CN117310575B - 一种转子表磁检测设备的校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种转子表磁检测设备的校准系统，包括探头标定件，所述探头标定件包括标定磁铁；所述标定磁铁呈正方体构造，且标定磁铁的底面开设有第一通孔。本发明先将探头标定件经权威检测机构检测获得标定值，将探头标定件安装在表磁检测设备内的固定标准位置，并选送标准样件给权威检测机构检测获得标准样件的多点标准值，投入生产检测使用前，将探头移动至固定标准位置的探头标定件处对探头及探头定位机构进行校准，然后再用标准样件进行多点校准，将多点数据校准到标准样件标准值上，再投入使用，多点数据校准覆盖了系统位置控制误差带来的影响，比现有技术只对霍尔探头进行单点校准的方式更准确可靠。

Description

一种转子表磁检测设备的校准系统及方法

技术领域

本发明涉及表磁检测设备标定技术领域，尤其涉及一种转子表磁检测设备的校准系统及方法。

背景技术

如永磁电机转子等带磁的产品，要了解其磁性能，通常需要做表面磁场检测，简称表磁检测。表磁检测设备采用霍尔探头，在被测产品的带磁工作面上采集多点的磁场强度数据，与采样点的位置数据一起形成产品的表面磁场数据集，通过对数据的分析处理来判断产品的磁性能优劣。

根据带磁产品的使用场景，表磁检测所选择的采样位置不同，如永磁电机转子，其安装在电机中使用时，转子带磁的圆柱弧面是工作面，带磁工作面与电机定子之间有约1mm的间隙，对圆柱形的永磁电机转子进行表磁检测时，霍尔探头会在转子轴向移动，配合自转的永磁电机转子去检测不同叠层的圆周磁场数据。表磁检测时，霍尔探头通常不接触转子表面，而是在转子弧面外1mm的圆周弧面上采集磁场数据。

跟其它检测设备一样，表磁检测设备在使用前都需要校准，现有表磁设备通常是对霍尔探头或特斯拉计进行校准，保证霍尔探头及特斯拉计对单点磁场的检测数据准确性。

现有表磁检测设备对霍尔探头及特斯拉计进行校准是单点式校准，没有包含设备的位置的校准。而磁场的分布与位置关系密切，采样位置的偏差会在磁场检测数据上产生放大偏差的现象，设备对探头位置的控制及检测时被测产品与探头的相对位置的误差会给磁场检测数据带来明显偏差。由于表磁检测是多点检测的，单点的校准不能完全保证多点检测的数据准确性。在实际应用中，经常会出现对同一个被测产品，不同的设备检测出有明显偏差的不同数据来。

例如，对圆柱形的永磁电机转子进行表磁检测时，探头会在转子轴向移动，配合转子转动去测不同叠层的圆周表面磁场数据。探头在转子轴向就要停靠若干个检测点，转子转动轴与探头轴向移动的轨迹应该是平行的。但实际的设备因为零件加工及安装的误差存在，往往无法实现理想的平行。这就会导致表磁检测数据存在偏差。如对其中不同位置的A、B、C三点检测，由于位置控制的误差，三点的磁场检测数据都有偏差，可能出现A点偏大0.5%、B点偏大0.3%、C点偏小0.6%的这样的杂乱情况，用目前的单点校准的方式，在仅校准了A点后，B、C两点的偏差仍存在，仅校准了B点后，A、C两点的偏差仍存在，因此无法通过单点校准实现完全校准。

此外，霍尔探头在制作时，霍尔传感器检测面与探头长轴线的垂直度及霍尔传感器的中心位置受焊机工艺的影响，往往存在误差，例如，霍尔芯片4个引脚上的焊锡厚度不同，就会造成霍尔传感器检测面与探头长轴线不垂直。

而磁场信号是空间矢量信号，霍尔传感器能检测到的磁场信号是垂直穿过其半导体平面的部分，当磁场信号不垂直于霍尔传感器半导体平面时，检测到的磁场信号是垂直于半导体平面的信号分量，在同一位置同一磁场信号下，磁场信号与霍尔传感器半导体平面的不同倾角会导致其垂直信号分量不同。

