CN110243389A - 一种钢轨探伤仪用磁性编码器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨探伤仪用磁性编码器及其测量方法，属于位移测量技术领域，包括用于固定编码器的中心轴、用于产生磁场变化的环形磁体、用于测量磁场变化的磁场测量元件与用于带动所述磁场测量元件转动的基座。本发明以磁性编码器替代了光电编码器，由于外界振动对磁场强度变化的影响微乎其微，这样便有效地提高了编码器的抗振性能；并且传统的光电编码器的一次输出一个脉冲，利用本磁性编码器可以一次输出两组脉冲，对同一段位移进行测量，这样可以一定程度上提高位移测量结果的精度；能够更好地满足测量工作的要求，而且在测量电路中的元件较少，在保证电路结构足够简单的情况下提升了测量精度。

Description

一种钢轨探伤仪用磁性编码器及其测量方法

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，具体涉及一种钢轨探伤仪用磁性编码器及其测量方法。

背景技术

焊缝探伤仪是一种真彩显示全数字式超声波探伤仪，它能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷(裂纹、夹杂、气孔等)的检测、定位、评估和诊断。既用于实验室，也用于工程现场检测。该仪器被广泛应用在各地特检院、建设工程质量检测站、锅炉压力容器制造、工程机械制造业、钢铁冶金业、钢结构制造、船舶制造、石油天然气装备制造等需要缺陷检测和质量控制的领域，也被广泛应用于航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。

在钢轨的缺陷检测中，也常需要使用钢轨焊缝探伤仪，在钢轨焊缝探伤仪中，需要用到一种重要的零部件，用于记录探伤仪的位移量，从而得到探伤仪的推进里程等数据，这种零部件的名字叫做编码器，编码器是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。

在现有的钢轨焊缝探伤仪中，其主要使用的是光电编码器，光电编码器在实际应用到钢轨焊缝探伤仪时存在一定的弊端，首先，光电编码器的抗振性一般，在对钢轨进行探伤的过程中，探伤仪是在钢轨上不断运动的，这样就可能避免不了振动，而光电编码器在发生较大振动时，可能会出现误发脉冲等情况，这样会给探伤仪的位移计量精度带来不利影响，因此，提出一种钢轨探伤仪用磁性编码器及其测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何有效地提高钢轨探伤仪中编码器的使用性能，提供了一种钢轨探伤仪用磁性编码器。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括用于安装固定编码器的中心轴、用于产生磁场变化的环形磁体、用于测量磁场变化的磁场测量元件与用于带动所述磁场测量元件转动的基座，所述环形磁体与所述基座均设置在中心轴上；

所述磁场测量元件包括防护套、测量头与电路板，所述防护套设置在所述测量头上，所述防护套与所述测量头均设置在所述电路板上，所述电路板与所述基座相连接；

所述测量头包括用于将磁场变化转化为脉冲输出的两个霍尔传感器，两个所述霍尔传感器对应输出两组脉冲信号；

所述环形磁体包括本体与多个磁钢，多个所述磁钢均匀设置在所述本体的内部。

优选的，所述磁性编码器还包括用于带动所述基座转动的限位铜套，所述限位铜套与所述基座固定连接，所述限位铜套上设置有限位件，所述限位件用于卡在外壳内部一端的槽体中。

优选的，所述磁性编码器还包括外壳与端盖，所述外壳设置在所述环形磁体与所述基座的外部，所述端盖穿过所述中心轴与所述外壳相连接，所述外壳直接与钢轨的上表面接触。所述外壳的内表面一端中心处开设有与所述限位铜套及所述限位件相适的槽体，这样外壳在钢轨发生相对运动时，便会通过所述槽体带动所述限位铜套转动。所述端盖上设置有多个用于连接所述外壳的预留孔，在组装时，利用自攻丝穿过所述预留孔，便可以将所述端盖与所述外壳固定在一起。所述外壳与所述端盖连接在一起时形状呈T形，T形的设计方便使编码器卡在钢轨的上端。

