CN102272556A - 对准系统 - Google Patents

Abstract

一种磁性的孔定位器装置，包括包含GMR传感器工具的试验场检测器，且可以包括包含第一磁场检测器和第二磁场检测器(可以是GMR)的试验场检测器，所述第一磁场检测器和第二磁场检测器相对于孔定位位置被布置，所述检测器具有磁轴，所述磁轴中的每个被布置为横向于从孔定位位置至检测器的半径。该装置可以包括地磁补偿或环境磁场补偿。

Description

对准系统

本发明涉及对准系统，尤其但不排他地涉及定位在外壳(skin)或包层下方的支撑件中的孔以从支撑件的相对侧钻孔而便于将外壳铆接到支撑件的系统，这更特别地在航空器构造中。

对准目前通过磁力实现。其场与孔对准的磁体的一极被置于孔的下方以便产生试验场，所述试验场的场线延伸穿过孔，且必定穿过外壳，而场检测器被置于外壳上且被放置成使检测的场最大。

WO2004/016380和US6927560公开了一种装置，其中霍尔效应器件阵列感测外壳处的试验场，且对器件的输出进行分析以提供阵列相对于孔的位移的指示，使得可以移动阵列来使所指示的位移最小，借此使阵列与孔对准。

描述了三个到十六个霍尔效应器件的对称阵列，按照推测，更多器件将提供更高的准确度。

将装置在外壳表面上移动直至定位在下面的孔，然后如通过空吸将装置夹住，以用作钻孔导向器。

这样的装置被声称能够在具有10mm目标(也就是说，10mm直径的磁极)的深度达到22mm的孔内以±0.5mm的典型准确度来定位孔中心-在较大的深度处，准确度略微低。对于较大的深度，使用较强且因此较大的磁体。然而，由于没有考虑到由局部磁性材料造成的地磁场和异常现象，所以这些装置永远无法实现精确的对准。同样，因为对于不同深度的孔使用不同的磁体，所以总存在这样的可能性-“操作者将选择不正确的磁体，且这可能引起过失误差，该过失误差在钻孔之前不能被检测到”。

本发明提供了对准系统，包括能够具有实质上的较高准确度的孔定位器(hole finder)装置。

本发明大致地包括包含试验场发生器和传感器装置的对准系统，所述试验场发生器产生与环境磁场相比较小的磁试验场，所述传感器装置适于检测具有环境场补偿的磁试验场。

如本文所使用的短语‘磁试验场’包括纯磁场和电磁场两者。

试验场发生器可以包括磁体，而传感器装置则可包括GMR传感器工具。

GMR或巨磁阻传感器是使用当经受磁场时显著地改变其阻抗的磁性和非磁性材料的薄膜的器件。由于磁场造成其电阻变化的呈现磁阻的材料已被已知很多年，但其影响一直是非常小的，且在孔定位器装置中，霍尔效应器件是检测器的选择。然而，GMR器件可以用于制造更小、更灵敏、且因此更准确的对准设备。

包括在如本文所使用的术语巨磁阻内的是相同的一般性质的甚至更强大的器件，例如特大磁阻传感器或CMR。

在另一方面，本发明包括一种对准系统，其包括磁试验场发生器和磁试验场检测器，所述磁试验场检测器包括第一磁场检测器和第二磁场检测器，所述第一磁场检测器和所述第二磁场检测器具有每个被布置成通过对准位置的横向轴。

它们的横向轴可以是正交的。

所谓的‘横向轴’指横向于检测轴的轴-沿该轴，磁场被检测-使得与横向轴对准的磁场产生零信号。

传感器工具的这种装置指当系统对准时-在孔检测器中，当对准位置与孔位置一致时-它们每个产生零信号。来自其磁轴与被定位的孔对准的磁体的磁场产生遵循常见模式的场，其中场线形成从一极延伸至另一极的回路。传感器，其偏离孔轴，拦截远离孔轴弯曲基本上90度角的场线-如果孔是竖直的，它们被传感器拦截的场线是基本上水平的。

特别当传感器是GMR时，装置的灵敏度实质上优于现有技术的传感器装置。灵敏度即它们对比环境场小很多的场灵敏，特别是地磁场(在约0.3高斯至0.6高斯之间，取决于位置)，还有来自附近的磁性物品的杂散场。对于现有技术的霍尔效应器件传感器，使用大的磁试验场使得环境场的影响可忽略。对于GMR，另一方面可以使用与环境场相比较小的试验场，不存在环境场补偿。

