CN104390579B - 一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统及方法，所述系统包括检测电路安装平台、若干检测电路和模拟焊枪的永磁铁；所述若干检测电路结构相同，均包括并联在直流电源两端的电容C、第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2；其中，第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2上下重叠且以相反方向连接电源；所述若干检测电路安装于检测电路安装平台上，且排布成两排，两排检测电路错位排布，任一排上的非边缘的检测电路与另一排检测电路中两个相邻的检测电路构成一个等边三角形。本发明提出了霍尔传感器电路的三角形阵列排布方案，能够实时检测永磁体在模拟焊接区域的运动轨迹，并在软件界面中实时绘制轨迹曲线。

Description

一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统及方法

【技术领域】

本发明属于可视化焊接模拟仿真领域，涉及一种焊接空间位置检测系统及方法。

【背景技术】

随着国民经济高速发展，焊接作为现代工业的一项重要工种，在国民生产中扮演着越来越重要的角色。作为焊接生产的主要实施者，焊接技术人员的素质也需要不断的提高以适应复杂的焊接环境和多种多样焊接材料等因素的变化。焊接培训是专门培训和输送焊接技术人才的重要手段。焊接培训部门不仅担负着为企业及生产部门培训和输送焊接人才的重要任务，而且也是宣传、推广、传播焊接新技术、新工艺、新材料的重要枢纽，对促进机械工业基础工作的建设和发展有不可忽视的作用[1]。

目前焊工培训仍然采用传统的实际施焊为主的培训方法，材料和能源消耗大，培训费用高。而当今世界能源价格不断飞涨，带动了一系列后续工业原材料及产品价格上浮，这无疑会增加焊接培训成本。而大量的能源消耗也会间接给我们赖以生存的自然环境增加更重的负担。

采用虚拟手段与现实焊接技术相结合的可视化模拟仿真系统进行焊工培训，利用先进的计算机技术改造传统的焊接培训方式，能够极大的减小材料消耗，降低培训费用，是一种绿色、高效、环保的焊工培训方法，是时代发展的需要。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统及方法，通过永磁体产生磁场强度信号，磁传感器阵列采集磁场强度，输出电压信号，计算永磁体在空间坐标，实现焊接空间位置平面直线与圆柱面上环向位置检测，为可视化焊接模拟仿真系统提供技术支持。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，包括检测电路安装平台、若干检测电路和模拟焊枪的永磁铁；所述若干检测电路结构相同，均包括并联在直流电源两端的电容C、第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2；其中，第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2上下重叠且以相反方向连接电源；所述若干检测电路安装于检测电路安装平台上，且排布成两排，两排检测电路错位排布，任一排上的非边缘的检测电路与另一排检测电路中两个相邻的检测电路构成一个等边三角形。

优选的，第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2采用A1321线性霍尔传感器。

优选的，所述若干检测电路均连接采集卡，所述采集卡连接PC机。

优选的，所述等边三角形的边长为10mm至35mm。

优选的，所述检测电路安装平台为黄蜡板，检测电路安装平台上方还布置有玻璃平板作为永磁铁工作时的运行平面。

优选的，检测区域中永磁铁所在位置O距各组检测电路的距离根据各组检测电路输出的电压值由公式3计算得到：

$L=|\sqrt{\ln ((U-U_0)/A)/(-0.5)}*w+L_c|$ (公式3)

式中：U为检测电路中两个线性霍尔传感器差动输出电压；L为永磁体距检测电路投影点距离；U₀、A、L_c、w为拟合所得到的Guassian函数中的常量；

U＝U₀+A*exp(-0.5*((L-L_c)/w)²。

优选的，所述检测电路安装平台为平板或圆柱体。

一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测方法，包括：

永磁体产生磁场强度信号并在两排检测电路之间的检测区域滑动以模拟焊接，采集卡实时采集各检测电路输出的电压信号并传送给计算机；计算机根据公式3计算永磁体所在O_n点离各个检测电路的距离L；若O_n点距离第n个检测电路的距离L_n和O_n点距离第n+2个检测电路的距离L_n+2均小于R，则被检测永磁体处于第n、n+1和n+2个检测电路所组成的等边三角形中；O_n点距离第n+1个检测电路的距离L_n+1；L_n+1所对应检测电路与L_n和L_n+2所对应的两个检测电路处于不同排，L_n和L_n+2所对应的两个检测电路同排且相邻，L_n+1所对应检测电路位于L_n和L_n+2所对应的两个检测电路之间；