优选的，所述磁性编码器还包括用于传输脉冲信号的传输线，所述传输线与所述电路板相连接，所述传输线会将输出的两组脉冲信号传递给信号处理装置。

优选的，所述基座、所述限位铜套、所述外壳、所述端盖均与所述中心轴活动连接，这样所述基座、所述限位铜套、所述外壳与所述端盖才会发生相对转动。所述环形磁体与所述中心轴固定连接，这样所述测量头才会绕着所述环形磁体转动，从而测量在此过程中的磁场变化。

优选的，所述磁性编码器的测量电路包括用于测量磁场变化的磁场测量模块与用于对脉冲信号进行处理工作的信号处理模块，所述信号处理模块至少具有两个输入端与输出端，所述磁场测量模块具有两个输出端，所述磁场测量模块的输出端与所述信号处理模块的输入端分别一一对应连接；

在磁场变化时所述磁场测量模块相继输出两组脉冲信号，两组所述脉冲信号由所述信号处理模块的两个输入端分别输入所述信号处理模块，经过所述信号处理模块处理后的两组脉冲信号由所述信号处理模块的输出端输出，通过两个霍尔元件配合使用，能够在其周围磁场发生变化时相继输出两组脉冲，然后再经过信号处理模块对两组脉冲进行智能化处理后输出，这样能够磁场的变化转化为脉冲输出，从而通过磁场的变化对位移进行测量，输出两组脉冲能够有效地提高位移测量时的精度。

优选的，所述测量电路还包括用于接收经所述信号处理模块处理后的脉冲信号的接收模块，所述接收模块的输入端为两个，所述接收模块的两个输入端与所述信号处理模块的两个输出端分别一一对应连接。

优选的，所述磁场测量模块、所述信号处理模块与所述接收模块的电源引脚均接入+5V电压端子。所述磁场测量模块、所述信号处理模块与所述接收模块的接地引脚均接地。所述磁场测量模块与所述接收模块的电源引脚处均跨接一个用于滤波的电容并接地。所述磁场测量模块的电源引脚与两个输出端之间均跨接一个上拉电阻。

本发明还提供了一种钢轨探伤仪用磁性编码器的测量方法，包括以下步骤：

S1：产生脉冲信号

磁场测量模块感应到磁场变化，将磁场变化转化成两组脉冲信号相继输出；

S2：对脉冲信号进行处理

将两组脉冲信号先后输入信号处理模块中进行处理，得到处理后的两组脉冲信号；

S3：对位移变化进行测定

将步骤S2中经过处理后的两组脉冲信号输入接收模块中，对脉冲的数量和初相位进行统计及计算，从而得到位移变化量。

本发明相比现有技术具有以下优点：该钢轨探伤仪用磁性编码器及其测量方法，以磁性编码器替代了光电编码器，由于外界振动对磁场强度变化的影响微乎其微，这样便有效地提高了编码器的抗振性能；并且传统的光电编码器的一次输出一个脉冲，利用本磁性编码器可以一次输出两组脉冲，对同一段位移进行测量，这样可以一定程度上提高位移测量结果的精度；能够更好地满足测量工作的要求；而且在电路中的元件较少，在保证电路结构足够简单的情况下提升了测量分辨率；由于是采用单片机对两组脉冲的的相位进行判断和处理，因此不但能判断位移变化的方向，通过处理还可成倍的提高测量分辨率，满足了使用者的需求，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例一中磁性编码器的整体结构示意图；

图2是本发明实施例一中磁性编码器的内部结构示意图；

图3是本发明实施例一中磁性编码器外壳的局部视图；

图4是本发明实施例二中磁性编码器的内部电路图；

图5是本发明实施例二中测量方法的流程示意图。

图中：1、中心轴；11、外壳；2、环形磁体；3、基座；31、测量头；32、电路板；33、防护套；4、限位铜套；41、限位件；5、端盖；6、外壳；61、槽体。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图1-3所示，本实施例提供一种技术方案：一种钢轨探伤仪用磁性编码器，包括一种钢轨探伤仪用磁性编码器，包括用于安装固定编码器的中心轴1、用于产生磁场变化的环形磁体2、用于测量磁场变化的磁场测量元件与用于带动所述磁场测量元件转动的基座3，将所述环形磁体2与所述基座3设置在中心轴1上；

