CN1714293A - 速度检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用来检测目标对象速度的方法和装置，其中的目标对象通过一对沿目标对象(16)运动方向分开预定距离L的传感器单元(12)。目标对象(16)上的一个或多个特征在经过第一传感器单元(12A)时会产生信号(x₁)，目标对象(16)同一特征在经过第二传感器单元(12B)时会产生第二信号(x₂)。信号处理器(18)用来确定信号(x₁)、信号(x₂)以及相关延时(τ₀)之间的数学关系。信号处理器(18)根据预定距离(L)与延时(τ₀)之间的比值计算出目标对象(16)的速度。

Description

速度检测方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求申请日为2002年10月11日的美国临时专利申请60/417,839的优先权。

技术领域

本发明总的来讲涉及一种用来监测移动物体如轴、杆速度的速度传感器，本发明特别涉及一种改进的速度检测系统，该系统利用了一对传感器和一个信号处理器，其中传感器用来检测移动物体上的随机目标，信号处理器用来测量目标检测信号之间的相移，该相移与目标的速度成正比。

背景技术

速度检测在在监测控制机器工作中发挥着重要的作用。因此精确而可靠的速度传感器非常关键。这些年来已开发出许多速度检测技术和设备，例如机械式计速仪、电子机械式速度传感器、磁性速度传感器以及光学速度传感器就是其中的几例。大多数常用的速度检测系统通常包括一个传感器、一个电子控制单元以及一个目标，系统对目标相对于传感器的速度进行测量。

根据所测速度的类型，即是线速度还是角速度，以及所采用传感器技术的不同，可采用多种方式来构成目标，同时这些目标也可具有不同的形式。按照惯例，速度检测目标是由标记条和齿轮制成，或者由多极磁条以及磁环制成，亦或是由直线或成角度的条形编码器(linearand angular bar-encoder)制成。当目标相对于传感器移动时，常规传感器的输出信号采用序列脉冲的形式，其中脉冲频率与目标轮的速度成正比。

这些常规的速度检测系统的分辨率或准确度主要取决于以下因素，齿形目标各齿之间的间距、磁性目标中磁极的间距以及条形编码器中条的间距的准确度。因此，对于精确的系统来说，目标的间距优选具有很高的准确度。

然而，目标的制造成本也与目标间距的准确度要求成正比，制造直径很大的角形目标轮(angular target wheel)或者很长的直线目标同时又要求很高的间距精度，这经常是不经济的。因此，最好引入这样一种速度检测系统，其即能使速度测量保持很高的准确度，同时又不需要制造使用精密的速度检测目标。

发明内容

简单地说，本发明提出了一种速度检测系统，其包括一对检测元件，其在一定方向上彼此分开，并与一个被测速移动物体的表面相邻。具有随机结构特征的一个目标布置在该表面上或该表面下，其通过被测速物体的移动按一定方向移过该对检测元件。该对检测元件沿着物体的移动方向按一定方向分开预定的距离。将目标通过时产生的、来自该对检测元件的信号传送到信号处理器。该信号处理器用来确定所产生信号之间的相移，该相移与目标通过该对传感器时的速度成反比。

本发明的一种测量目标速度的方法包括：在第一点观测所述目标的多个结构特征；产生表示所述第一点处的所述观测结果的第一信号；在第二点观测所述目标的多个随机特征，其中的第二点沿所述目标的运动方向从所述第一点移开；产生表示所述第二点处的所述观测结果的第二信号；计算出所述第一信号和第二信号之间的相移，所述相移与所述目标的速度成反比。