U＝U₀+A*exp(-0.5*((L-L_c)/w)² (公式2)

$L=|\sqrt{\ln ((U-U_0)/A)/(-0.5)}*w+L_c|$ (公式3)

式中：U为检测电路中两个线性霍尔传感器差动输出电压；L为永磁体距检测电路投影点距离；U₀、A、L_c、w为拟合所得到的Guassian函数中的常量；

如果检测电路安装平台为平板，当L_n所对应检测电路为上排检测电路时，O_n点的坐标由公式7、公式8、公式9计算可得；当L_n所对应检测电路为下排检测电路时，O_n点的坐标由公式10、公式11、公式12计算可得；

O_n(x)＝Q+R·(n+1)/2+n·L_n·cosα (公式7)

O_n(y)＝E-P-L_n·sinα (公式8)

$\cos \mathrm{\α}=\frac{A_n{A_{n+2}}^2+{L_n}^2-O_n{A_{n+2}}^2}{2\·A_n{A}_{n+2}\·L_n}$ (公式9)

式中：O_n(x)和O_n(y)为O_n点的横纵坐标，α为O_n点与上排检测电路的连线之间的夹角；Q代表边缘检测电路距离检测电路安装平台边缘的距离，R表示等边三角形的边长；E表示检测电路安装平台的宽度；P表示上排检测电路距离检测电路安装平台上边缘的距离；A_nA_n+2表示L_n和L_n+2所对应的两个检测电路之间的距离；O_nA_n+2表示O_n点和L_n+2所对应的检测电路之间的距离；

O_n(x)＝Q+R/2+R·n/2+n·L_n·cosα (公式10)

O_n(y)＝P+L_n·sinα (公式11)

$\cos \mathrm{\α}=\frac{B_n{B_{n+2}}^2+{L_n}^2-O_n{B_{n+2}}^2}{2\·B_n{B}_{n+2}\·L_n}$ (公式12)

式中：α为O_n点下排检测电路的连线之间的夹角；P表示下排检测电路距离检测电路安装平台下边缘的距离；B_nB_n+2表示L_n和L_n+2所对应的两个检测电路之间的距离；O_nB_n+2表示O_n点和L_n+2所对应的检测电路之间的距离；

如果检测电路安装平台为圆柱体，当L_n所对应检测电路为上排检测电路时，O_n点的圆柱坐标由公式13、公式14、公式15、公式16计算可得；当L_n所对应检测电路为下排检测电路时，O_n点的坐标由公式13、公式17、公式18、公式19计算可得；

O_n(ρ)＝R (公式13)

(公式14)

O_n(z)＝M-N-L_n·sinα (公式15)

$\cos \mathrm{\α}=\frac{A_n{A_{n+2}}^2+{L_n}^2-O_n{A_{n+2}}^2}{2\·A_n{A}_{n+2}\·L_n}$ (公式16)

式中：R为圆柱体半径，M为圆柱体高度，N为上排检测电路距离圆柱体上边缘的距离；α为O_n点与上排检测电路的连线之间的夹角；O_n(ρ)、O_n(φ)和O_n(z)分别表示圆柱坐标系中的半径、偏角和沿轴方向长度；

(公式17)

O_n(z)＝N+L_n·sinα (公式18)

$\cos \mathrm{\α}=\frac{B_n{B_{n+2}}^2+{L_n}^2-O_n{B_{n+2}}^2}{2\·B_n{B}_{n+2}\·L_n}$ (公式19)

式中：N为下排检测电路距离圆柱体下边缘的距离；α为O_n点与下排检测电路的连线之间的夹角。

优选的，采用三个纵向完全重合叠放的Φ8×10mm钕铁硼N35作为永磁体产生磁场强度信号。

优选的，平板上各检测电路之间的距离为30mm，圆柱面上各检测电路环向夹角为36°。

优选的，检测电路输出的电压信号采用PCI-9112数据采集卡的16单端输入通道输入到计算机中。

本发明采用3组Φ8×10mm的钕铁硼N35作为信号源产生磁场强度信号，然后采用两组A1321线性霍尔传感器组成差动输出电路，检测永磁体产生的磁场强度信号，输出电压信号。霍尔传感器检测磁场强度，然后输出电压信号的大小可以采用公式1来计算。

