CN116428955A - 三自由度霍尔位移传感器标定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高精度位移检测标定技术领域，具体涉及一种三自由度霍尔位移传感器标定系统和方法，其中被标定传感器设置于机架上，并与上位机分别连接；磁源模块设置于第三方向标定模块上，第三方向标定模块设置于第二方向标定模块上，第二方向标定模块设置于第一标定模块上，第一标定模块设置于机架上；第一标定测试模块设置于机架上，第一标定测试模块磁源模块相对设置。本发明提出的三自由度位移传感器标定能力的标定系统结构设计简单、连接可靠，空间布置合理，可同时完成单轴、双轴、三轴位移传感器的标定任务，系统功能集成度高；并且可以通过标定的精度要求灵活切换标定传感器，系统可塑性与灵活性高。

Description

三自由度霍尔位移传感器标定系统和方法

技术领域

本发明属于高精度位移检测标定技术领域，具体涉及一种三自由度霍尔位移传感器标定系统和方法、电子设备和计算机存储介质。

背景技术

非接触式位移传感器如电容式传感器、电感式传感器、电涡流式传感器、光栅式传感器、激光式传感器、霍尔传感器等在精密测试与控制场合有着广泛的运用，在诸如磁悬浮离心泵等不能使用接触式位移传感器的场合，其使用的非接触式位移传感器是运动与控制的基准，是设备正确运行的保障，因此在这些传感器安装到设备上之前，需要对其进行标定。

现有的位移传感器标定系统存在复杂度高、功能单一、系统集成度低、结构模态低导致标定效率低等问题，使得在实际的标定测试中使用困难且稳定性差。

专利CN201610957068.8提出了一种微位移传感器标定装置，采用双频激光干涉仪作为标定基准，采用压电堆叠作为驱动，采用平行四边形四杆机构作为运动组件，可实现高精度、高频率的传感器标定，但是由于多种标定组件的使用，使得系统的复杂度大大提高，整个标定系统存在较大的装配难度，从而导致标定精度难以实现。

现有方案系统存在复杂度高、功能单一、系统集成度低、结构模态低导致标定效率低等问题，如何实现部件设计简单、连接可靠，空间布置合理，可同时完成单轴、双轴、三轴位移传感器的标定系统是一个极具挑战性和商业价值的尝试。

发明内容

针对以上这些会务组织的客观问题，本发明旨在提供一种三自由度霍尔位移传感器标定系统和方法、电子设备和计算机存储介质。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种三自由度霍尔位移传感器，包括固定基板和设置在所述固定基板上的3组霍尔传感器；

其中2组所述组霍尔传感器分别分布在相互垂直的第一方向和第二方向上，第一方向上的霍尔传感器组与第二方向上的霍尔传感器组分别沿另一组霍尔传感器组的延长线对称分布；

另一组所述组霍尔传感器沿第一方向上的霍尔传感器组与第二方向上的霍尔传感器组延长线的交汇点中心对称分布。

一种三自由度霍尔位移传感器标定系统，用以标定所述三自由度霍尔位移传感器，包括被标定传感器、第一方向标定模块、第二方向标定模块、第三方向标定模块、磁源模块、第一标定测试模块、机架和上位机；

所述被标定传感器设置于所述机架上，并与所述上位机分别连接；

所述磁源模块设置于所述第三方向标定模块上，所述第三方向标定模块设置于所述第二方向标定模块上，所述第二方向标定模块设置于所述第一标定模块上，所述第一标定模块设置于所述机架上；

所述第一标定测试模块设置于所述机架上，所述第一标定测试模块所述磁源模块相对设置。

其中所述被标定传感器包括固定基板和设置在所述固定基板上的3组霍尔传感器；

其中2组所述组霍尔传感器分别分布在相互垂直的第一方向和第二方向上，第一方向上的霍尔传感器组与第二方向上的霍尔传感器组分别沿另一组霍尔传感器组的延长线对称分布；

另一组所述组霍尔传感器沿第一方向上的霍尔传感器组与第二方向上的霍尔传感器组延长线交汇点中心对称分布。

可选的，所述第一标定测试模块包括固定设置在所述机架上的固定块，和分别固定设置在所述固定块第一方向、第二方向和第三方向的接触式位移标定传感器。

可选的，所述第一方向标定模块、所述第二方向标定模块和所述第三方向标定模块结构相同安装方向不同，所述第一方向标定模块包括运动模块机座、设置于运动模块机座两端的丝母限位块、位于两个丝母限位块之间的滚珠丝杆和套设于滚珠丝杆上的丝母连接块。

