專利名稱：用于測量軸的對準(zhǔn)誤差的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量兩軸的共線性的系統(tǒng)、方法和布置。
背景技術(shù)：
目前對于在線(即，在操作期間)測量兩軸耦合的對準(zhǔn)度存在大的需 求。通過使軸朝向共線的方向(與軸的對稱方向相一致)，實現(xiàn)了當(dāng)電機 通過軸與軸的耦合而驅(qū)動泵時的較少的能量損失，并且還4吏得軸、耦合和 電機上的磨損最小化。目前，在軸靜止時利用基于激光的系統(tǒng)來完成測量 和后續(xù)的定向。然而，已知在操作期間的軸的共線性由于負(fù)載和溫度的變
化而與當(dāng)該軸處于靜止時的狀況不相同。同樣地，在^Mt期間，定向隨時 間而變化。因此，在許多不同的工業(yè)分支領(lǐng)域中存在對于對軸與軸的耦合 的在線測量的很大的興趣，以使與在操作期間的狀況相一致的定向成為可 能。
具有高達150x:的軸耦合中的溫度的工業(yè)中的環(huán)境方面以及臟的環(huán) 境要求使用可以處理這些要求的傳感器系統(tǒng)。目前磁傳感器例如在汽車工 業(yè)中得到普及，在汽車工業(yè)中可以發(fā)現(xiàn)這種環(huán)境。
GB2360596和GB2321969處理軸定向布置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于用于測量軸耦合的定向誤差的魯棒性的磁性方法。
相應(yīng)的，獲得一種用于通過包括傳感器和磁體的雙軸正交磁傳感器系 統(tǒng)來測量設(shè)置有第 一和第二耦合部分的兩軸對準(zhǔn)誤差的系統(tǒng)。所述傳感器 設(shè)計為放置在第一耦合部分上，它的一個感測方向朝向所U體的一個磁 化方向。磁體設(shè)計為放置在另一個耦合部分，并被設(shè)計成用于在軸的旋轉(zhuǎn) 期間在線^目互獨立地讀出角度誤差和偏移誤差(offseterror)的裝置。 此外，系統(tǒng)包括基準(zhǔn)傳感器，用于確定所述角度誤差和偏移誤差相對于已 知方向的定向。本發(fā)明還涉及雙軸正交磁傳感器系統(tǒng)，它包括用于如上述系統(tǒng)的傳感 器和磁體。
本發(fā)明還涉及用于如上述系統(tǒng)的基準(zhǔn)傳感器。
本發(fā)明還涉及通過如上所述的系統(tǒng)測量耦合體之間相對平行的距離 變化的方法，其特征在于研究工作點的變化，工作點是由軸旋轉(zhuǎn)獲得的場 變4t的平均值。


就幾個示于附圖中的非限制性的實施例對本發(fā)明說明如下，其中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的軸測量布置的實施例，
圖2示出了磁場如何隨著多誠體的距離而變化的典型表現(xiàn)，
圖3示出了來自感測方向1的信號的峰《%值如何隨著角度誤差絕對值而變 化的典型表現(xiàn)，
圖4示出了本發(fā)明的偏移誤差和傳感器系統(tǒng)，
圖5示出了來自感測方向2的信號的峰J^值如何隨著偏移誤差絕對值而變 化的典型表現(xiàn)。
具體實施例方式
軸耦合的定向誤差可以分成角度誤差和偏移誤差。我們現(xiàn)在將說明各 種情況并說明如何能相互獨立地測量這些誤差。也可以發(fā)生軸的軸移位， 并且用本發(fā)明的方法也可以測量軸的軸移位。
本方法基于在耦合體(coupling)中的一個上放置永久磁體(例如， 為了獲得足夠強的磁場，由NdFeB合金制成)，并在另一個耦合體上放置 雙軸(在兩個正交方向上測量磁場)磁傳感器。選擇磁體尺寸使得一方面 獲得足夠強的磁場，另 一方面還在放置磁傳感器系統(tǒng)的位置獲得足夠強的 磁場梯度。磁體的磁化方向?qū)⒅赶蛞粋€耦合體。磁傳感器系統(tǒng)的一個感測 方向?qū)⒅赶?gt;^體的磁化方向，并且另一個感測方向?qū)⒊蚝土?一個感測方 向相正交的方向。帶有角度誤差Cj)的軸耦合可見于圖1，圖1示出了帶有對應(yīng)的耦合單
元lla和lib的兩軸10a和10b。耦合單元lla設(shè)置有磁體12，耦合單元 lib設(shè)置有磁傳感器13。軸距r是從軸的中心到磁體12和磁傳感器13的 距離。圖中示出了產(chǎn)生磁體和磁傳感器之間的最;U巨離的角度誤差，磁傳 感器指向豎直向上。距離Li和L2是磁體和磁傳感器之間的最大和最小距 離。當(dāng)耦合體旋轉(zhuǎn)時，磁體和磁傳感器之間的距離將作振蕩運動，《 ^^值 為LrL2。角JL誤差給出如下
<formula>formula see original document page 7</formula> (1)
對于小角度誤差(當(dāng)^《1時)，角度誤差給出如下
<formula>formula see original document page 7</formula> (2)
圖2示出了對于耦合中使用的磁體，磁場如何隨著距磁體的距離而變化。 永久磁體和傳感器之間的距離的微小位置變化將會產(chǎn)生場的變化，場的變 化取決于位置和梯度(如下所述，磁場相對于距離曲線的傾斜)的變化幅 度。