$V_H=\frac{R_H{I}_X{B}_Z}{T}$ (公式1)

式中：V_H为霍尔元件输出电压；T为霍尔元件厚度；B_Z为通过霍尔元件的磁通量；R_H为霍尔系数，根据材料的形状和大小而定；I_Z为半导体玻片中通过的工作电流。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明采用直径小于10mm钕铁硼N35作为信号源，产生磁场强度信号；以两组A1321线性霍尔传感器形成差动输出检测电路，检测永磁体产生的磁场强度，然后输出电压信号；通过数据采集卡PCI-9112将传感器输出的电压信号采集输入到PC主机中，进行分析处理；通过对传感器电路工作性能的测试，得到霍尔传感器输出电压U与距离永磁体距离L的关系曲线，并通过Guassian函数拟合，得到拟合函数；提出了霍尔传感器电路的三角形阵列排布方案；电压采集系统能够实时检测各组传感器电路输出的电压信号，并实时绘制电压变化曲线；位置检测系统能够实时检测永磁体在应硬件操作平台上的运动轨迹，并在软件界面中实时绘制轨迹曲线。

【附图说明】

图1为检测模块电路图；

图2为平面传感器电路检测方案图；

图3为平面传感器电路检测结果图；

图4为圆柱面上传感器电路检测方案图；

图5为圆柱面上传感器电路检测结果图；

图6为平面直线位置检测系统霍尔传感器阵列排布示意图；

图7为平面直线位置检测系统霍尔传感器电路安装示意图；

图8为平面直线位置检测传感器电路安装实物图；

图9为圆柱面上霍尔传感器模块检测示意图；

图10为霍尔传感器圆柱面范围检测结果；

图11为相同差动输出电压值在圆柱面上分布点位置；

图12为圆柱面环向霍尔传感器阵列排布示意图；

图13为圆柱面环向霍尔传感器电路安装示意图；

图14a至图14d为平面直线不同运动轨迹效果图；其中14a为直线运动轨迹效果图；14b为曲线运动轨迹效果图；14c为锯齿形运动轨迹效果图；14d为往复运动轨迹效果图；

图15a和图15b为圆柱面环向不同运动轨迹效果图；其中15a为Z坐标不变运动轨迹效果图；15b为Z坐标变化运动轨迹效果图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统及方法中最关键的技术有：一是设计能够实时高精度检测永磁体产生的磁场强度并稳定输出电压信号的检测电路；二是合理的传感器检测电路的阵列排布方案。通过不同的传感器电路排布方案，实现对不同焊接位置的空间位置(平面直线、圆柱面环向)检测。本发明中采用两组线性霍尔传感器组成差动输出电路，用来检测磁场强度，输出电压信号；将霍尔传感器检测电路在平面直线与圆柱面环向上按照三角形阵列排布，对焊接空间部位进行实施检测。

请参阅图1所示，本发明一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，包括若干检测电路；该检测电路包括并联在在5V直流电源两端的电容C(10μF)、第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2；其中，两个霍尔传感器上下重叠且以相反方向连接电源，以在第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2的两个输出端之间得到差动信号输出。

第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2采用A1321线性霍尔传感器；A1321线性霍尔传感器的工作原理是霍尔效应，它能够检测空间范围内磁场的变化并输出电压信号。

对设计完成的检测电路的工作范围检测分为两个方面：

(1)平面直线工作范围检测。

按照附图2所示的方案对其工作范围进行检测，在距离永磁体安装平面15mm的平面上，以传感器检测电路在该平面上的投影点为中心，由远及近逐渐移动永磁体，测量检测电路输出的电压值，并对检测结果所得到的U-L曲线采用Guassian函数进行拟合，如附图3所示。

(2)圆柱面环向范围检测

按照附图4所示的方案对其工作范围进行检测，将传感器电路放置在直径为60mm的圆柱面上，在直径为100mm的圆柱面上，以传感器检测电路在该面上的投影点为中心，由远及近逐渐移动永磁体，测量检测电路输出的电压值，并对检测结果所得到的U-L曲线采用Guassian函数进行拟合如附图5所示。