现有特斯拉计、霍尔探头校准方法是单点式数值校准，即将探头定位到标准磁铁的定位点上，读取探头检测数据，与该定位点上标定的磁场信号数值进行比对、校准，校准后的探头读数等于该定位点上标准磁铁的标定值，如图1所示，现有标准磁铁由两个轴向磁化的环形永磁体构成，这可以在两个磁环之间形成一个均匀的磁场（图2中方框区域），给探头提供一个磁场标定值。但现有的对特斯拉计、霍尔探头校准方法，仅仅是校准了检测的磁场数值，没有考虑霍尔传感器半导体本身在生产时可能存在平面倾角，没有对磁场信号矢量进行校准。而实际应用中，要检测的磁场都是不均匀分布的，磁场信号的矢量特征不可忽略，常出现对同一被测磁体，用不同的特斯拉计或不同的霍尔探头去测，会得到不同检测结果的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种转子表磁检测设备的校准系统及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种转子表磁检测设备的校准系统，包括

三轴平移驱动机构，所述三轴平移驱动机构驱动连接一检测用的霍尔探头，三轴平移驱动机构至少用于驱动霍尔探头沿X轴、Y轴做平移运动和沿Z轴做升降运动；

旋转驱动机构，所述旋转驱动机构至少用于驱动待测转子转动；

探头标定件，所述探头标定件包括标定磁铁；所述标定磁铁呈正方体构造，且标定磁铁的底面开设有第一通孔；所述第一通孔内安装有磁钢和导磁体，所述导磁体的下部布置于磁钢上，且导磁体的上部呈圆锥构造；所述导磁体上部的圆锥顶点与标定磁铁的顶面平齐。

进一步地，所述第一通孔沿垂直标定磁铁的底面的方向开设，且所述第一通孔的下部呈圆柱形构造，第一通孔的上部呈圆锥构造。

进一步地，所述磁钢与导磁体的下部均呈与第一通孔相匹配的圆柱形构造，磁钢与导磁体同轴安装于第一通孔内。

进一步地，所述磁钢在其轴向上均匀充磁，所述磁钢的直径与导磁体下部的圆柱形直径相同。

进一步地，所述导磁体上部的圆锥顶点位于导磁体下部的圆柱形的轴心线上。

还提供一种转子表磁检测设备的校准方法，包括上述的校准系统，包括如下步骤：

S1：驱动霍尔探头移动至探头标定件的校准位置处，对霍尔探头的安装位置及霍尔探头本体分别进行校准；

S2：驱动霍尔探头移动至标准样件处，采集标准样件各个检测点的表磁数据；

S3：基于S2获取的标准样件各个检测点的表磁数据，与标准样件各个检测点的标定数据，获取标准样件每个检测点对应的校准系数；

S4：基于每个检测点的校准系数，对霍尔探头在实际检测时，得到的每个检测点的表磁数据进行对应校准。

进一步地，所述S1中，对霍尔探头本体进行校准的方法，具体包括如下步骤：

对探头标定件进行标定；

将霍尔探头的检测面平行贴合于标定后的探头标定件用于校准的基准面上；

驱动霍尔探头分别沿两组轴线移动，以采集轴线上各个检测点的磁场数据，其中，两组轴线相互垂直设置并相交于探头标定件用于校准的基准面的中心；

判断两组轴线上磁场数据的最大值所对应的检测点，是否位于两组轴线的交点上，若不是，则说明霍尔探头内的霍尔传感器半导体平面，与探头标定件用于校准的基准面彼此不平行，则调整霍尔探头的安装角度，重复上述步骤再次进行校准，在使得获取的两组轴线上磁场数据的最大值所对应的检测点，位于两组轴线的交点时，记录调整霍尔探头所需要的角度；