在耦合體旋轉(zhuǎn)當(dāng)中發(fā)生在我們的測量布置中最大的距離變化為 L廣L"這對應(yīng)于具有最小值Bmin或者最大值Bmax的磁場。場變化Bmax-Bmin 是出現(xiàn)角度誤差時耦合體旋轉(zhuǎn)當(dāng)中振蕩磁場值的J^^值Btu。由于耦合體 旋轉(zhuǎn)當(dāng)中位置變化微小(也即是說，梯度恒定)，Bta可以寫成(考慮到磁 傳感器也隨著等于角度誤差的角度扭轉(zhuǎn))
<formula>formula see original document page 7</formula> (3 )
其中朋/況是工作點的梯度。如果考慮到我們有微小的角度誤差的事實，
即當(dāng)^ 1時，sin(^/2)cos(" >/2，我們得到因此對于小角度誤差來說，磁場振蕩的J^^值與角度場的絕對值成線性， 在大多數(shù)角度誤差中是如此。如果角度誤差比較大(也就是說，不滿足^
1)，只能使用完整的表達式求角度變化(方程2.3)，或者，如果角度誤 差很大(并且梯度不是一個常數(shù))，使用該結(jié)果求場如何to巨離變化，然 后再計算角度誤差(也就是說，使用圖2的結(jié)果)。
在這些軸耦合布置當(dāng)中獲得的所有用于相對大的誤差的測量結(jié)果證 實Bw關(guān)于角度誤差成線性。
從典型的線性磁傳感器(例如，從帶有電壓測量的集成霍爾傳感器) 獲得關(guān)于磁場成線性的輸出電壓。由于磁體和磁傳感器之間的距離在耦合 體旋轉(zhuǎn)當(dāng)中將以正弦(或者余弦)表達式振蕩，并且距離變化不太大，我 們將vyjt傳感器獲得對于電壓信號的振蕩表達式
其中6是旋轉(zhuǎn)角度，(Xi是相位，V。m是輸出信號的偏移(其取決于磁體 和磁傳感器之間的工作距離)，V^是電壓"^值。將上述方程擬合到旋 轉(zhuǎn)當(dāng)中測量的數(shù)據(jù)給出^lt Vttl、 Od和V。ff!的值。從與參考信號相關(guān)的 相位(例如，^速度計或者被布置為與磁傳感器系統(tǒng)相連接的另一個基 準(zhǔn)傳感器系統(tǒng))，可以將角度誤差分成分量。(水平和垂直誤差)。從V禮， 可以確定耦合體之間的任何距離偏移，這種偏移將產(chǎn)生工作距離上的變 化。因而使用V。m可以補償工作距離上的這些變化，這意味著也可以用 這種方法檢測兩^合體之間位置上的任何相對變化。
因為磁場可以轉(zhuǎn)換成對于磁傳感器的電壓值，所以磁場的峰峰值就可 以轉(zhuǎn)換成來自磁傳感器的輸出電壓的"^^值
r",一+^ (6) 這一點示意性地示出在圖3中。
校準(zhǔn)常數(shù)Id如方程2.4包含梯度和耦合體半徑的值。校準(zhǔn)常數(shù)幾乎 不取決于偏移。已經(jīng)測量了這個分量并且發(fā)現(xiàn)對于大多數(shù)耦合體應(yīng)用中發(fā)生的偏移可以忽略這個分量。v1((用于獲得良好的校準(zhǔn)線并且通常相當(dāng)接
近于零。為校準(zhǔn)系統(tǒng)的角度誤差，因此至少需要兩個數(shù)據(jù)點，至少一個小 的和一個較大的角度誤差。在校準(zhǔn)階段數(shù)個數(shù)據(jù)點提供更精確的校準(zhǔn)。優(yōu) 選地，那么應(yīng)該選擇小、中和大的角度誤差。
耦合體的偏移誤差以及傳感器系統(tǒng)如何定位可見于圖4中。圖4示出 了帶有相應(yīng)的耦合單元41a和41b的兩軸40中的一個。耦合單元41a i殳 置有磁體42a和42b，并且耦合單元41b設(shè)置有>^傳感器43a和43b。
給定偏移誤差并且給定耦合體的旋轉(zhuǎn)，磁傳感器將在磁體上方旋轉(zhuǎn)。 磁體可以鎖定在固定坐標(biāo)系中。偏移可視為在>^體中心和磁t傳感器系統(tǒng)之
間旋轉(zhuǎn)的平面內(nèi)的作為結(jié)果的位置偏移。如果4吏用感測方向沿徑向(如圖 4所示)的磁傳感器(感測方向沿徑向以最小化擺動(play)對耦合體的 影響)，這個感測方向?qū)⒀刂诖朋w平面內(nèi)定向的磁力線投射。這種感測 方向的投射和振蕩將必然伴隨自磁傳感器的振蕩信號。在這樣的旋轉(zhuǎn)平面 中定向的磁場值取決于偏移程度。這將意味著對于沿徑向定向的磁傳感器 而言傳感器的峰>%值(圖4中，對于感測方向2)將取決于偏移程度。圖 中箭頭表明磁傳感器的感測方向2。圖中下部示出了當(dāng)耦合體旋轉(zhuǎn)半周時 磁體和磁傳感器系統(tǒng)如何相對于彼此定位。在耦合體旋轉(zhuǎn)當(dāng)中獲得和對于 角度誤差的振蕩相似的振蕩信號圖案，但這種情況下獲得圍繞零信號的信 號振蕩(對于精確中心定位、偏移是0的磁體/磁傳感器系統(tǒng))。如前述過 程，在偏移誤差中使用相同類型的信號處理(看角度誤差的說明)。
磁場J^r值可以寫成
W (7)
其中S是偏移值，Ks是偏移的校準(zhǔn)系數(shù)。
在耦合體旋轉(zhuǎn)當(dāng)中，獲得正弦信號(與對于角度誤差相同的方式)， 它可以寫成具有對應(yīng)的輸出信號的J^r值Vtt2,相對相位角OC 2以及恒定的偏移擬合參
數(shù)V。ff2。如同前述角度誤差情況一樣，這個對于偏移的峰J^值可以寫成
r 2=M + r2Q (9) 圖5示意性地示出了這一點。