从附图3、附图5中拟合结果可知，在平面与圆柱面上的检测结果都能够采用Guassian函数较好的进行拟合，得到拟合函数，如公式2所示。

U＝U₀+A*exp(-0.5*((L-L_c)/w)² (公式2)

$L=|\sqrt{\ln ((U-U_0)/A)/(-0.5)}*w+L_c|$ (公式3)

式中：U为检测电路中两个线性霍尔传感器差动输出电压；L为永磁体距检测电路投影点距离；U₀、A、L_c、w为拟合所得到的Guassian函数中的常量。

三角形阵列排布方案：

检测电路所能检测到的空间范围近似为以检测电路中两个线性霍尔传感器之间的中心所在位置为球心的球体，球体的半径为线性霍尔传感器所能检测到的最大的范围。

(1)平面直线三角形阵列排布

由几何学原理可知，用平面与球体相交，所得到的相交面为圆面。因此对于平面直线的空间位置检测，在距传感器模块一定距离的平面上，霍尔传感器模块所能检测到的范围为是以传感器模块在该面上投影点为中心的圆。本发明基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统采用多组传感器电路按照三角形方式排列阵列排布方案，如附图6所示。

在图中所示的A、B、C三个位置各放置一组传感器检测电路，图中斜线区域为三组传感器电路共同确定的检测范围(在本发明中相应霍尔传感器及永磁体的情况下，检测电路的检测范围为10mm至35mm)。检测区域中任一点O距各组传感器电路的距离可以根据各组传感器电路输出的电压值由公式3计算得到。由此可得到O点(永磁体，即模拟焊钳)的坐标，通过公式4、公式5、公式6计算得到。

O(x)＝AO·cosα (公式4)

O(y)＝AO·sinα (公式5)

$\cos \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{AO}}^2-{\mathrm{BO}}^2}{2\·\mathrm{AB}\·\mathrm{AO}}$ (公式6)

在此基础上设计了平面直线位置检测系统的霍尔传感器阵列排布方案，其示意图如附图7所示，其中1、2、3、4、5……均为检测电路，r为检测电路所能检测到的最大有效范围。1、2、4；4、2、5；2、3、5……分别组成三角形，则处在这一系列三角形内部的任何一个位置都可以根据相应的三组检测电路检测并确定。

图8为平面直线位置检测系统的霍尔传感器电路安装示意图。为避免铁磁性材料对永磁铁(直径小于10mm钕铁硼N35作为信号源)产生干扰，采用250mm×150mm的黄蜡板作为传感器检测电路安装平台。在黄蜡板上下边缘62mm，水平方向上每隔30mm安装两排霍尔传感器检测电路；两排检测电路错位排布，任一排上的非边缘的检测电路与另一排检测电路中两个相邻的检测电路构成一个等边三角形。在距离检测电路所在平面15mm处的平面上安装一块尺寸为250mm×150mm的玻璃平板作为永磁铁工作时的运行平面。

图8中A₁、A₂、、、A₇、B₁、B₂、、、B₆为传感器检测电路在永磁体运动平面的竖直投影点(其中A₁代表第1检测电路，B₁代表第2检测电路，A₂代表第3检测电路，B₂代表第4检测电路，A₃代表第5检测电路，B₃代表第6检测电路……A₇代表第13检测电路)。在进行平面直线位置检测时，根据公式3得到各个正三角形区域中永磁体位置O₁、O₂、、、O₁₁距离各个传感器检测电路投影点的距离L₁、L₂、、、L₁₁。若O_n点距离第n个检测电路的距离L_n和O_n点距离第n+2个检测电路的距离L_n+2均小于R(正三角形边长)，则被检测永磁体处于第n、n+1和n+2个检测电路所组成的等边三角形中；

当L_n所对应检测电路为上排检测电路时，O_n点的坐标由公式7、公式8、公式9计算可得。当L_n所对应检测电路为下排检测电路时，O_n点的坐标由公式10、公式11、公式12计算可得。

O_n(x)＝Q+R·(n+1)/2+n·L_n·cosα (公式7)

O_n(y)＝E-P-L_n·sinα (公式8)