基于霍尔探头检测得到的磁场数据的最大值，与探头标定件在校准基准面上中心点的标定值，获取探头校准系数。

进一步地，所述的对探头标定件进行标定，具体包括如下步骤：

通过移动霍尔探头，获取探头标定件用于校准的基准面上所有检测点的磁场数据；

从获取的检测点的磁场数据中，选取磁场数据的最大值作为探头标定件的标定值，磁场数据的最大值所对应在探头标定件用于校准的基准面上的检测点，为标定点。

进一步地，所述S1中，对霍尔探头的安装位置进行校准，具体包括如下步骤：

驱动霍尔探头采集探头标定件用于校准的基准面上各个检测点的磁场数据；

将霍尔探头采集的各个检测点的磁场数据，与各个检测点所对应的标准磁场数据一一对应比较；

找出磁场数据与标准磁场数据一致所对应的检测点的位置；

将霍尔探头的坐标校准至磁场数据与标准磁场数据一致所对应的检测点的位置上。

进一步地，所述S3中，标准样件每个检测点对应的校准系数=检测点的标定数据/检测点的实测的表磁数据。

采用上述方案，本发明的有益效果是：

1）在实际生产检测前，可对霍尔探头的安装位置进行校准，解决因驱动霍尔探头移动位置的偏差，带来的磁场检测数据不准的问题，同时，还会对霍尔探头本体进行校准，解决因霍尔传感器半导体本身在生产时可能存在平面倾角，进而影响实际检测结果的问题；

2）先将探头标定件经权威检测机构检测获得标定值，将探头标定件安装在表磁检测设备内的固定标准位置，并选送标准样件给权威检测机构检测获得标准样件的多点标准值，投入生产检测使用前，将探头移动至固定标准位置的探头标定件处对探头及探头定位机构进行校准，然后再用标准样件进行多点校准，将多点数据校准到标准样件标准值上，再投入使用，多点数据校准覆盖了系统位置控制误差带来的影响，比现有技术只对霍尔探头进行单点校准的方式更准确可靠；

3）探头标定件整体为正方形柱体，方便与用于控制霍尔探头位置的三轴平移驱动机构进行定位，实现X轴、Y轴、Z轴的高精度平行对齐，其中，采用圆柱形构造的磁钢和圆柱、圆锥形构造的导磁体，更加容易实现高精度同轴加工，圆柱形的磁钢也方便采用螺线管线圈实现均匀充磁，以为霍尔探头的矢量校准提供可靠的磁场基准。

附图说明

图1为现有标准磁铁的结构示意图；

图2为现有标准磁铁的磁场分布图；

图3为本发明的表磁检测设备校准方法的流程性框图；

图4为本发明的探头标定件的剖面图；

图5为本发明的探头标定件的爆炸图；

其中，附图标识说明：

1—标定磁铁；2—第一通孔；

3—磁钢；4—导磁体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

参照图3至5所示，本发明提供一种转子表磁检测设备的校准系统，一实施例中，包括

三轴平移驱动机构，所述三轴平移驱动机构驱动连接一检测用的霍尔探头，三轴平移驱动机构至少用于驱动霍尔探头沿X轴、Y轴做平移运动和沿Z轴做升降运动；

旋转驱动机构，所述旋转驱动机构至少用于驱动待测转子转动；

探头标定件，所述探头标定件包括标定磁铁1；所述标定磁铁1呈正方体构造，且标定磁铁1的底面开设有第一通孔2；所述第一通孔2内安装有磁钢3和导磁体4，所述导磁体4的下部布置于磁钢3上，且导磁体4的上部呈圆锥构造；所述导磁体4上部的圆锥顶点与标定磁铁1的顶面平齐。

在该实施例中，三轴平移驱动机构可采用高精度平移电机模组，可驱动检测用的霍尔探头（或特斯拉计）沿X轴、Y轴平移和沿Z轴升降，以控制霍尔探头精确的移动至预定的检测位置；旋转驱动机构可采用旋转电机、减速机配合的方式，还包括用于夹持待测转子的夹具，可驱动转子沿其轴线自转，以方便对转子弧面进行表磁检测。