所述磁场测量元件包括防护套33、测量头31与电路板32，将所述防护套33设置在所述测量头31的外部，将所述防护套33与所述测量头31均设置在所述电路板32上，将所述电路板32与所述基座3通过连接螺栓固定，所述防护套33可以有效地保护磁场测量元件中的两个霍尔传感器，一定程度上提高了该磁性编码器的使用寿命；

所述环形磁体2包括多个磁钢，将多个所述磁钢均匀设置在所述环形磁体2的内部，每个磁钢之间的距离是固定的，每个磁钢的尺寸也是固定的，这样便可以通过脉冲来计算位移量；

所述测量头31包括用于将磁场变化转化为脉冲输出两个霍尔传感器，两个所述霍尔传感器对应输出两组脉冲信号，通过两组脉冲信号的初相位差便可以判断该磁性编码器的转动方向，从而确定钢轨探伤仪的位移方向，以磁性编码器替代了光电编码器，由于外界振动对磁场强度变化的影响微乎其微，这样便有效地提高了编码器的抗振性能。

所述磁性编码器还包括限位铜套4，所述限位铜套4与所述基座3固定连接，这样在所述限位铜套4转动时所述基座3才会跟着一起转动，从而带动所述测量头31绕所述环形磁体2转动。

所述限位铜套4包括限位件41，将所述限位件41设置在所述限位铜套4上，所述限位件41用于卡在外壳6内部一端的槽体61中。

所述磁性编码器还包括外壳6与端盖5，所述外壳6设置在所述环形磁体2与所述基座3的外部，所述端盖5穿过所述中心轴1与所述外壳6相连接，所述外壳6直接与钢轨的上表面接触。

所述外壳6的内表面一端中心处开设有与所述限位铜套4及所述限位件41相适的槽体61，这样外壳6在钢轨发生相对运动时，便会通过所述槽体61带动所述限位铜套4转动。

所述磁性编码器还包括用于传输脉冲信号的传输线11，所述传输线11与所述电路板32相连接，所述传输线11会将输出的两组脉冲信号传递给信号处理装置。

所述基座3、所述限位铜套4、所述外壳6、所述端盖5均与所述中心轴1活动连接，这样所述基座3、所述限位铜套4、所述外壳6与所述端盖5才会发生相对转动。

所述环形磁体2与所述中心轴1固定连接，这样所述测量头31才会绕着所述环形磁体2转动，从而测量在此过程中的磁场变化。

所述端盖5包括多个用于固定连接所述外壳6的预留孔，多个所述预留孔均匀贯穿设置在所述端盖5的边缘，在组装时，利用自攻丝穿过所述预留孔，便可以将所述端盖5与所述外壳6固定在一起。

所述外壳6与所述端盖5连接在一起时形状呈T形，T形的设计方便使编码器卡在钢轨的上端。

该焊缝探伤仪用磁性编码器，首先，在使用前，需要利用自攻丝穿过预留孔，将所述端盖5与所述外壳6固定在一起，固定完毕后，将整个编码器通过中心轴1两端的外螺纹设置在钢轨探伤仪的下端，然后将传输线11与钢轨探伤仪连接，此时整个编码器便属于可以使用状态，其次，在使用时，在钢轨探伤仪行进的过程中，外壳6在钢轨上转动，此时外壳6带着测量头31绕着环形磁体2转动，当测量头31经过一个磁钢时，便会发射出一个高电平脉冲，完全离开该磁钢时，便开始发射出低电平脉冲，由于每个磁钢之间的距离是固定的，每个磁钢的尺寸也是固定的，这样就可以方便地通过脉冲数记录整个钢轨探伤仪行进的位移量。

实施例二

如图4所示，本实施例提供一种技术方案：一种钢轨探伤仪用磁性编码器的测量电路，包括用于测量磁场变化的磁场测量模块YC与用于对脉冲信号进行处理工作的单片机N1，在本实施例中信号处理模块采用的是单片机N1，所述单片机N1的输入端与输出端均为两个，所述磁场测量模块YC的输出端为两个，所述磁场测量模块YC的输出端与所述单片机N1的输入端分别一一对应连接；