结合附图参考以下的说明，本发明的其它目的、特征和优点以及本发明的优选实施例将会更加清楚。

附图说明

作为说明书的一部分，其中的附图包括：

图1A为本发明速度检测系统一实施例在检测线性移动对象时的简化示意图；

图1B为图1A中速度检测系统在检测转动对象时的透视图；

图2A所示为从本发明一对相邻速度传感器单元采样得到的涡流传感器信号的曲线图；

图2B所示为图2A中所示的两信号之间的互相关函数；

图3A所示为第一速度传感器相对于目标对象运动方向的结构配置；

图3B所示为第二速度传感器相对于目标对象运动方向的结构配置；

图3C所示为第三速度传感器相对于目标对象运动方向的结构配置；

图4所示为本发明速度传感器系统在采用一对涡流传感器和一无齿目标轮时的角速度测量结果与常规的可变磁阻(VR)速度传感器系统测量的结果的对比情况。

在不同附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

下面的说明以举例而非限定的形式来对本发明进行说明。该说明采用目前最佳的方式来描述本发明的各个实施例、修改形式、变形以及替换形式从而使本领域的技术人员据此能够实施并使用本发明。

参见图1A和1B，图中所示为本发明速度检测系统10的基本部件。一对速度传感器单元12A和12B彼此分开并靠近移动对象16的无齿目标表面14，例如图1B所示的轴承座圈的外周面。作为优选，速度传感器单元12A和12B彼此分开，并且两单元中心之间保持预定的距离L，同时如图1A中的箭头所示，两单元以目标表面14的运动方向对齐。传感器单元12A和12B可操作地连接到信号处理单元18上。作为优选，如图1A所示，传感器单元12A和12B可通过导线20直接连接到信号处理单元18上，从而分别将来自传感器单元12A和12B的信号x₁和x₂传送到信号处理单元18。然而，本领域的技术人员都知道可用各种部件来将传感器单元12A和12B连接到信号处理单元18上，这包括无线传送元件。

本发明的工作原理基于速度检测系统10中传感器单元12A和12B之信号x₁和x₂的产生和两者之间数学关系的分析。通过检测两信号x₁和x₂对应点之间的相移，就能确定出延时。信号的相变仅与运动的速度相关，运动的速度可根据传感器单元12A和12B之间距离L与所确定出的延时之间的比值计算出来。

为了更加准确，最好采用随机信号，优选每个随机信号都具有高频成分。因此，采用其上带有随机或接近随机形状特性(粗糙)的目标表面14为目标以产生随机变化的信号。采用特定类型的传感器单元12A和12B，如涡流传感器，表层之下材料特性的变化将会增加信号x₁和x₂的随机性。

第一传感器单元12A以及第二传感器单元12B对目标表面14的表面和/或亚表面(subsurface)的结构相当敏感，并且每个传感器单元12A和12B在经过目标表面14上同一表面结构或亚表面结构时会产生相同的信号或基本相似的信号。作为选择，传感器单元12可包括有对目标表面14上光度变化敏感的光学传感器。

当目标表面14相对于速度检测系统10移动时，第一传感器单元12A和第二传感器单元12B以相同的采样频率f产生例如图2A所示的信号，其中采用的频率f高于信号变化率，从而在目标速度达到最大时也能使速度检测系统10分辨高频表面特征。

总的来讲，第一传感器单元12A所产生的第一信号x₁＝[x₁₁，x₁₂，x₁₃…x_1j…，x_1n]与第二传感器单元12B所产生的第二信号x₂＝[x₂₁，x₂₂，x₂₃…x_2j…，x_2n]之间的关系对应于目标表面14上的表面或亚表面特征的通过，其中n表示采样大小(一个采样中的数据点数)。这里第一信号x₁和第二信号x₂之间的延时τ₀＝m/f，其中m表示相变数据点(shifteddata points)的数目。信号的相变方向对应于目标表面14相对于传感器单元12A和12B的运动方向。

由此，信号x₁和信号x₂之间的互相关函数可表示为：

y(τ)＝∫x₁(t+τ)·x₂(t)dt                         公式(1)

其中当τ＝τ₀时，上述函数达到最大值。

求取信号x₁和信号x₂之间函数的最大τ₀值，就能确定出延时τ₀，即：

τ₀＝ψ(y_max)                                      公式(2)