在该实施例中，标定磁铁1呈正方体构造，其各个相邻表面互相垂直，其底面中心设有第一通孔2，第一通孔2沿垂直标定磁铁1的底面的方向开设，且第一通孔2的下部呈圆柱形构造，第一通孔2的上部呈圆锥构造；第一通孔2内安装有磁钢3和导磁体4，磁钢3在其轴向上均匀充磁，导磁体4的下部布置于磁钢3上，且导磁体4的上部呈与第一通孔2上部圆锥形相匹配的圆锥构造；磁钢3与导磁体4的下部均呈与第一通孔2相匹配的圆柱形构造，磁钢3与导磁体4同轴安装于第一通孔2内，且磁钢3的直径与导磁体4下部的圆柱形直径相同；导磁体4上部的圆锥顶点位于导磁体4下部的圆柱形的轴心线上，并与标定磁铁1的顶面平齐，圆锥顶点所在的正方体顶面就是标定磁铁1用于标定校准的基准面。

采用这样的结构设计，探头标定件提供的不是均匀磁场，而是以导磁体4圆锥顶点为中心的，在基准面上呈圆形分布的对称磁场，其对称轴垂直于标定磁铁1的基准面。

在使用时，可首先对该探头标定件进行标定，即可采用经过权威机构校准的特斯拉计霍尔探头，接触标定磁铁1基准面的方式，来保证霍尔传感器半导体平面到标定磁铁1基准面的距离稳定（Z轴方向），因为霍尔探头在标定检测过程中一直接触标定磁铁1基准面，霍尔传感器表面到基准面之间没有间隙，霍尔传感器半导体平面到基准面的距离只有固定的芯片封装距离，标定检测过程中，霍尔探头的移动轨迹就平行于基准面；三轴平移驱动机构控制霍尔探头在标定磁铁1顶面中心附近做多次不同位置的X、Y轴方向的扫描，获取多点磁场数据，形成中心附近的检测面数据，选取磁场数据最大值，作为该标定磁铁1的标定值，最大值所在的位置就是该标定磁铁1的标定位置，标定位置与标定磁铁1的X、Y、Z坐标轴基准面有具体的坐标值，标定位置坐标值与该标定位置上测得的磁场强度标定值，一起作为该标定磁铁1的标定参数并记录到其校准报告中，供后续使用参考。

此外，绕标定磁铁1的Z轴旋转标定磁铁1，对调X、Y轴方向重新做标定检测，如果测到的标定参数与旋转对调前测的一致，可以确认标定用的霍尔探头没有问题，否则证明标定用的霍尔探头存在矢量误差，应先校准霍尔探头后，再做标定磁铁1的标定。

而对霍尔探头本体进行校准时，可首先在三轴平移驱动机构的驱动下，驱动霍尔探头的检测面平行贴合于标定后的标定磁铁1的基准面上；随后，三轴平移驱动机构驱动霍尔探头在相交于标定磁铁1顶面中心位置的互相垂直的X、Y两条轴上采集多点磁场数据，利用标定磁铁1中心位置垂直于基准面的磁场强度最大的特点，通过霍尔探头采集到的两条轴的磁场数据最大值是否在交点上，来判断霍尔探头的霍尔传感器半导体平面是否与标定磁铁1的基准面平行；如果两条轴的磁场数据最大值不在交点上，就说明霍尔探头的霍尔传感器半导体平面与标定磁铁1的基准面不平行，即霍尔传感器半导体平面存在倾角，可以调整霍尔探头的安装角度后，再重新检测，当两条轴的磁场数据最大值在交点上时，即完成霍尔探头的矢量方向校准，随后，再设置霍尔探头的校准系数将检测到的最大值与标定磁铁1在校准点位置的标定值对标就完成了霍尔探头的校准，采用这样的方式，不仅校准了数值，也校准了霍尔探头矢量方向。

