器11的内容和剂量计的识别号，以及计时器13的内容，并把这个信息传递给计算机21，计算机21因此更新表1。计算机记录使用者的身份、他使用剂量计期间的时间周期和他在那个周期期间遭受的振动。振动信息的记录存储在与相应使用者相关联的数据库中。于是监管当局可获得这个信息，作为前面提到的指示已经遵照的根据。逐秒的RMS加速度值还能用作机器状况监控的手段，因为从数据任何恶劣振动的机器将是非常明显的。为了这个目的，计算机被编程，以比较振动信息的每个记录的特性与限定已知对适当作用的机器正常的特性的存储的参考数据。

在剂量计返回给坞站之后，其中的电池12立即开始充电，并且当处理器9检测到充电电流已经减小到涓流时，指示电池完全充电，处理器引起计时器13设置为零。

现在将参考图6到图11描述本发明的第二方面，其中：

首先参考图2-4，显示了具有袖扣形状的外壳的便携式振动传感器，其界定被柄2B连接在一起的主体2A和底座2C。主体2A的下侧面界定相应于使用者的手指的曲线的两个浅谷(shallow valley)2D。

柄2B在沿主体的两个谷2D之间的长度的大约中间并实质上到一侧的位置连接到主体2A的下面。柄2B一般以从平面Y-Y的85°(相应于从垂直方向的5°)的角度延伸远离主体，该平面Y-Y与不构成谷2D的平坦表面一致。

测量和记录手-臂振动的装置容纳在主体2A里，其包括：保持数字处理器的电路板；三轴加速计；过滤、数字化、存储和处理信号以给出振动剂量的累积测量的装置；数据存储器；时钟和用于当已经达到某个累积剂量时警告操作员的LED指示器。LED还用于指示装置何时活动以及何时被特别强的振动过载。主体2A还容纳用作通信通道和用于电池充电的许多触针2E。这些针2E从主体2A的顶部突出，以便能够接触坞站。主体2A里的剩余空间充满聚氨基甲酸酯树脂，以帮助使振动从操作机器传递到加速计。柄2B和底座2C由单件固体合成塑料材料形成。该件还界定了主体2A的下半部分。主体2A的上半部分由第二模制件形成，其与第一件相配合形成主体2A。剂量计的工作的进一步描述被认为超出本应用的范围。

在使用中，操作员如图10所示佩戴剂量计2，其中柄2B位于手3的两个手指之间，使得谷2D相应于邻近手指的根部指节3A和中间指节3B之间(中间指骨)的顶部。依赖于柄2B的长度，主体2A可直接位于手指的顶部或稍微在上面，如图10所示。在这个实施方式中，因为主体2A的下面一般是平的，所以接触平面一般相应于主体2A的下表面(忽视谷)。因为柄2B从接触平面有从垂直方向5°的角度，所以主体2A的底表面，特别是距离柄2B最远的点一般设置成与手齐平。有了这个布置，将最小化主体2A被按压到手里和被手套旋转的任何趋势，并且底座2C将保持完全接触机器把手4。

本发明的可选实施方式在图11中示出，其中，主体5A具有不规则形状。柄5B以90°的角度连接到主体的一部分。然而，柄5B和主体5A的接触平面(X-X)之间的角度大约是80°；也就是从垂直方向10°，所以装置将仍然齐平位于操作员的手上。

在任一实施方式中示出的柄和接触平面之间的角度可在0°＜θ≤10°的范围里变化。

本发明的第三方面涉及一种用于校准加速计的方法和装置，加速计例如用在振动传感器里的那些。

振动传感器普遍用作评定机器的操作员所遭受的振动剂量的装置。作为EU立法的结果，近年来已增加了获取准确读数的重要性，EU立法设置指导极限，以保护工人以免其受到遭受过多振动的有害作用，例如“白手指”。