其中ψ为公式(1)中互相关函数y(τ)的反函数。

在操作过程中，信号处理单元18接收并处理信号x₁和x₂。输入信号x₁和x₂的最初处理去除了其中的直流(DC)部分，从而形成一对如图2A所示的零平均值的信号。信号处理单元18优选采用快速傅里叶转换(FFT)方法快速计算，对两个信号进一步进行互相关分析。接着，信号处理单元18计算出公式(1)中互相关函数y(τ)的最大值，从而确定出两个信号之间的延时τ₀。最后，信号处理单元18按照下面的公式计算出目标表面14经过传感器单元12A和12B时的运动速度v

$\mathrm{\υ}=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}$ 公式(3)

作为选择，信号处理单元18可将计算的速度v相对于时间进行积分，从而计算出目标表面14的相对位置。

回到图2A，图中所示信号x₁和x₂表示来自一对彼此独立的涡流速度传感器单元12A和12B的信号。这一对传感器单元沿旋转目标表面14运动周向分开0.788英寸，参见图1B。当采样速率大约为48kHz时，目标表面14转一圈所形成的样本大小为3700个数据点。在图2A所示曲线中，水平轴表示采样序列，纵轴为信号的强度，以电压表示。如图2B所示，信号x₁和x₂之间的互相关函数关系表示最大值在数据点4036处，该点对应336个数据点的相移(4036-3700＝336)。第一信号x₁和第二信号x₂之间的延时τ₀＝336/48000＝0.007秒。目标表面14的表面速度v＝0.778/0.007＝112.6英寸/秒。运动的方向由相移的方向确定。

根据所选择的传感器技术，可采用现代ASIC制造工艺将信号处理单元18与传感器单元12A和12B集成为一个图1B所示的具有数字信号处理(DSP)计算能力的单元20。

为了在不太理想的安装和使用条件下，确保两信号x₁和x₂之间的良好相关性，可选择使用速度传感器单元12的差分检测组合。此时，一个传感器组合可包含两个以上的速度传感器单元12。将包括差分检测组合的速度传感器单元12中每一个单元的信号进行对比，能够去除或删去所有12中共有的信号成分，如速度检测单元现场的噪声或干扰。这些共有的信号成分通常不会带有与信号相移有关的信息。

图3A到3C展示了三种差分检测组合以及相关速度传感器单元12相对于目标表面14运动方向的位置关系。在图3A中，第一传感器组合100包含四个速度传感器单元12A-12D，其分别布置在矩形的四个角上从而形成两个差分检测对。第一个差分检测对由速度传感器单元12A和12C组成，第二个差分检测对由速度传感器单元12B和12D组成。在第一差分检测对中，速度传感器单元12A和12C沿运动方向垂直方向的中心距离为W。在第二差分检测对中，速度传感器单元12B和12D在与运动方向垂直的方向上的中心距离同样为W。差分检测对之间在运动方向上的距离为L。

图3B所示为检测系统200的另一个布置形式，其中差分检测对12A、12C与12B、12D布置在平行四边形的四个角上，即速度传感器单元12A和12C的中心线以及速度传感器单元12B和12D的中心线并不垂直于速度传感器单元12A和12B的中心线。速度传感器单元12A、12C与速度传感器单元12A、12B之间的夹角α等于速度传感器单元12B、12D与速度传感器单元12A、12B之间的夹角β，即α＝β。因此速度传感器单元12A-12D形成了一个平行四边形，其有两个侧边平行于目标表面14的运动方向。通常来讲，α和β均可从0到360度变化。

图3C所示为检测系统300的另一种布置形式，类似于图3A，只是其中第一对差分检测单元12A、12C和第二对差分检测单元12B、12D布置在两个不同的传感器壳体中，由此所分开的距离L’＞L。如图3A所示，传感器单元12A和12B中心之间的中心线以目标表面14的运动方向对齐。与之相应，连接传感器元件12C和12D中心的中心线也以目标表面14的运动方向基本对齐。连接第一对差分检测单元12A、12C中心的中心线平行于连接第二对差分检测单元12B、12D中心的中心线，并基本垂直于目标表面14的运动方向。