可选的，所述第一方向标定模块的运动模块机座与所述机架于第一方向固定连接、所述第二方向标定模块的运动模块机座与所述第一方向标定模块的丝母连接块于第二方向固定连接、所述第三方向标定模块电动运动模块机座与所述第二方向标定模块的丝母连接块于第三方向固定连接，所述磁源模块固定连接于所述第三方向标定模块的丝母连接块上。

可选地，所述第一方向标定模块、所述第二方向标定模块和所述第三方向标定模块还分别包括第二标定测试模块，所述第二标定测试模块为千分尺，所述千分尺通过千分尺固定座安装于所述运动模块机座上，所述千分尺通过联轴器与所述滚珠丝杆连接。

可选地，所述磁源模块包括磁源固定块和安装于磁源固定块上的磁源，所述磁源固定块与所述第三方向标定模块的丝母连接块固定连接。

本发明还提供一种三自由度霍尔位移传感器标定方法，包括如下步骤：

开机复位自检；

如无故障则开始标定步骤，如有故障则提示故障原因并返回上一步骤；

根据所需标定自由度判断自由度个数和自由度方向；

选择对应自由度，所述自由度个数包括单轴、双轴和三轴；所述自由度方向包括第一方向、第二方向和第三方向；

对选定的对应自由度结构调整；

根据标定测试模块反馈的信号对霍尔位移传感器进行标定。

可选的，自由度判断步骤前还包括精度判断步骤，所述精度判断步骤包括确定精度需求，所述精度需求包括高精度需求和低精度需求；

根据对应精度需求，选择对应标定测试模块，如采用高精度需求时则采用第一标定测试模块进行标定，如为低精度需求时则采用第二标定测试模块进行标定。

本发明还提供一种计算机存储介质，包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现上述的标定方法。

本发明提出了一种结构稳定并且具有三自由度位移传感器标定能力的标定系统。所提出的标定系统各个部件设计简单、连接可靠，空间布置合理，可同时完成单轴、双轴、三轴位移传感器的标定任务，系统功能集成度高；并且可以通过标定的精度要求灵活切换标定传感器，系统可塑性与灵活性高。

附图说明

图1是传统会务系统逻辑架构示意图；

图2是本发明区块链会务管理系统逻辑架构示意图；

图3是本发明区块链会务管理系统业务流程示意图；

图4是传统会务系统逻辑架构示意图；

图5是本发明区块链会务管理系统逻辑架构示意图；

图6是本发明区块链会务管理系统业务流程示意图；

图7是传统会务系统逻辑架构示意图；

图8是本发明区块链会务管理系统逻辑架构示意图；

图9是本发明区块链会务管理系统业务流程示意图。

附图标记：

11、第一方向，22、第二方向，33、第三方向，44、磁源，55、固定基板，66、霍尔传感器；

1、机架；

2、第一方向标定模块，3、第二方向标定模块，4、第三方向标定模块，21、运动模块机座，22、丝母限位块，23、滚珠丝杆，24、丝母连接块，25、辅助定位模块；

5、第一标定测试模块，51、固定块，52、接触式位移标定传感器；

6、磁源模块，61、磁源固定块，62、磁源；

7、第二标定测试模块，71、千分尺，72、千分尺固定座，73、联轴器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，一种三自由度霍尔位移传感器包括固定基板55和设置在所述固定基板55上的3组霍尔传感器66(S1、S2、S3、S4、S5、S6)组成。

其中2组所述组霍尔传感器分别分布在相互垂直的第一方向和第二方向上，第一方向上的霍尔传感器组与第二方向上的霍尔传感器组分别沿另一组霍尔传感器组的延长线对称分布；另一组所述组霍尔传感器沿第一方向上的霍尔传感器组与第二方向上的霍尔传感器组延长线交汇点中心对称分布。