典型的振动传感器包括三个加速计，该三个加速计产生与它们经受的加速度成比例的电压输出。加速计记录空间的全部三个轴的加速度，并使用这些输出，从而可能计算振动的频率和振幅，并因此计算剂量。

有必要在制造时并在传感器的使用期间周期地校准，以便确保它们给出准确的读数。这已经通过把传感器安装在电动振子上而普遍执行，该电动振子产生具有已知振幅和沿单轴的单个已知频率的正弦振动。

使用这个方法可能产生的频率依赖于振子的大小。较低的频率需要较大的位移，而较大的位移需要较大的振子。使用这个方法再创造非常低的频率，例如12Hz的装置需要相当大的装置，这对于许多应用来说使它们的使用不可行。因此，这种类型的最便携的装置以相对较高的频率操作，通常在160Hz附近。此外，因为此装置只沿一个轴操作，因此有必要重新定向传感器并重复测试两次，使得能够校准与三个轴中的每个轴相关联的加速计。

可选的校准方法使用测量固定传感器的输出的技术，由于重力(1g)这应等同于加速度。于是，倒转传感器并再次测量输出。第二测量结果应等同于相等且相反的加速度，也就是-1g。于是，能够根据在这两个静态位置给出的输出校准传感器。

以上提到的方法在振动的单个频率或固定状态校准传感器。然而，已知当在广泛的频率上考虑时，传感器的输出是变化的，这带来了问题，即如果校准频率和操作频率完全不同，则校准可能不能确保传感器在操作频率产生准确的读数。此外，固定方法将只对频率响应向下延伸到零的传感器起作用。

因此，期望能够在任何频率或使用者选定的频率范围校准传感器的校准器，这在当前使用以上描述的方法是不可能的。

本发明的第三方面提供了一种以特定频率校准加速计的方法，其中加速计以那个频率绕轴旋转，使得地心引力在相反的方向上交替地应用到加速计。

本发明的第三方面允许以任何频率或贯穿频率范围校准振动传感器。其特别适合于在没有连接线的情况下操作的振动传感器的校准，该连接线否则将在旋转时变得缠结。

在优选实施方式中，旋转例如加速计的旋转，经历按正弦曲线变化的加速度。优选地，旋转角度是360°，并连续旋转，例如以具有相应于特定频率的实质上恒定的角速度。

在优选实施方式中，该方法使用频率控制机构，以在加速计旋转的同时控制旋转的频率，并且在需要时改变旋转的频率。

可包括校准机构，以通过与特定频率的期望值比较来校准来自加速计的输出值，并确定应用到输出值的标量，使得输出值和期望值匹配。

在校准之前和之后，传感器可放在坞站里，以把比例缩放信息(scalinginformation)传达到传感器和/或接收来自传感器的校准数据。

本发明的第三方面还可根据装置来进行描述，所以提供了一种用于以特定频率校准加速计的校准器，其包括以该频率绕轴旋转加速计的装置，使得地心引力在相反方向上交替地应用到加速计。

优选地，旋转加速计，使得加速计经历按正弦曲线变化的加速度。这可通过连续旋转通过360°的角度来达到，使得其具有相应于特定频率的实质上恒定的角速度。

在优选实施方式中，校准器构成具有坞站的校准系统的一部分，坞站适合于接纳振动传感器；把比例缩放信息传达到传感器和/或接收来自传感器的校准数据。

优选实施方式还包括允许使用者选择用于校准的频率的装置。

包括以下装置对于校准系统可以是有利的：确定选定频率的期望输出值的装置；比较期望输出值与加速计的实际输出值的装置；以及确定将被应用到实际输出值的标量使得期望输出值和实际输出值等同的装置。