正如同角度誤差一樣，偏移誤差結(jié)果必須4吏用至少兩個數(shù)據(jù)點小的 偏移誤差以及較大的偏移誤差來校準(zhǔn)。在這個校準(zhǔn)過程中數(shù)個數(shù)據(jù)點產(chǎn)生 更精確的校準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明，獲得帶有一個感測方向(方向l)朝向磁體、 一個感測 方向(方向2)沿徑向或者橫向定向的雙軸磁傳感器系統(tǒng)。按照方向1測 量角度誤差，按照方向2測量偏移誤差。角度和偏移中的兩個絕對誤差可 以看作具有對應(yīng)的水平和垂直誤差的坐標(biāo)系統(tǒng)中的向量，整體狀況示出于 圖6中。
誤差方向的定義可以根據(jù)需要調(diào)整。對于角度誤差和偏移誤差都已經(jīng) 變化的情況的測量，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩種誤差之間沒有依賴性，這意味著角度誤 差和偏移誤差可以通過4吏用來自兩個感測方向1和2的lt據(jù)獨立地測量。
基準(zhǔn)傳感器用來確定角度誤差和偏移誤差怎樣相對已知的方向定向。 基準(zhǔn)傳感器可以放置在任意位置，只要知道它拔改置在哪里以及它如何相 對于磁傳感器系統(tǒng)定向?？梢杂欣睾痛艂鞲衅飨到y(tǒng)相關(guān)聯(lián)M置基準(zhǔn)傳 感器，這是因為其它電子設(shè)備布置在這個區(qū)域。例如，可以使用加速度計 作為基準(zhǔn)傳感器，在這種情況下當(dāng)加速度計直指向g向量(豎直向下)時 將得到最大的加i4JL計信號，當(dāng)感測方向逆平行于g向量(豎直向上)時 信號最低。在這種情況下，加速度計的感測方向在耦合體中將沿徑向定向。 加速度計的感測方向也可以在耦合體中沿橫向定向，然后仍獲得振蕩信 號，但是現(xiàn)在信號將不^^象第一個被描述的加速度計的情況受向心力的影 響。來自加速度計的信號將描繪基本上正 的信號，當(dāng)感測方向朝向或者 沿g向量方向時具有相似的最大和最小信號。相對于來自于角度誤差和偏 移誤差信號的相位，參考信號的相位則將說明角度誤差和偏移誤差如何相對于g向量定向。也可以構(gòu)想其它類型的基準(zhǔn)傳感器，諸如光學(xué)換能器或 者磁性換能器，其中"發(fā)送器"(例如，光學(xué)情況下的激光器或者磁性情 況下的>^體)固定在一點，并且探測器(光學(xué)情況下為二極管，磁性情況 下為磁傳感器)布置在旋轉(zhuǎn)軸上，或者發(fā)送器放置在軸上，探測器相對于 旋轉(zhuǎn)軸固定。
本發(fā)明不限于所示和所i兌明的實施例，并且可以在所附的專利權(quán)利要 求范圍內(nèi)有利地改進和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于通過包括傳感器和磁體的雙軸正交磁傳感器系統(tǒng)來測量設(shè)有第一耦合部分部分和第二耦合部分的兩軸的對準(zhǔn)的系統(tǒng)，其中所述傳感器被設(shè)計成被置于所述第一耦合部分上，并且所述傳感器的一個感測方向朝向所述磁體的一個磁化方向，所述磁體被設(shè)計成被置于另一耦合部分上，并被設(shè)計成用于在軸的旋轉(zhuǎn)期間在線地相互獨立地讀出角度誤差和偏移誤差的裝置，其特征在于所述系統(tǒng)還包括基準(zhǔn)傳感器，所述基準(zhǔn)傳感器用于確定所述角度誤差和偏移誤差相對于已知方向的定向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述軸的軸移位被測量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述磁體是永久 磁體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于所^體是NdFeB M。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任何之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所it^體具有 尺寸使得一方面獲得足夠強的磁場，另 一方面還在放置所U傳感器系統(tǒng) 的位置獲得足夠強的磁場梯度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任何之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述角度誤差 ^由如下給出其中，r^l從所述軸的中心到所述^^體和所i^傳感器的軸距，L和 L2是所^m體和所ii^傳感器之間的最大和最小距離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任何之一所述的系統(tǒng)，其特征在于對于小角度誤 差所U場的振蕩的峰J^值Bttl和所述角度場的絕對值成線性。