还提供一种转子表磁检测设备的校准方法，包括上述的校准系统，具体包括如下步骤：

S1：驱动霍尔探头移动至探头标定件的校准位置处，对霍尔探头的安装位置及霍尔探头本体分别进行校准。

在表磁检测设备投入生产检测之前，需要先将霍尔探头，移动至处于固定位置的探头标定件（探头标定件的标定磁铁1通过权威检测机构，标定了其表面具体位置的磁场强度数据）的标定点（标定磁铁1顶面中心点）处，将霍尔探头采集的与该点的磁场强度标定值进行比对，如果一致，即可确认设备的探头位置准确，如果出现超过正常误差的偏差，则判断为设备参数发生改变，包括位置控制参数和探头校准参数，都需要重新校准。

对于霍尔探头安装位置校准，具体包括：

驱动霍尔探头采集探头标定件用于校准的基准面上各个检测点的磁场数据；

将霍尔探头采集的各个检测点的磁场数据，与各个检测点所对应的标准磁场数据一一对应比较；

找出磁场数据与标准磁场数据一致所对应的检测点的位置；

将霍尔探头的坐标校准至磁场数据与标准磁场数据一致所对应的检测点的位置上。

即将霍尔探头在标定磁铁1的标定点附近移动，采集多点数据，与该位置点的标定磁场强度数据做比较，找出读数一致的点位置，再将霍尔探头位置坐标，校准到标定磁铁1的对应点坐标上，即可完成霍尔探头的位置校准。

而对于霍尔探头本体校准具体包括：

对探头标定件进行标定（对探头标定件进行标定，首先通过移动霍尔探头，获取探头标定件用于校准的基准面上所有检测点的磁场数据，随后从获取的检测点的磁场数据中，选取磁场数据的最大值作为探头标定件的标定值，磁场数据的最大值所对应在探头标定件用于校准的基准面上的检测点，为标定点）；

将霍尔探头的检测面平行贴合于标定后的探头标定件用于校准的基准面上；

驱动霍尔探头分别沿两组轴线移动，以采集轴线上各个检测点的磁场数据，其中，两组轴线相互垂直设置并相交于探头标定件用于校准的基准面的中心；

判断两组轴线上磁场数据的最大值所对应的检测点，是否位于两组轴线的交点上，若不是，则说明霍尔探头内的霍尔传感器半导体平面，与探头标定件用于校准的基准面彼此不平行，则调整霍尔探头的安装角度，重复上述步骤再次进行校准，在使得获取的两组轴线上磁场数据的最大值所对应的检测点，位于两组轴线的交点时，记录调整霍尔探头所需要的角度；

基于霍尔探头检测得到的磁场数据的最大值，与探头标定件在校准基准面上中心点的标定值，获取探头校准系数。

霍尔探头本体校准的具体实现方式的更详细的阐述，在上一实施例中已经说明，再次不再赘述。

S2：驱动霍尔探头移动至标准样件处，采集标准样件各个检测点的表磁数据；

S3：基于S2获取的标准样件各个检测点的表磁数据，与标准样件各个检测点的标定数据，获取标准样件每个检测点对应的校准系数。

在上两个步骤中，可预先将生产样件交给权威检测结构，标定其工作表面的多点磁场强度数据，作为标准样件和标定数据集；随后对标准样件进行一次检测，采集到标准样件各检测点的表磁数据集，与该标准样件的标定数据集进行一一校准，即为每个检测点设置对应的校准系数，将实测数据校准至与标定值相等的值，其中，标准样件每个检测点对应的校准系数=检测点的标定数据/检测点的实测的表磁数据。

S4：基于每个检测点的校准系数，对霍尔探头在实际检测时，得到的每个检测点的表磁数据进行对应校准。

在正常生产检测时，转子表面各检测点的检测结果数据值=该检测点的实测磁场数据值乘以该检测点的校准系数。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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 (4)