本发明的第三方面可用另外的方式表达为包括校准器和结合校准机构的坞站的校准系统。

以上系统的优选实施方式包括允许使用者选择用于校准的频率的装置和确定选定频率的期望输出值的装置。优选地，这使用校准器的海平面以上高度的使用者输入值来确定。

现在将参考图12到图16，通过举例来描述本发明的第三方面的实施方式。

在图12中显示了安装在平坦基座2上的校准器1。变速电动机3由托台(mount)4支撑在基座2上，托台4由两个金属块4A和橡胶阻尼器4B形成。电动机3借助于“L”型金属支架5支撑到托台4上，“L”型金属托架5经由尼龙螺钉固定到托台4上。

电动机3的输出轴连接到一连串的齿轮6，直到传动轴6A。

圆盘7安装在实质上水平的轴8上，实质上水平的轴8由轴承座9支撑在平台2上，使得圆盘在基座2上方绕轴8自由旋转。轴8经由防振联轴节10连接到齿轮6的输出轴，防振联轴节10还调节两个轴的任何不重合。

坞站15也安装在基座2上，坞站15具有成形为容纳传感器的坞15A，以及用于连接到示意性显示为15B的处理机构的触点15D。坞站15还包括使用者接口15C，该使用者接口15C使处理机构15B能够要求并接收来自使用者的有关校准的某些参数。处理机构15B具有到电动机3的有线连接16。有线连接16允许命令转子3以使用者经由接口15C指定的转每秒的旋转频率进行旋转。电动机3可以是结合速度控制器的步进电动机或结合旋转传感器和反馈机构的常规电动机，以确保其旋转速度与使用者命令的频率相同。

图13示出了适合于戴在机器操作员的手上的无线传感器16。外壳界定主体16A、设计为位于使用者的手指之间的柄16B和靠着被操作的机器的把手搁置的底座16C。触点16D从主体16A突出，适合于连接到坞站的触点15D，以允许与处理器机构15B通信。

在壳体的里面，传感器包括三轴加速计20、处理单元22和存储器23。这些的操作将在下面更详细地描述。

图14示出了由盘7支撑以用于在校准期间保持传感器的壳体11。壳体11界定凹进11A，凹进11A成形为使得传感器能够保持在两个方位的任一方位，这两者都是盘7和轴8的中心，如图3A和3B所示。在第一方位，柄16B设置成与轴8同轴，而在第二方位，柄16B设置成与轴8正交。挡门(retaining door)12枢轴转动地安装到壳体11上并能紧闭到闭合位置，以在旋转期间保持传感器16。门由固定到门12和壳体11的磁体13和14保持在闭合位置。

现在参考传感器16的内部机构，在正常使用期间，也就是当没被校准时，传感器的作用如图17示出的。来自加速计20的电压输出被模拟-数字转换器(ADC)21转换成数字信号，该数字信号由CPU 22处理，并且所得到的数据存储在存储器23里。这个数据能用来产生用来监控佩戴者累积遭受的振动的全部振动遭受值。

还示出了CPU 22的处理步骤。从ADC 21进来的信号经过根据合适的频率加权曲线过滤信号的过滤器30。于是过滤器30的输出经过应用源自存储在非永久性存储器32中的值的比例系数(scaling coefficient)的定标电路31。于是每秒所有换算值输出的均方由计算机构33来计算，并且这些值中的每个存储在存储器23里。

使用过滤/加权来解决某些频率的振动比其他频率的振动引起机械操作员更大损害的事实。发生在已知有害频率的范围附近或范围里的已检测的振动频率将比发生在进一步远离该范围的频率加权更多。在传感器测量手臂振动的情形下，已知最有害的振动发生在11.5Hz左右，因此在这个频率附近检测的振动将加权最严重。

比例系数应用到信号，作为补偿加速计20之间的敏感性差异的手段，以便确保传感器16的总体准确性。在传感器里每个加速计将有单独的比例系数。

坞站16还包括在图18中示出的校准机构40，其包括比较器41、比例校准器43和保持使用者指定的频率的每秒期望均方值的存储器42。使用重力自身的加速度的本地值来计算这个值，该本地值从使用者经由使用者接口15C的海平面以上高度的输入的数据来计算。当传感器不被校准时，校准机构40处于“关闭模式”。