$\cos \mathrm{\α}=\frac{A_n{A_{n+2}}^2+{L_n}^2-O_n{A_{n+2}}^2}{2\·A_n{A}_{n+2}\·L_n}$ (公式9)

式中：O_n(x)和O_n(y)为O_n点的横纵坐标，α为O_n点与上排检测电路的连线之间的夹角；Q代表边缘检测电路距离检测电路安装平台边缘的距离，R表示等边三角形的边长；E表示检测电路安装平台的宽度；P表示上排检测电路距离检测电路安装平台上边缘的距离；A_nA_n+2表示L_n和L_n+2所对应的两个检测电路之间的距离；O_nA_n+2表示O_n点和L_n+2所对应的检测电路之间的距离。

O_n(x)＝Q+R/2+R·n/2+n·L_n·cosα (公式10)

O_n(y)＝P+L_n·sinα (公式11)

$\cos \mathrm{\α}=\frac{B_n{B_{n+2}}^2+{L_n}^2-O_n{B_{n+2}}^2}{2\·B_n{B}_{n+2}\·L_n}$ (公式12)

式中：α为O_n点下排检测电路的连线之间的夹角；P表示下排检测电路距离检测电路安装平台下边缘的距离；B_nB_n+2表示L_n和L_n+2所对应的两个检测电路之间的距离；O_nB_n+2表示O_n点和L_n+2所对应的检测电路之间的距离。

(2)圆柱面环向三角形阵列排布

由几何学知识可知，球体与圆柱面的相交面为一形状不规则的曲面。为了了解霍尔传感器检测电路在圆柱面位置上的检测范围，按照如附图9所示的方案进行了进一步的传感器检测电路性能测试，在距离霍尔传感器检测电路在圆柱面的投影点的轴向距离分别为0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm以及30mm，轴向在±45°之间，每隔5°分别测量一组数据，测试结果采用三维视图的方式呈现，如附图10所示。然后将传感器检测电路输出电压相同的永磁体位置在圆柱面上标记出来，如附图11所示。从图中可看出，若将圆柱面展开平铺在平面上，则圆柱面上差动输出电压值相同的位置近似可看作分布在半径一定的圆周的不同位置上，即传感器检测电路在圆柱面上的检测范围可近似看作以传感器检测电路在圆柱面上投影点为圆心，最大检测范围为半径的圆贴合在圆柱面上所形成的区域。

与平面直线位置检测系统的霍尔传感器阵列排布方式类似，圆柱面环向位置检测的霍尔传感器的空间位置也采用三角形阵列排布，其示意图如图12所示，其中1、2、3、4、5……为霍尔传感器检测电路，β为在笛卡尔坐标中传感器检测电路距离转换为圆柱坐标系中的角度。1、2、4；4、2、5；2、3、5……分别组成三角形，则处在这一系列三角形内部的任何一个位置都可以根据相应的三组传感器电路检测并确定。

附图13为圆柱面环向霍尔传感器阵列的安装示意图。为了避免铁磁性材料对产生磁场信号的永磁体产生影响，圆柱面环向传感器模块电路板阵列排布的安装平台采用Φ60mm×3mm×200mm的透明PVC硬塑管，采用Φ100mm×3mm×200mm的透明PVC硬塑管作为永磁体的运行平面。

图13中A₁、A₂、、、A₅、B₁、B₂、、、B₄为传感器电路板在永磁体运动的圆柱面上的垂直投影点。在进行空间环向直线位置检测时，根据公式3得到各个区域中永磁体位置O₁、O₂、、、O₇距离各个传感器投影点的距离L₁、L₂、、、L₇。若O_n点距离第n个检测电路的距离L_n和O_n点距离第n+2个检测电路的距离L_n+2均小于R，则被检测永磁体处于第n、n+1和n+2个检测电路所组成的等边三角形中；当L_n所对应检测电路为上排检测电路时，On点的圆柱坐标由公式13、公式14、公式15、公式16计算可得。当L_n所对应检测电路为下排检测电路时，O_n点的坐标由公式13、公式17、公式18、公式19计算可得。

O_n(ρ)＝R (公式13)

(公式14)

O_n(z)＝M-N-L_n·sinα (公式15)