本发明并不限于任何特定类型的速度传感器单元。然而，速度传感器单元12优选为涡流式传感器，其能由目标表面14的形状特征和目标对象16中亚表层材料特性的变化感应形成信号变化。这样检测系统不仅能用于粗糙的目标表面14，还能用于光滑的目标表面14，其中在光滑目标表面14的情况下，信号变化主要来自于亚表层材料特性的变化而不是表面形状特征。

图4的曲线表示的是在采用一对涡流速度传感器单元12A、12B和无齿目标对象16来测量角速度时本发明速度检测系统10的有效性和技术。图4的曲线绘出了用本发明速度检测系统10所测的目标对象16的角速度与用常规可变磁阻(VR)速度传感器系统所测目标对象16的角速度的对比情况，显示出两种传感器系统非常接近的相关性。

应该明白，本发明的速度检测系统10和技术可用于多种情况下，例如适用于轴承，特别是目标表面为轴承密封的轴承。

综上所述，可以看到本发明实现了上述目的，并获得了其它一些优点。在本发明范围之内还可以有其它的结构变化，说明书和附图中所包括的内容均是示例性的，不起限定作用。

Claims (21)

1、一种用来测量目标对象速度的速度检测系统，其包括：

第一速度传感器单元，其可操作地与所述目标对象的表面相邻布置，所述第一速度传感器单元被设置为能响应所述目标对象至少一个特征的经过而产生一个第一信号；

第二速度传感器单元，其可操作地与所述目标对象的表面相邻布置，并且基本上沿着目标对象的运动方向从所述第一速度传感器单元移开预定的距离，所述第二速度传感器单元被设置为能响应所述目标对象的所述至少一个特征的经过而产生一个第二信号；

一信号处理器，其用来接收所述第一和第二信号，所述信号处理器还可用来确定所述产生的信号之间的相移，所述相移与所述目标对象的速度成反比。

2、如权利要求1所述的速度检测系统，其进一步包括：

第三速度传感器单元，其可操作地与所述目标对象的表面相邻布置，所述第三速度传感器单元被设置为能响应所述目标对象至少一个特征的经过而产生一个第三信号；

第四速度传感器单元，其可操作地与所述目标对象的表面相邻布置，并且基本上沿着目标对象的运动方向从所述第三速度传感器单元移开预定的距离，所述第四速度传感器单元被设置为能响应所述目标对象的所述至少一个特征的经过而产生一个第四信号；

其中所述信号处理器还可用来接收所述第三和第四信号，并利用所述第三和第四信号来去除所述第一、第二、第三和第四信号中的共有成分。

3、如权利要求2所述的速度检测系统，其中所述信号处理器进一步用来提供第一和第三信号之间以及第二和第四信号之间的差分信号，并且所述信号处理器进一步用来确定所述第三和第四生成信号之间的相移，所述相移与所述目标对象的速度成反比。