当传感器16要被校准时，首先将其放在坞15A里，使得触点16D接触触点15D。这使处理机构15B能够识别传感器16的存在和来自使用者经由使用者接口15C的要求、校准将发生的频率和校准器的海平面以上高度。使用者通过使用者接口15C输入这个数据，且处理器15B针对存储在存储器42里的特定频率计算期望的均方传感器输出值。

然后校准器依次校准传感器的三个轴中的每个轴，这些轴被称为为X、Y和Z。首先将X轴的单位(1)比例系数和Y以及Z的零(0)下载到传感器的非永久性存储器32。经由使用者接口15C通知使用者，传感器的X轴即将校准，因此传感器16能够从坞站15移走并紧固在图15的壳体11中的第一方位，同时其X轴正交于轴8(也就是，旋转轴)。于是使用者经由使用者接口15C指示校准开始，接着处理器15D指示电动机3旋转，以便引起盘7以使用者的输入频率的速度(比如每秒11.5转)旋转。

盘7以恒定角频率(例如每秒12转)的旋转引起X轴加速计在加速计的每次转动期间承受在+1g和-1g之间按正弦曲线变化的加速峰值。由于校准器的位置处的重力，所以g是加速度。这是以相同频率和振幅操作的常规振子驱动校准器上经历的相同加速度。除了X轴加速计可经历恒定向心加速度之外，如果加速计没有位于旋转轴8上，但是将忽略任何这种恒定加速度。由于Y轴加速计也定位成正交于轴8，因此其也将遭受相同的按正弦曲线变化的加速度；然而，作为应用的零值比例系数的结果，将忽略这个加速计输出的所有值。

在传感器已经以恒定速度旋转时间序列30秒后，电动机停止旋转。使用者从保持器11移走传感器并将其返回坞15。坞站将1秒均方加速度值上载到存储器42，丢弃相应于电动机3的起转(run-up)和停转(run-down)周期的这些值。这可通过忽略第一和最后几秒的数据的价值来完成。接下来将Y轴的比例系数1和X以及Z轴的0下载到传感器的非永久性存储器32。经由使用者接口15C通知使用者，传感器的Y轴即将校准，因此能够从坞站15移走传感器16并紧固在图3A的壳体11里，同时其Y轴正交于旋转轴8。这个方位可与X轴校准的方位相同。然后使用者经由使用者接口15C指示校准开始，接着处理器15D指示电动机3旋转，以便引起盘7以使用者的输入频率的速度(比如每秒12转)旋转。

这个过程重复第三次以校准Z轴：传感器紧固在图3B示出的方位，使得Z轴正交于轴8；现在将重复前述段落里Y轴采取的动作用于Z轴。

在这个过程的最后，传感器再次入坞，且处理机构15B里的比较器41依次比较存储在44里的X、Y和Z加速计的均方值，并将这些值与保持在存储器42里的期望的均方值比较。将比较的值之间的差异发送到比例校准器43，比例校准器43订出获得相应于校准频率的1g峰值正弦曲线加速度的输出所需的新校准系数。将各自加速计的三个新系数上载到传感器的非永久性存储器32。

在可选实施方式中，坞站也可将新系数值传输到PC，PC存储之前的与包括首次系数值的传感器相关联的校准系数。于是PC能用来在从原始值偏离多于10％时发出信号，指示应替换传感器。

应理解，选定用来校准传感器的频率将依赖于期望传感器遭遇的最普通或最重要的频率。

在可选实施方式中，可调整校准器使得盘7在180°的两个阶段中的每个旋转。或在进一步实施方式中，在反方向旋转180°返回之前，旋转大约180°。

在更复杂的实施方式中，可调整校准器以便在贯穿使用者指定的范围的校准期间改变旋转的频率。在这样的实施方式中，传感器将记录1秒均方值，这个值然后可被下载到PC，并在指定的频率范围的始终相对于期望值的范围考虑。