虽然环境场补偿可以在试验场恒定时(如通过永磁铁)实现，优选的是使用由接通和切断的电磁体产生的变化的试验场。在测量期间，磁体可以不对称的传号空号比连续地切换。当磁体断电时，环境场将与最多一个传感器对准，通常与它们中的任一个都不对准，且因此将从传感器产生信号，该信号与传感器对准的环境场的分量成比例。当磁体通电时，其场将改变传感器的阻抗并更改来自每个传感器的信号，除非其横向轴与场线对准。当系统被对准时，磁体对来自任一个传感器的信号不起作用，且当不论磁体通电或断电时，都不存在信号差异时，系统被确认为已对准。如果系统开始时被粗略对准，仅需要微调其位置，直至对准被确认。在测量期间，可以连续地通电和断电磁体，使得地磁场补偿是连续的。

系统可以包括指示工具，其指示为达到对准其必须调整的方向。指示工具可以包括被布置在‘边界(compass)’点的灯。相邻的灯发光指在它们之间的方向调整位置，一个灯发光指在其方向调整位置。虽然“所有的灯不发光”时可确认对准，优选的是具有肯定的指示，当接近对准时，灯可以改变颜色，例如从红色到绿色，且当所有的灯发光时，最后的调整被确认。当实现这种颜色改变时，方向算法被反转-指示朝向不发光的灯运动。

装置还可以包括第三磁场检测器，其磁轴正交于第一检测器和第二检测器的磁轴。第三检测器的磁轴可以通过第一检测器和第二检测器的磁轴的垂线交点，除非系统用作钻孔导向器，此时，它可以偏置以允许钻进入。当第三检测器检测到与磁体对准的场时，它可用于粗略地确定孔的位置。然后调整装置的位置使得由第一检测器和第二检测器检测的场为零将精确地定位孔。来自该第三磁体的信号可以用于实现上述颜色改变和上述逆算法。

可以采用另外的战略来校正电子件中的热或其它的内部漂移。磁体极性可以被反转，且这可在测量期间连续地完成。电子件中的漂移将产生具有相反的极性的相反的偏移，其可被电子地消除。

GMR检测器和可再充电的电池电源可以被包装在约200×100×10mm的易于管理的箱中。试验场可以由电磁体提供，由于电磁体不必是大功率的，其可能仅需要用于容易携带且是可用的仪器的较小的电池电源。电磁体可连同电池和切换电路一起包括在小包装中。装置可以是本质上安全的，检测器装置被完全地密封在其箱中，而不需要外部电缆。

箱可以具有附接工具，其适于当箱的中心在孔上时将箱附接到外壳表面，且可以具有钻或标记导向口(drill or marker guide aperture)。附接工具可以包括空吸装置。

本发明还包括对准方法，该方法包括产生与环境磁场相比较小的磁试验场，以及感测具有环境场补偿的磁试验场。

在更具体的方面，本发明包括一种定位在外壳后的支撑件中的孔的方法，该方法包括产生试验磁场，所述试验磁场的场线沿着孔穿过且通过外壳，以及使用包括第一GMR检测器和第二GMR检测器的场检测器检测通过外壳的场。

本方法可以包括环境场补偿。这可以通过以下来实现：在无试验场下进行第一测量，以便仅测量到环境场，且然后在试验场叠加到环境场上后进行第二测量。

在定位过程期间，可以连续地接通和切断试验场，以便在测量期间连续地实现这种补偿。传号空号比可以是不对称的，以助于区分磁体通电的信号与磁体断电的信号。

本方法可以包括通过将装置的位置调整在假定的孔位置上直至从适于检测与孔对准的试验场的第三磁场检测器获得最大信号来粗略地定位孔的初始步骤。接着装置的位置可以被进一步微调，直至来自第一检测器和第二检测器的信号差异为零。地磁补偿步骤可以在初始步骤之前或之后。因此，这样的补偿可以通过在测量过程中接通和切断磁体而连续地实现。

本方法然后可包括将装置锁定在适当位置以允许其用作用于通过外壳钻孔的钻或标记导向器的另外的步骤。锁定可以通过吸盘装置来实现。当用作钻导向器时，第三检测器应偏置以允许钻进入。

根据本发明的对准方法和装置尤其有助于用于钻孔目的的孔的更快速且更准确地定位。特别在航空器构造中，其中，许多铆钉用于将外壳附接到机架，由于减小的功率需求和元件数目的减少，所以本装置比现有技术的装置实质上轻且小，且这有助于部署且减少孔的准确定位所需的时间，以及提高航空器元件的生产速率，且由于孔定位准确度的提高而能够优化设计。当可能在地面碰撞或由飞鸟撞击或冰雹造成的飞机损坏之后，必须更换损坏的外壳镶板时，定位准确度的提高对于在不正确对准时，通过不必过多增大机架孔孔径，延长了外壳必须附接到其上的机架的寿命。