作为一种优选实施例，所述第一方向11、第二方向22和第三方向33可以为X轴、Y轴、Z轴方向。也就是说，对于X轴位移测量，霍尔传感器组S1、S2需布置在X轴轴线上，且与Y轴呈对称分布；对于Y轴位移测量，霍尔传感器组S3、S4需布置在Y轴轴线上，且与X轴呈对称分布；对于Z轴位移测量，霍尔传感器组S5、S6需尽量靠近坐标原点即X轴轴线和Y轴轴线交汇点，且与原点呈中心对称分布；霍尔传感器组S5、S6连线可与X轴呈任意夹角，作为一种优选方式，图中为45°。三轴线所交坐标原点也即为被测物体在零位时的投影点。

由于霍尔传感器66可以检测到空间磁场的变化而产生与磁场强度成比例的电压信号，如图一所示，把磁源永磁体放置于被测对象上，当磁源44在空间中第一方向11、第二方向22和第三方向33上产生位移时，会影响到霍尔传感器66所处磁场空间中的磁场强度的变化，由此可以通过霍尔传感器输出的电压信号大小来反映被测对象的位移大小。作为一种优选实施例，所述第一方向11、第二方向22和第三方向33可以为X轴、Y轴、Z轴方向。

如图2所示为一种可能的情况，磁源44相对于零点方向在X轴方向产生了一段位移，以X轴11方向上的霍尔传感器S1、S2为例，在移动前，磁源几何中心距离S1、S2的距离为L1、L2,移动后磁源几何中心距离S1、S2的距离为L1’、L2’，由图上的几何关系可以看出，移动前L1与L2距离相等，移动后L1’大于L2’,对于在固定基板55上的霍尔传感器66S1、S2而言，在移动前由于与磁源55距离相同，两传感器所处磁源空间的磁场强度也相同，两霍尔传感器输出的电压信号也相同；移动后，由于S1与磁源的距离缩短，而S2与磁源的距离增长，此时霍尔芯片S1的输出电压增大，相反，霍尔芯片S2的输出电压减小。因此，由于两者所处磁源空间的磁场强度不同，导致两霍尔传感器输出的电压信号也不相同，根据霍尔传感器所输出电压的变化，可以推算出磁源在X轴方向上移动的位移。

在图2所示的X轴产生位移的场合，可以使用霍尔芯片S1与霍尔芯片S2产生的电压信号的差值来表征磁源在X轴方向的位移。在Y轴方向上同理，可以使用霍尔芯片S3与霍尔芯片S4产生的电压信号的差值来表征磁源在Y轴方向的位移。在Z轴方向上，由于图一所示的霍尔芯片的布置关系，可以使用霍尔芯片S5与霍尔芯片S6产生的电压信号的和值来表征磁源在Z轴方向的位移，由此可以通过所处不同位置的霍尔传感器所输出的电压信号来解算出磁源的位移大小。

该过程的计算方式如图3所示，由于磁源的位移变化将引发霍尔传感器S1-S6输出电压的变化，上位机通过采集S1-S6输出的电压信号，经过一定的算法解算出磁源的位移，实现三自由度的位移测量。

在所提出的三自由度霍尔位移传感器的基础上，本发明提出了该位移传感器的标定系统，以下结合图4-9具体说明本发明提供的一种三自由度霍尔位移传感器标定系统和方法、电子设备和计算机存储介质。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种三自由度霍尔位移传感器标定系统，用以标定所述三自由度霍尔位移传感器，包括被标定传感器、第一方向标定模块、第二方向标定模块、第三方向标定模块、磁源模块、第一标定测试模块、机架和上位机；

所述被标定传感器设置于所述机架上，并与所述上位机分别连接；

所述磁源模块设置于所述第三方向标定模块上，所述第三方向标定模块设置于所述第二方向标定模块上，所述第二方向标定模块设置于所述第一标定模块上，所述第一标定模块设置于所述机架上；作为一种优选实施例，所述第一方向11、第二方向22和第三方向33可以为X轴、Y轴、Z轴方向。

所述第一标定测试模块设置于所述机架上，所述第一标定测试模块所述磁源模块相对设置。

由于磁源模块6可以通过第一方向标定模块2、第二方向标定模块3、第三方向标定模块4实现在第一方向11、第二方向22和第三方向33上的位移，因此，磁源62可以实现在空间的三自由度运动，由于三个方向的标定模块互相垂直互不干涉，在进行位霍尔移传感器标定时，可自由选择需要标定的坐标轴，大大提高了系统的功能性与灵活性。

如图8所示，作为一种优选实施例，所述第一标定测试模块5包括固定设置在所述机架上的固定块51，和分别固定设置在所述固定块第一方向、第二方向和第三方向的接触式位移标定传感器52。