$\cos \mathrm{\α}=\frac{A_n{A_{n+2}}^2+{L_n}^2-O_n{A_{n+2}}^2}{2\·A_n{A}_{n+2}\·L_n}$ (公式16)

式中：R为圆柱体半径，M为圆柱体高度，N为上排检测电路距离圆柱体上边缘的距离；α为O_n点与上排检测电路的连线之间的夹角；n为1、3、5、7；L_n为永磁体至传感器检测电路投影点的弧线距离。

(公式17)

O_n(z)＝N+L_n·sinα (公式18)

$\cos \mathrm{\α}=\frac{B_n{B_{n+2}}^2+{L_n}^2-O_n{B_{n+2}}^2}{2\·B_n{B}_{n+2}\·L_n}$ (公式19)

式中：N为下排检测电路距离圆柱体下边缘的距离；α为O_n点与下排检测电路的连线之间的夹角；n为2、4、6；L_n为永磁体至传感器电路投影点的弧线距离。

本发明中，检测电路中霍尔传感器输出的电压信号通过数据采集卡传输至PC主机。采用凌华公司生产的PCI-9112系列数据采集卡，通道3为模拟量输入通道。将各个霍尔传感器的输出端分别与PCI-9112采集卡的模拟量输入通道的各个引脚相连，并将数据采集卡插入PC主机中的PCI插槽，通过相应的程序控制即可实现从霍尔传感器阵列输出信号到计算机采集的功能。

PC机的采集界面上可实时显示各个通道输入进来的电压数值，并通过绘制电压数值大小的曲线，反映出电压变化的趋势。不同曲线的颜色对应不同通道采集的电压。

本发明检测方法中设有平面直线检测与圆柱面环向位置检测两种模式；

位置检测包括平面位置检测和空间环向位置检测两部分，传感器阵列排布分别为平面直线三角形阵列排布和圆柱面环向三角形阵列排布。两个阵列排布均是三角形阵列交替排布，并将其中的霍尔传感器检测电路分为奇数和偶数两类。

首先，系统用采集卡将各通道的电压读入计算机系统，并根据公式3计算得到检测点离各个传感器的距离Ln。若Ln和Ln+2(n取1，2，3，4，5，6)均小于30mm，则被检测永磁体处于第n、n+1和n+2个传感器检测电路所组成的三角形中，以Ln(检测点距离第n个检测电路的距离)和Ln+2(检测点距离n+2个检测电路的距离)作为有效距离，代入公式3、公式4、公式6计算得到待测点相对于Ln所对应霍尔传感器检测电路的距离。根据是平面直线三角形阵列还是圆柱面环向三角形阵列，Ln所对应霍尔传感器检测电路是上排还是下排，代入对应的公式，计算得到待测点在整个系统中的实际位置。

开始进行直线检测时，让永磁体在硬件操作平台上直线运动轨迹、曲线运动轨迹、锯齿形运动轨迹以及往复运动轨迹等不同运动轨，附图14a至图14d为永磁体运动软件系统中实时绘制出的运动轨迹。当永磁体做不同轨迹的运动时，系统能够较好的检测其运动轨迹，并实时绘制其运动轨迹，效果较好。

开始进行圆柱面环向检测时，当永磁体在圆柱面环向检测的硬件操作平台上沿圆柱面进行运动时，在系统的界面中会实时的绘制出一条相对应的弧线，以此来反映永磁体在空间圆柱面上的曲线运动。由于永磁体在圆柱面上运动时，ρ坐标不会发生变化，因此在绘制曲线的角度随着φ坐标进行变化，曲线的半径随着z坐标进行变化。当永磁体在圆柱面上进行只有φ坐标变化的运动时，能够绘制较为接近的圆弧轨迹，如附图15a所示。当z坐标发生变化时，显示的轨迹为半径变化的曲线，如附图15b所示。

Claims (8)

1.一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，其特征在于，包括检测电路安装平台、若干检测电路和模拟焊枪的永磁铁；

所述若干检测电路结构相同，均包括并联在直流电源两端的电容C、第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2；其中，第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2上下重叠且以相反方向连接电源；