1.一种转子表磁检测设备的校准方法，基于转子表磁检测设备的校准系统，所述转子表磁检测设备的校准系统包括

三轴平移驱动机构，所述三轴平移驱动机构驱动连接一检测用的霍尔探头，三轴平移驱动机构至少用于驱动霍尔探头沿X轴、Y轴做平移运动和沿Z轴做升降运动；

旋转驱动机构，所述旋转驱动机构至少用于驱动待测转子转动；

探头标定件，所述探头标定件包括标定磁铁；所述标定磁铁呈正方体构造，且标定磁铁的底面开设有第一通孔；所述第一通孔内安装有磁钢和导磁体，所述导磁体的下部布置于磁钢上，且导磁体的上部呈圆锥构造；所述导磁体上部的圆锥顶点与标定磁铁的顶面平齐；

所述第一通孔沿垂直标定磁铁的底面的方向开设，且所述第一通孔的下部呈圆柱形构造，第一通孔的上部呈圆锥构造；所述磁钢与导磁体的下部均呈与第一通孔相匹配的圆柱形构造，磁钢与导磁体同轴安装于第一通孔内；所述磁钢在其轴向上均匀充磁，所述磁钢的直径与导磁体下部的圆柱形直径相同；所述导磁体上部的圆锥顶点位于导磁体下部的圆柱形的轴心线上，其特征在于，包括如下步骤：

S1：驱动霍尔探头移动至探头标定件的校准位置处，对霍尔探头的安装位置及霍尔探头本体分别进行校准；

S2：驱动霍尔探头移动至标准样件处，采集标准样件各个检测点的表磁数据；

S3：基于S2获取的标准样件各个检测点的表磁数据，与标准样件各个检测点的标定数据，获取标准样件每个检测点对应的校准系数；

S4：基于每个检测点的校准系数，对霍尔探头在实际检测时，得到的每个检测点的表磁数据进行对应校准；

所述S1中，对霍尔探头本体进行校准的方法，具体包括如下步骤：

对探头标定件进行标定；

将霍尔探头的检测面平行贴合于标定后的探头标定件用于校准的基准面上；

驱动霍尔探头分别沿两组轴线移动，以采集轴线上各个检测点的磁场数据，其中，两组轴线相互垂直设置并相交于探头标定件用于校准的基准面的中心；

判断两组轴线上磁场数据的最大值所对应的检测点，是否位于两组轴线的交点上，若不是，则说明霍尔探头内的霍尔传感器半导体平面，与探头标定件用于校准的基准面彼此不平行，则调整霍尔探头的安装角度，重复上述步骤再次进行校准，在使得获取的两组轴线上磁场数据的最大值所对应的检测点，位于两组轴线的交点时，记录调整霍尔探头所需要的角度；

基于霍尔探头检测得到的磁场数据的最大值，与探头标定件在校准基准面上中心点的标定值，获取探头校准系数。

2.根据权利要求1所述的转子表磁检测设备的校准方法，其特征在于，所述的对探头标定件进行标定，具体包括如下步骤：

通过移动霍尔探头，获取探头标定件用于校准的基准面上所有检测点的磁场数据；

从获取的检测点的磁场数据中，选取磁场数据的最大值作为探头标定件的标定值，磁场数据的最大值所对应在探头标定件用于校准的基准面上的检测点，为标定点。

3.根据权利要求2所述的转子表磁检测设备的校准方法，其特征在于，所述S1中，对霍尔探头的安装位置进行校准，具体包括如下步骤：

驱动霍尔探头采集探头标定件用于校准的基准面上各个检测点的磁场数据；

将霍尔探头采集的各个检测点的磁场数据，与各个检测点所对应的标准磁场数据一一对应比较；

找出磁场数据与标准磁场数据一致所对应的检测点的位置；

将霍尔探头的坐标校准至磁场数据与标准磁场数据一致所对应的检测点的位置上。

4.根据权利要求1所述的转子表磁检测设备的校准方法，其特征在于，所述S3中，标准样件每个检测点对应的校准系数=检测点的标定数据/检测点的实测的表磁数据。