如图5所示，作为一种优选实施例，所述第一方向标定模块2、所述第二方向标定模块3和所述第三方向标定模块4结构相同安装方向不同，所述第一方向标定模块2包括运动模块机座21、设置于运动模块机座两端的丝母限位块22、位于两个丝母限位块之间的滚珠丝杆23和套设于滚珠丝杆上的丝母连接块24。作为一种优选实施例，为了使系统运行更为稳定，还包括辅助定位模块25，所述辅助定位模块25用以配合第一方向标定模块2在第一方向上的运动。

如图6所示，作为一种优选实施例，所述第一方向标定模块的运动模块机座21与所述机架1于第一方向固定连接、所述第二方向标定模块的运动模块机座与所述第一方向标定模块的丝母连接块于第二方向固定连接、所述第三方向标定模块电动运动模块机座与所述第二方向标定模块的丝母连接块于第三方向固定连接，所述磁源模块固定连接于所述第三方向标定模块的丝母连接块上。该位移传感器标定系统中X、Y、Z轴摆放紧凑，系统集成度高而且具有较强的运动模态，适用于高频测试标定的工作状况。

如图5所示，作为一种优选实施例，本发明还可以有第二标定测试模块7。所述第一方向标定模块2、所述第二方向标定模块3和所述第三方向标定模块4还分别包括第二标定测试模块7，所述第二标定测试模块7包括千分尺71，所述千分尺通过千分尺固定座72安装于所述运动模块机座上，所述千分尺通过联轴器与所述滚珠丝杆73连接。

千分尺可以作为该标定测试系统中的运动输入，在不需要较高精度的场合下，可以手动调节千分尺产生位移，千分尺由于与滚柱丝杠通过联轴器相连，千分尺产生的位移可以传递到丝母连接块上，由于丝母连接块与下一个轴的运动模块相连，即通过千分尺可以使得标定测试系统中的磁源模块产生位移，且该位移与千分尺所产生位移相同，即可以通过调节千分尺的方式控制磁源的移动，由于三个轴的运动标定模块上都连接有千分尺，即可以通过这三个千分尺实现磁源三个自由度的位移，此时由于千分尺的数据可以直接读出，可以把该数据直接作为磁源移动的标定值。在不需要高精度测量标定的场合可以快速高效的完成三个自由度的标定。

如图8所示，所述磁源模块6包括磁源固定块61和安装于磁源固定块61上的磁源62，所述磁源固定块61与所述第三方向标定模块3的丝母连接块固定连接。

如图9所示，本发明还提供一种三自由度霍尔位移传感器标定方法，包括如下步骤：

开机复位自检；

如无故障则开始标定步骤，如有故障则提示故障原因并返回上一步骤；

精度判断步骤；确定精度需求，所述精度需求包括高精度需求和低精度需求；

根据对应精度需求，选择对应标定测试模块，如采用高精度需求时则采用第一标定测试模块进行标定，如为低精度需求时则采用第二标定测试模块进行标定；

自由度判断步骤；根据所需标定自由度判断自由度个数和自由度方向；

选择对应自由度，所述自由度个数包括单轴、双轴和三轴；所述自由度方向包括第一方向、第二方向和第三方向；

对选定的对应自由度结构调整；

根据标定测试模块反馈的信号对霍尔位移传感器进行标定。

在需要高精度标定的场合，由于千分尺的精度与分辨率(10微米级别)有限，使用千分尺的数据作为标定值将不能达到高精度的标定要求，此时可以使用在接触式位移传感器作为标定传感器，布置接触式位移传感器与布置在与位移传感器标定系统中的三个运动模块分别同轴放置，即通过第一、第二、第三方向运动标定模块所产生的运动也将对应至这三个接触式位移传感器，从而检测到磁源的实际位移，由于接触式位移传感器的精度与分辨率可以做得很高，在实际测试中，可以通过工况需要的精度选择合适的接触式位移传感器，将他们的读数作为最终的标定值，达到高精度标定的要求。

本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器，存储至少一个指令；及处理器，获取所述存储器中存储的指令以实现上述的标定方法。

本发明还提供一种计算机存储介质，其特征在于，包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现上述的标定方法。