在磁场变化时所述磁场测量模块YC相继输出两组脉冲信号，两组所述脉冲信号由所述单片机N1的PB1与PB2输入端分别输入所述单片机N1，经过所述单片机N1处理后的两组脉冲信号由所述单片机N1的PB3与PB4输出端输出。

需要说明的是，在本实施例中，所述单片机为单片机N1，所述磁场测量模块为磁场测量模块YC。

所述磁场测量模块YC包括两个霍尔元件，该霍尔元件即为霍尔传感器，霍尔元件的输出端与所述磁场测量模块YC的输出端相连接，分别为A、B输出端。

当磁场发生变化时，先感应到磁场变化的所述霍尔元件先输出一个脉冲信号，后感应到磁场变化的所述霍尔元件后输出一个脉冲信号。

所述测量电路还包括用于接收经所述单片机处理后的脉冲信号的接收模块，所述接收模块的输入端为两个，所述接收模块的两个输入端与所述单片机N1的PB3与PB4输出端分别一一对应连接。

在所述磁场测量模块YC、所述单片机N1与所述接收模块的电源引脚均接入+5V供电端子。

将所述磁场测量模块YC、所述单片机N1与所述接收模块的Gnd引脚均正常接地。

在所述磁场测量模块YC与所述接收模块的电源引脚处均跨接一个用于滤波的电容并接地，在所述磁场测量模块YC处跨接的电容为C1，在所述接收模块跨接的电容为C2。

该钢轨探伤仪用磁性编码器的测量电路，在使用过程中，在环形磁体转动时，磁场测量模块YC会经过多次磁场强度的变化，当其中一个磁钢靠近到其中一个霍尔元件时，由于此时该霍尔元件处的磁场强度发生变化，该霍尔元件便会先输出一个高电平脉冲，当该磁钢远离该霍尔元件时，该霍尔元件便会输出一个低电平脉冲，当该磁钢另外一个霍尔元件时，此霍尔元件便会输出一个高电平脉冲，当该磁钢远离此霍尔元件时，此霍尔元件便会输出一个低电平脉冲。同时这两组脉冲信号被输入到单片机N1中进行智能化处理，即：单片机N1根据这两个信号的状态可判断出上升沿和下降沿，进一步根据两组脉冲的上升沿和下降沿出现的顺序，从而判断位移的变化方向。单片机N1同时还利用了脉冲的下降沿的检测，从而获得磁钢的准确位置。也就是说，上升沿表示磁钢靠近霍尔元件的时刻，下降沿表示磁钢离开霍尔元件的时刻。下降沿使得单片机N1可以在两个上升沿间的中间，增加一个脉冲信号的输出。使测量分辨率提高了1倍。

如图5所示，本实施例还提供了一种钢轨探伤仪用磁性编码器的测量方法，包括以下步骤：

S1：产生脉冲信号

磁场测量模块YC感应到磁场变化，将磁场变化转化成两组脉冲信号相继输出；

S2：对脉冲信号进行处理

将两组脉冲信号先后输入信号处理模块中进行处理，得到处理后的两组脉冲信号；

S3：对位移变化进行测定

将步骤S2中经过处理后的两组脉冲信号输入接收模块中，对脉冲的数量和初相位进行统计及计算，从而得到位移变化量。

综上所述，上述两组实施例中的一种钢轨探伤仪用磁性编码器及其测量方法，以磁性编码器替代了光电编码器，由于外界振动对磁场强度变化的影响微乎其微，这样便有效地提高了编码器的抗振性能；并且传统的光电编码器的一次输出一个脉冲，利用本磁性编码器可以一次输出两组脉冲，对同一段位移进行测量，这样可以一定程度上提高位移测量结果的精度；能够更好地满足测量工作的要求，而且在电路中的元件较少，在保证电路结构足够简单的情况下提升了测量分辨率；由于是采用单片机对两组脉冲的的相位进行判断和处理，因此不但能判断位移变化的方向，通过处理还可成倍的提高测量分辨率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢轨探伤仪用磁性编码器，其特征在于，包括中心轴、环形磁体、磁场测量元件与用于带动所述磁场测量元件转动的基座，所述环形磁体与所述基座均设置在中心轴上；