已经描述了设计的可能变化形式，其包括：

a)在使用期间，感测的数据可从剂量计无线传输到坞站。

b)数据可从入坞剂量计无线传输到坞站而不是使用触点7。

c)剂量计，代替根据均方根加速度测量振动剂量，可在连续的时间周期，例如每秒测量峰值加速度；或峰值速度。

虽然描述的本发明的实例涉及手-臂振动传感器，但是应正视，本发明可同等地应用到设计为在使用者的手的手指间携带的任何传感器。可选的传感器可用来记录温度；遭受的气体、化学制品、微粒、噪声等。

Claims (36)

1.一种用于监控振动设备的使用者遭受的振动的系统，其包括：

a)电池供电的便携式单元，其设计为记录有关使用者遭受的振动的信息；

b)坞站，其设计为在使用之前和之后接纳所述便携式单元、接收由所述单元记录或存储在所述单元里的信息、为电池充电并接收有关要求使用单元的工人的身份信息；以及

c)处理机构，其与所述坞站相关联，并布置和编程为：

(i)接收所述身份信息和有关电池的充电状态的信息，

(ii)通知使用者即将采取哪个单元开始工作，以及

(iii)记录哪个工人有或已经有哪个剂量计。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述坞站和关联的处理机构包括用于得到由所述坞站保持的单元的充电状态的指示的装置；且所述处理机构保持授权使用所述便携式单元的使用者的身份信息；所述处理机构被编程，以通过执行依赖于使用者的身份和充电状态的信息的逻辑操作来执行步骤(ii)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述坞站和关联的处理机构包括用于比较由所述单元记录或存储在所述单元里的信息与存储的参考数据的装置，所述存储的参考数据定义对适当作用的振动设备已知正常的特性。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，用于得到充电状态的指示的所述装置包括：

a)用于感测单元完全充电的装置，以及

b)用于感测完全充电后，单元的使用时间的指示的装置。

5.根据任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，不同的便携式单元具有不同的大小和/或形状以用于适合不同的使用者，并且其中，所述处理机构保持定义哪个单元适合哪个使用者的合手信息，所述处理机构被编程，以通过执行依赖于使用者的身份和合手信息的逻辑操作来执行步骤

(ii)。

6.根据任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，每个便携式单元包括包含电路和可调整的灌注混合物的外壳，所述电路具有突出所述灌注混合物的表面的外面以界定触点的导电体，所述坞站具有定位为与所述便携式单元的触点配合的相应触点。

7.根据任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述便携式单元是手持的，以用于监控使用者遭受的手-臂振动。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述便携式单元适合于安装在使用者的手指之间。

9.一种坞站，其用在根据权利要求1构建的系统中，其特征在于，所述便携式单元设计为安装在一件振动设备上。

10.一种监控系统，其包括：

a)电池供电的便携式单元，其设计为记录有关使用者的信息和/或在使用者的位置处进行测量；

b)坞站，其设计为在使用之前和之后接纳所述便携式单元、接收由所述单元记录或存储在所述单元里的信息、为电池充电并接收有关要求使用单元的工人的身份信息；以及

c)处理机构，其与所述坞站相关联，并布置和编程为：

(i)接收所述身份信息和有关电池的充电状态的信息，

(ii)通知使用者即将采取哪个单元开始工作，以及

(iii)记录哪个工人有或已经有哪个单元。

11.一种便携式感测单元，其设计为戴在使用者的手上；所述单元具有：主体；柄，其在使用中位于使用者的手的两个手指之间；以及基座，其连接到所述柄，且当在使用时接触引起振动的机器；其特征在于，所述柄和所述主体之间的角度从垂直方向偏移。