现将参考附图，描述根据本发明的孔定位器方法和装置，其中：

图1是配置成孔定位器的一个装置的示意性平面图；以及

图2是图1的线II-II上的局部剖视图，示出需要铆接到钻孔的框架构件的外壳上的孔定位器。

图图示了对准系统11，其包括试验场发生器12(图2)和传感器装置13，所述试验场发生器12产生与环境磁场相比较小的磁试验场，所述传感器装置13适于检测具有环境场补偿的磁试验场。

对准系统11被配置成孔定位器，其适于定位在外壳16下方的框架构件15中的孔14，外壳16通过铆钉附接到框架构件15。需要穿过外壳16钻一个与孔14精确对准的孔。传感器装置13然后包括试验场检测器，该试验场检测器包括GMR传感器17。装置13被大致上部署在外壳16上的孔14的预计所在的位置上方。试验场由场发生器12产生，场发生器12被放置在孔14的底部，使得其场线L向上通过孔14和通过外壳16。

磁场线遵循形成回路L的常见模式，所述回路L从磁试验场发生器12的一极P1延伸至另一极P2。两个GMR传感器17a、17b，其偏离孔轴，拦截以基本上90度角远离孔轴弯曲的场线-如果孔14是竖直的，被传感器17a、17b拦截的场线是基本上水平的，或至少具有基本上水平的分量。

GMR或巨磁阻传感器17是使用当经受磁场时显著地改变其阻抗的磁性和非磁性材料的薄膜的器件。呈现磁阻的材料，由于磁场造成的电阻变化已被已知很多年，但其影响一直是非常小的，且霍尔效应器件成为在孔定位器装置的检测器的选择。然而，GMR器件可以用于制造比常规的霍尔效应孔传感器更小且更准确的定位器设备。

传感器17被布置在箱19的圆形阱18中，所述圆形阱18支撑控制和拦截来自传感器17的信号的电源和电子电路(未显示)。传感器17a、17b每个被布置成使它们的磁轴与阱18的中心半径成直角，且所述传感器相互成直角，使得当场线沿半径指向时，沿磁轴没有磁场，且GMR器件显示零读数。当然，GMR是定向的。四个发光二极管或类似指示器21被布置在箱20上的方位基点处，且当存在沿相对应的GMR的轴的场时，指示器21发光。如果一个指示器21发光，箱18在发光的指示器的方向上的运动使其更接近零场位置。如果两个指示器21发光，箱首先在一个方向然后在另一个方向的运动将其带到没有被任一个GMR检测到场的位置，指示装置在孔14的中心上方。然而，并不是所有的灯不发光指示已对准，而是当检测到接近对准时，光被布置成改变颜色，例如从红色变到绿色，且使它们的有效性反转，指示装置朝向未发光的灯移动。四个绿灯然后指示精确的对准。

这是在无环境磁场下将发生的情况。然而，GMR 13可检测比常规的霍尔效应传感器可检测的场弱很多的场，使得地磁场可具有重要性。

然而，装置可以通过在无试验场时的初始测量来补偿局部地磁场。这可以通过在无试验场时‘摆动’装置11来简单地实现，以使由第一和第二检测器测量的场没有差异。一旦装置11被正确地对准，则通过应用磁体来引入试验场，从而完成孔检测程序。这意味着装置不受产生的地磁场(例如通过附近的磁材料产生)的任何异常现象的影响。因此，通过初始测量，当试验场被引入时，补偿偏差可通过软件自动应用到测量，使得装置11可以在相对于地磁场的任何对准位置中使用。

在所图示的装置中，这通过场发生器12来实现，所述场发生器12为电磁体，其周期地通电和断电，使得GMRs交替地感测环境场和环境场与所施加的场的合成场，通过软件可将环境场从合成场中消除。通过电磁体的不对称的传号/空号比易于区分这两种场。

装置的功率需求基本上小于基于常规的霍尔效应传感器的装置所需要的功率，且检测器13、19与可再充电的电池电源21被包装在约200×100×10mm的易管理的箱20中。

所述箱可以具有吸盘形式的附接工具(未示出)，其适于当箱在孔上被定心时将箱附接到外壳表面，且所述箱具有钻孔或标记导向口22。

装置还包括第三磁场检测器23，其磁轴24正交于第一检测器和第二检测器的磁轴-这些轴可被标记为x轴和y轴，轴24将是z轴。场检测器23可以是霍尔效应器件，其从钻孔导孔22偏置以允许钻进入。当第三检测器23检测到强于由GMR传感器17检测的场的最大场时，第三检测器23可用于粗略地定位孔14。然后基于来自GMR检测器的信号来调整装置11的位置将精确地定位孔14。来自第三检测器23的信号用于实现上述led21的颜色变化和有效性的反转。