所述若干检测电路安装于检测电路安装平台上，且排布成平行的两排，两排检测电路错位排布，任一排上的非边缘的检测电路与另一排检测电路中两个相邻的检测电路构成一个等边三角形。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，其特征在于，第一线性霍尔传感器H1和第二线性霍尔传感器H2采用A1321线性霍尔传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，其特征在于，所述若干检测电路均连接采集卡，所述采集卡连接PC机。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，其特征在于，所述等边三角形的边长为10mm至35mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，其特征在于，所述检测电路安装平台为黄蜡板，检测电路安装平台上方还布置有玻璃平板作为永磁铁工作时的运行平面。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，其特征在于，检测区域中永磁铁所在位置O距各组检测电路的距离根据各组检测电路输出的电压值由公式3计算得到：

式中：U为检测电路中两个线性霍尔传感器差动输出电压；U₀、A、L_c、w为拟合所得到的Guassian函数中的常量；U＝U₀+A*exp(-0.5*((L-L_c)/w)²。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，其特征在于，所述检测电路安装平台为平板或圆柱体。

8.一种基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的基于磁传感器阵列的焊接空间位置检测系统，包括：

永磁体产生磁场强度信号并在两排检测电路之间的检测区域滑动以模拟焊接，采集卡实时采集各检测电路输出的电压信号并传送给计算机；计算机根据公式3计算永磁体所在O_n点离各个检测电路的距离L；若O_n点距离第n个检测电路的距离L_n和O_n点距离第n+2个检测电路的距离L_n+2均小于R，则被检测永磁体处于第n、n+1和n+2个检测电路所组成的等边三角形中；O_n点距离第n+1个检测电路的距离L_n+1；L_n+1所对应检测电路与L_n和L_n+2所对应的两个检测电路处于不同排，L_n和L_n+2所对应的两个检测电路同排且相邻，L_n+1所对应检测电路位于L_n和L_n+2所对应的两个检测电路之间；

U＝U₀+A*exp(-0.5*((L-L_c)/w)² (公式2)

式中：U为检测电路中两个线性霍尔传感器差动输出电压；U₀、A、L_c、w为拟合所得到的Guassian函数中的常量；

如果检测电路安装平台为平板，当L_n所对应检测电路为上排检测电路时，O_n点的坐标由公式7、公式8、公式9计算可得；当L_n所对应检测电路为下排检测电路时，O_n点的坐标由公式10、公式11、公式12计算可得；

O_n(x)＝Q+R·(n+1)/2+n·L_n·cosα (公式7)

O_n(y)＝E-P-L_n·sinα (公式8)

式中：O_n(x)和O_n(y)为O_n点的横纵坐标，α为O_n点与上排检测电路的连线之间的夹角；Q代表边缘检测电路距离检测电路安装平台边缘的距离，R表示等边三角形的边长；E表示检测电路安装平台的宽度；P表示上排检测电路距离检测电路安装平台上边缘的距离；A_nA_n+2表示L_n和L_n+2所对应的两个检测电路之间的距离；O_nA_n+2表示O_n点和L_n+2所对应的检测电路之间的距离；

O_n(x)＝Q+R/2+R·n/2+n·L_n·cosα (公式10)

O_n(y)＝P+L_n·sinα (公式11)

式中：α为O_n点下排检测电路的连线之间的夹角；P表示下排检测电路距离检测电路安装平台下边缘的距离；B_nB_n+2表示L_n和L_n+2所对应的两个检测电路之间的距离；O_nB_n+2表示O_n点和L_n+2所对应的检测电路之间的距离；

如果检测电路安装平台为圆柱体，当L_n所对应检测电路为上排检测电路时，O_n点的圆柱坐标由公式13、公式14、公式15、公式16计算可得；当L_n所对应检测电路为下排检测电路时，O_n点的坐标由公式13、公式17、公式18、公式19计算可得；

O_n(ρ)＝R (公式13)

O_n(z)＝M-N-L_n·sinα (公式15)

式中：R为圆柱体半径，M为圆柱体高度，N为上排检测电路距离圆柱体上边缘的距离；α为O_n点与上排检测电路的连线之间的夹角；O_n(ρ)、O_n(φ)和O_n(z)分别表示圆柱坐标系中的半径、偏角和沿轴方向长度；

O_n(z)＝N+L_n·sinα (公式18)

式中：N为下排检测电路距离圆柱体下边缘的距离；α为O_n点与下排检测电路的连线之间的夹角。