12.根据权利要求11所述的便携式感测单元，其特征在于，其测量和/或记录使用者遭受的手-臂振动。

13.根据权利要求11所述的便携式单元，其特征在于，所述主体从垂直方向偏移0°＜θ≤10°范围里的角度θ。

14.根据权利要求11所述的便携式单元，其特征在于，θ实质上约5°。

15.根据权利要求11、12或13所述的便携式单元，其特征在于，所述柄实质上朝所述主体部分的一端连接，并且所述角度使得所述柄一般朝所述主体部分的大部分倾斜。

16.根据权利要求11到15中的任一权利要求所述的便携式单元，其包括电池、加速计和数字处理器。

17.根据权利要求11到16中的任一权利要求所述的便携式单元，其特征在于，所述主体部分的位于靠近使用者的手的表面成形为使得符合手的轮廓。

18.根据权利要求11到17中的任一权利要求所述的便携式单元，其特征在于，所述柄、所述基座和所述主体的一部分构成为单一的模制件。

19.一种便携式单元，其设计为戴在使用者的手上；所述单元具有：主体；柄，其在使用中位于使用者的手的两个手指之间；以及基座，其连接到所述柄，且当在使用时接触引起振动的机器；其特征在于，所述柄和与所述主体相关联的接触平面之间的角度从垂直方向偏移。

20.一种以特定频率校准加速计的方法，其中，所述加速计以所述频率绕轴旋转，使得地心引力在反方向上交替地应用到所述加速计。

21.根据权利要求20所述的校准加速计的方法，其中，所述加速计旋转成使得所述加速计经历按正弦曲线变化的加速度。

22.根据权利要求20或21所述的校准加速计的方法，其中，所述加速计绕360°的角度重复旋转。

23.根据权利要求20所述的校准加速计的方法，其中，所述加速计持续旋转，以便具有相应于特定频率的实质上恒定的角速度。

24.根据权利要求20到23中的任一项权利要求所述的校准加速计的方法，其中，频率控制机构用于改变旋转频率。

25.根据权利要求20到24中的任一项权利要求所述的校准传感器的方法，其中，校准机构通过与特定频率的期望值比较校准来自所述加速计的输出值，并且确定将被应用到输出值的标量，使得输出值和期望值匹配。

26.根据权利要求20到25中的任一项前述权利要求所述的校准振动传感器的方法，其中，在校准之前和之后，所述传感器进入坞站，以把比例缩放信息传达给所述传感器和/或接收来自所述传感器的输出值。

27.一种以特定频率校准加速计的校准器，其包括以所述频率绕轴旋转所述加速计以使地心引力在反方向上交替地应用到所述加速计的旋转装置。

28.根据权利要求27所述的校准器，其特征在于，所述旋转装置使所述加速计旋转通过360°。

29.根据权利要求27所述的校准器，其特征在于，所述旋转装置在相应于特定频率的实质上恒定的角速度持续旋转所述加速计。

30.根据权利要求27所述的校准器，其特征在于，所述旋转装置旋转所述加速计，使得所述加速计经历按正弦曲线变化的加速度。

31.根据权利要求27到30中的任一项权利要求所述的校准器，其中，所述旋转装置还包括电动机。

32.根据权利要求31所述的校准器，其包括削弱由与所述电动机和与旋转托台相关联的机构相关联的运动引起的不必要的振动的装置。

33.一种校准系统，其包括：根据权利要求27到32所述的校准器和一坞站，所述坞站适合于接纳振动传感器；把比例缩放信息传达给传感器和/或接收来自传感器的校准数据。

34.根据权利要求32所述的校准系统，其包括允许使用者选择校准频率的装置。

35.根据权利要求32或33所述的校准系统，其中，所述坞站包括：确定在选定频率的期望输出值的装置；比较期望输出值与所述加速计的实际输出值的装置；以及确定将被应用到实际输出值的标量的装置，使得期望输出值和实际输出值等同。

36.根据权利要求34所述的校准系统，其中，确定期望输出值的所述装置使用与所述校准器的海平面以上高度相等或相关的值。

Images