试验场发生器12包括箱12a和突出的极P1，箱12a具有内螺旋管和用于产生传号/空号特征的控制电路，突出的极P1固定到框架构件中的孔14-这可以为推入配合，使得不需要其它的支撑件。在另一个装置中，单个的控制盒可以具有带极片的多个螺线管，使得多个孔14可被同时供电，且传感器装置13被部署以定位多个孔，而不必重新定位孔之间的试验场发生器。

Claims (33)

1.一种对准系统，包括试验场发生器和传感器装置，所述试验场发生器产生与环境磁场相比较小的磁试验场，所述传感器装置适于检测具有环境场补偿的所述磁试验场。

2.根据权利要求1所述的对准系统，包括试验场检测器，所述试验场检测器包括GMR传感器工具。

3.一种磁性的孔定位器装置，包括试验场检测器，所述试验场检测器包括相对于孔定位位置布置的第一磁场检测器和第二磁场检测器，所述检测器具有磁轴，所述磁轴中的每个被布置成横向于从所述孔定位位置至所述检测器的半径。

4.根据权利要求2所述的装置，其中当所述检测器以所述孔位置为‘中心’时，它们感测到零场。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的装置，其中所述检测器是GMR。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，包括第三磁场检测器，所述第三磁场检测器的磁轴正交于所述第一检测器和所述第二检测器的磁轴。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第三检测器的磁轴与所述第一检测器和所述第二检测器的磁轴的垂线交点偏离。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的装置，适于通过在无所述试验场时的初始测量来补偿局部地磁场。

9.根据权利要求8所述的装置，其中通过在无所述试验场时将所述装置‘摆动’以使由所述第一检测器和所述第二检测器测量的场为零差异来实现地磁补偿。

10.根据权利要求8所述的装置，其中当所述试验场被引入时，补偿偏差可自动应用到测量，使得所述装置能够在相对于所述地磁场对准的任何位置中使用。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中所述试验场由永磁体提供。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中所述试验场由电磁体提供。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述电磁体被周期地通电和断电，且来自所述检测器的通电信号和断电信号被扣除以补偿环境磁场。

14.根据权利要求13所述的装置，其中通电/断电周期的传号/空号比是不对称的，由此可区分通电场和断电场。

15.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，被包含在箱中，所述箱具有附接工具，所述附接工具适于将所述箱附接到外壳，当所述外壳的中心在所述外壳后面的构件中的孔上时，将所述外壳钻孔。

16.根据权利要求14所述的装置，其中所述附接工具包括空吸装置。

17.根据权利要求13或权利要求14所述的装置，其中所述箱具有钻孔或标记导向口。

18.根据权利要求1至15中任一项所述的装置，包括视觉显示器，所述视觉显示器指示由所述检测器检测的场。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述视觉显示器包括在所述设备的方位基点处的指示器。

20.一种定位在外壳后面的支撑件中的孔的方法，包括：

产生试验磁场，所述试验磁场的场线沿所述孔穿过且通过所述外壳，以及

使用包括GMR检测器的场检测器检测通过所述外壳的所述场。

21.根据权利要求20所述的方法，其中两个GMR检测器被布置成使它们的磁轴成直角。

22.根据权利要求21所述的方法，其中当所述两个GMR检测器给出零信号时，所述孔被定位，所述零信号指示磁场线与它们的磁轴成直角。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，包括地磁补偿或环境场补偿的步骤。

24.根据权利要求23所述的方法，其中通过在无试验场时进行第一测量来实现所述地磁补偿。

25.根据权利要求24所述的方法，其中旋转所述装置直至来自所述第一检测器和所述第二检测器的信号差异为零，且当施加所述试验场时，维持该对准。

26.根据权利要求23所述的方法，其中，在所述装置随机对准时，来自所述第一检测器和所述第二检测器的信号的由地磁场所产生的信号被从当所述试验场被施加时所测量到的信号中扣除。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，其中所述试验场被周期性地通电和断电。

28.根据权利要求27所述的方法，其中通电/断电周期的传号/空号比是不对称的。

29.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，包括通过将所述装置的位置调整在假定的孔位置上直至从磁场检测器获得最大信号来粗略地定位所述孔的初始步骤，所述磁场检测器被对准以检测与所述孔对准的所述试验场。

30.根据权利要求20至29中任一项所述的方法，包括将所述装置锁定在适当位置以允许所述装置用作钻孔通过所述外壳的钻孔或标记导向器的另外的步骤。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述锁定通过吸盘装置来实现。

32.根据权利要求20至31中任一项所述的方法，其中定心通过视觉显示装置来确认。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述视觉显示装置指示所述装置被调整的方向以实现定心。

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