4、如权利要求2所述的速度检测系统，其中所述第一和第三速度检测单元形成第一差分检测对；

其中所述第二和第四速度检测单元形成第二差分检测对；以及

其中所述第一和第二差分检测对平行所述目标对象的运动方向分开预定的距离。

5、如权利要求1所述的速度检测系统，其中所述第一和第二速度检测单元为涡流传感器。

6、如权利要求1所述的速度检测系统，其中所述第一和第二检测单元为光学传感器。

7、如权利要求1所述的速度检测系统，其中所述信号处理器用来处理所述的生成信号，并使所述的生成信号的平均值为零。

8、如权利要求1所述的速度检测系统，其中所述信号处理器用来确定所述生成信号之间的互相关函数关系，所述互相关函数关系为：

y(τ)＝∫x₁(t+τ)·x₂(t)dt

其中x₁为所述第一生成信号；

x₂为所述第二生成信号；

t为信号时间；以及

τ为所述生成信号之间的延时。

9、如权利要求8所述的速度检测系统，其中所述相移与所述互相关函数的最大值相关；并且其中所述信号处理器进一步用来确定所述互相关函数的最大值；

其中所述目标对象的速度v由下式确定：

$\mathrm{\υ}=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}$

其中L为所述的预定距离；以及

τ₀为对应于所述互相关函数所确定的最大值的延时。

10、如权利要求1所述的速度检测系统，其中所述第一速度传感器单元和所述第二速度传感器单元布置在一共用的壳体中。

11、如权利要求1所述的速度检测系统，其中所述至少一个目标特征为目标对象的随机表面特征。

12、如权利要求1所述的速度检测系统，其中所述至少一个目标特征为目标对象的随机亚表层特征。

13、如权利要求1所述的速度检测系统，其中所述第一和第二速度检测单元的每一个都具有相同的采样率；并且

其中所述相同的采样率基本上大于所述第一和第二速度检测单元的信号变化率。

14、一种对目标对象进行速度测量的方法，其包括以下步骤：

在第一点观测目标对象至少一个特征的通过；

响应所述至少一个特征通过所述的第一点而产生第一信号；

在第二点观测所述目标对象所述至少一个特征的通过，其中的第二点沿所述目标对象的运动方向从所述第一点移开预定距离；

响应所述至少一个特征通过所述的第二点而产生第二信号；

计算出所述第一信号和第二信号之间的相移，所述相移与所述目标对象的速度成反比。

15、如权利要求14所述的用来测量对象速度的方法，其中所述相移与所述第一和第二生成信号之间的互相关函数的最大值相关，并且其中所述计算步骤进一步包括计算所述第一和第二生成信号之间所述互相关函数的所述最大值的步骤，所述互相关函数为：

y(τ)＝∫x₁(t+τ)·x₂(t)dt

其中x₁为所述第一生成信号；

x₂为所述第二生成信号；

t为信号时间；以及

τ为所述生成信号之间的延时。

16、如权利要求15所述的用来测量对象速度的方法，其进一步包括根据下式确定所述目标对象的速度v的步骤：

$\mathrm{\υ}=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}$

其中L为所述的预定距离；以及

τ₀为对应于所述互相关函数所确定的最大值的延时。

17、如权利要求14所述的用来测量对象速度的方法，其进一步包括：

在一附加点处观察目标对象一附加特征的通过；

响应所述附加特征通过所述第三点而产生至少一个附加信号；

用所述的至少一个附加信号来去除每个所述生成信号中的共有成分。

18、一种确定目标对象相对位置的方法，其包括以下步骤：

在第一点观测目标对象至少一个特征的通过；

响应所述至少一个特征通过所述第一点而产生第一信号；

在第二点观测所述目标对象所述至少一个特征的通过，其中第二点沿所述目标对象的运动方向与所述第一点分开预定距离；

响应所述至少一个特征通过所述的第二点而产生第二信号；

计算出所述目标对象的速度，所述计算出的速度与所述第一信号和第二信号之间的相移成反比；以及

由所述计算出的速度确定目标对象的相对位置。

19、如权利要求18所述的用来确定目标对象相对位置的方法，其中所述确定步骤包括将所述计算出的速度相对于时间积分。

20、如权利要求18所述的用来确定目标对象相对位置的方法，其中所述相移与所述第一和第二生成信号之间互相关函数的最大值相关，并且其中所述计算步骤进一步包括计算所述第一和第二生成信号之间所述互相关函数的所述最大值的步骤，所述互相关函数为：

y(τ)＝∫x₁(t+τ)·x₂(t)dt

其中x₁为所述第一生成信号；

x₂为所述第二生成信号；

t为信号时间；以及

τ为所述生成信号之间的延时。

21、如权利要求20所述的用来确定目标对象相对位置的方法，其进一步包括根据下式确定所述目标对象的速度v：

$\mathrm{\υ}=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}$

其中L为所述的预定距离；以及

τ₀为对应于所述互相关函数所确定的最大值的延时。

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