本发明首先提出了一种具有三自由度的霍尔位移传感器，并在此基础上提出了具有三自由度标定能力的位移传感器标定装置。本发明提出的一种结构稳定并且具有三自由度位移传感器标定能力的标定系统。所提出的标定系统各个部件设计简单、连接可靠，空间布置合理，可同时完成单轴、双轴、三轴位移传感器的标定任务，系统功能集成度高；并且可以通过标定的精度要求灵活切换标定传感器，系统可塑性与灵活性高。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种三自由度霍尔位移传感器标定系统，用以标定所述三自由度霍尔位移传感器，其特征在于，包括被标定传感器、第一方向标定模块、第二方向标定模块、第三方向标定模块、磁源模块、第一标定测试模块、机架和上位机；

所述被标定传感器，包括固定基板和设置在所述固定基板上的3组霍尔传感器；其中2组所述组霍尔传感器分别分布在相互垂直的第一方向和第二方向上，第一方向上的霍尔传感器组与第二方向上的霍尔传感器组分别沿另一组霍尔传感器组的延长线对称分布；另一组所述组霍尔传感器沿第一方向上的霍尔传感器组与第二方向上的霍尔传感器组延长线交汇点中心对称分布；

所述被标定传感器设置于所述机架上，并与所述上位机分别连接；

所述磁源模块设置于所述第三方向标定模块上，所述第三方向标定模块设置于所述第二方向标定模块上，所述第二方向标定模块设置于所述第一方向标定模块上，所述第一方向标定模块设置于所述机架上；

所述第一标定测试模块设置于所述机架上，所述第一标定测试模块所述磁源模块相对设置。

2.如权利要求1所述的三自由度霍尔位移传感器标定系统，其特征在于，所述第一标定测试模块包括固定设置在所述机架上的固定块，和分别固定设置在所述固定块第一方向、第二方向和第三方向的接触式位移标定传感器。

3.如权利要求1所述的三自由度霍尔位移传感器标定系统，其特征在于，所述第一方向标定模块、所述第二方向标定模块和所述第三方向标定模块结构相同安装方向不同，所述第一方向标定模块包括运动模块机座、设置于运动模块机座两端的丝母限位块、位于两个丝母限位块之间的滚珠丝杆和套设于滚珠丝杆上的丝母连接块。

4.如权利要求3所述的三自由度霍尔位移传感器标定系统，其特征在于，所述第一方向标定模块的运动模块机座与所述机架于第一方向固定连接、所述第二方向标定模块的运动模块机座与所述第一方向标定模块的丝母连接块于第二方向固定连接、所述第三方向标定模块电动运动模块机座与所述第二方向标定模块的丝母连接块于第三方向固定连接，所述磁源模块固定连接于所述第三方向标定模块的丝母连接块上。

5.如权利要求4所述的三自由度霍尔位移传感器标定系统，其特征在于，所述第一方向标定模块、所述第二方向标定模块和所述第三方向标定模块还分别包括第二标定测试模块，所述第二标定测试模块包括千分尺，所述千分尺通过千分尺固定座安装于所述运动模块机座上，所述千分尺通过联轴器与所述滚珠丝杆连接。

6.如权利要求3所述的三自由度霍尔位移传感器标定系统，其特征在于，所述磁源模块包括磁源固定块和安装于磁源固定块上的磁源，所述磁源固定块与所述第三方向标定模块的丝母连接块固定连接。

7.一种三自由度霍尔位移传感器标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

开机复位自检；

如无故障则开始标定步骤，如有故障则提示故障原因并返回上一步骤；

根据所需标定自由度判断自由度个数和自由度方向；

选择对应自由度，所述自由度个数包括单轴、双轴和三轴；所述自由度方向包括第一方向、第二方向和第三方向；

对选定的对应自由度结构调整；

根据标定测试模块反馈的信号对霍尔位移传感器进行标定。

8.如权利要求7所述的三自由度霍尔位移传感器标定方法，其特征在于，自由度判断步骤前还包括精度判断步骤，所述精度判断步骤包括

确定精度需求，所述精度需求包括高精度需求和低精度需求；

根据对应精度需求，选择对应标定测试模块，如采用高精度需求时则采用第一标定测试模块进行标定，如为低精度需求时则采用第二标定测试模块进行标定。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：存储器，存储至少一个指令；及处理器，获取所述存储器中存储的指令以实现上述的标定方法。

10.一种计算机存储介质，其特征在于，包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现如权利要求8或9所述的标定方法。

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