所述磁场测量元件包括防护套、测量头与电路板，所述防护套设置在所述测量头上，所述防护套与所述测量头均设置在所述电路板上，所述电路板与所述基座相连接；

所述测量头包括用于将磁场变化转化为脉冲输出的两个霍尔传感器，两个所述霍尔传感器对应输出两组脉冲信号；

所述环形磁体包括本体与多个磁钢，多个所述磁钢均匀设置在所述本体的内部。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨探伤仪用磁性编码器，其特征在于：所述磁性编码器还包括用于带动所述基座转动的限位铜套，所述限位铜套与所述基座固定连接，所述限位铜套上设置有限位件。

3.根据权利要求2所述的一种钢轨探伤仪用磁性编码器，其特征在于：所述磁性编码器还包括外壳与端盖，所述外壳设置在所述环形磁体与所述基座的外部，所述端盖穿过所述中心轴与所述外壳相连，所述外壳的内表面一端中心处开设有与所述限位铜套及所述限位件相适的槽体，所述端盖上设置有多个用于连接所述外壳的预留孔。

4.根据权利要求1所述的一种钢轨探伤仪用磁性编码器，其特征在于：所述磁性编码器还包括用于传输脉冲信号的传输线，所述传输线与所述电路板相连接。

5.根据权利要求1所述的一种钢轨探伤仪用磁性编码器，其特征在于：所述基座、所述限位铜套、所述外壳、所述端盖均与所述中心轴活动连接，所述环形磁体与所述中心轴固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种钢轨探伤仪用磁性编码器，其特征在于：所述磁性编码器的测量电路包括用于测量磁场变化的磁场测量模块与用于对脉冲信号进行处理工作的信号处理模块，所述信号处理模块至少具有两个输入端与输出端，所述磁场测量模块具有两个输出端，所述磁场测量模块的输出端与所述信号处理模块的输入端分别一一对应连接；

在磁场变化时所述磁场测量模块相继输出两组脉冲信号，两组所述脉冲信号由所述信号处理模块的两个输入端分别输入所述信号处理模块，经过所述信号处理模块处理后的两组脉冲信号由所述信号处理模块的输出端输出。

7.根据权利要求6所述的一种钢轨探伤仪用磁性编码器，其特征在于：所述磁场测量模块包括第一霍尔元件与第二霍尔元件，所述第一霍尔元件、所述第二霍尔元件分别与所述磁场测量模块的两个输出端对应相接，当磁场发生变化时，所述第一霍尔元件先输出一个脉冲信号，所述第二霍尔元件后输出另一个脉冲信号。

8.根据权利要求6所述的一种钢轨探伤仪用磁性编码器，其特征在于：所述测量电路还包括用于接收经所述信号处理模块处理后脉冲信号的接收模块，所述接收模块的输入端为两个，所述接收模块的两个输入端与所述信号处理模块的两个输出端分别一一对应连接。

9.根据权利要求6所述的一种钢轨探伤仪用磁性编码器，其特征在于：所述磁场测量模块、所述信号处理模块与所述接收模块的电源引脚均接入+5V供电端子，所述磁场测量模块、所述信号处理模块与所述接收模块的接地引脚均接地，所述磁场测量模块与所述接收模块的电源引脚处均跨接一个用于滤波的电容并接地，所述磁场测量模块的电源引脚与两个输出端之间均跨接一个电阻。

10.一种钢轨探伤仪用磁性编码器的测量方法，应用在如权利要求1-9任一所述的磁性编码器上，其特征在于，包括以下步骤：

S1：产生脉冲信号

将磁场变化转化成两组脉冲信号相继输出；

S2：对脉冲信号进行处理

对两组脉冲信号进行处理，得到处理后的两组脉冲信号；

S3：对位移变化进行测定

对步骤S2中经过处理后的两组脉冲信号进行脉冲数量和初相位的统计及计算，从而计算得到位移变化量。