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述"^J^值為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，朋/M是工作點的梯度，B阻-B^是場變化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8任何之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所^t傳感 器按照下式生成和所逸磁場成線性的輸出電壓<formula>formula see original document page 2</formula>其中，e是旋轉(zhuǎn)的角度，od是相位，v。ffx是所述輸出信號的偏移，Vtu是電壓中的"^值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于用與參考信號相關(guān)的相位將所述角度誤差分成分量(水平和垂直誤差)，并且根據(jù)V。tn確定所述 耦合部分之間的距離的任何移位。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或者10中任何一個所述的系統(tǒng)，其特征在于用 V。m來補償工作距離的變化。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9至11中任何一個所述的系統(tǒng)，其特征在于所述 磁場轉(zhuǎn)換成對于所i^t傳感器的電壓值，并且所逸磁場中的峰峰值依據(jù)下 式被轉(zhuǎn)換成來自所述^^傳感器的輸出電壓中的峰J^值其中，ki是包含所述梯度和所i^合體的半徑的值的校準(zhǔn)常數(shù)。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個所述的系統(tǒng)，其特征在于給定偏移 誤差并給定耦合體的旋轉(zhuǎn)，所^傳感器將在所i^體上方旋轉(zhuǎn)，其中所 U體被鎖定在固定坐標(biāo)系中，其中所述偏移被當(dāng)作發(fā)生在所^體的中 心和所述的磁傳感器系統(tǒng)之間的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的位置的移位。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，包括感測方向沿徑向定向的磁傳 感器，其中所述感測方向沿著在所^t體平面內(nèi)定向的磁力線投射。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中產(chǎn)生所述感測方向的投射和 振蕩，并且在這樣的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)定向的所逸磁場值取決于所述偏移程度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中對于在所述徑向定向的磁傳 感器所述傳感器的峰峰值(對于感測方向2)取決于偏移程度并且在耦合 體旋轉(zhuǎn)時生成振蕩信號圖案，并且產(chǎn)生圍繞零信號的信號振蕩。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述磁場的峰峰值獲得如下其中S是所述偏移的值，ks是對于所述偏移的校準(zhǔn)系數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中在所^合體旋轉(zhuǎn)時獲得正 弦信號如下 <formula>formula see original document page 3</formula>具有對應(yīng)的輸出信號的峰J^值Vtt2，相對相位角OC2以及恒定的偏移擬 合參數(shù)V。ff2。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中對于所述偏移的"^值為<formula>formula see original document page 4</formula>
20. 根據(jù)權(quán)利要求1-19任何之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基準(zhǔn)傳 感器包含加iUL計。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述基準(zhǔn)傳感器當(dāng)所^>速 度計的所述感測方向直指向g向量時產(chǎn)生最;Uait;變計信號，并且當(dāng)所述 感測方向基本上逆平行于g向量時信號最低。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所1^>速度計的感測方向在 耦合體中徑向地定向。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述加速度計的感測方向在 耦合體中橫向地定向。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1-19任何之一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基準(zhǔn)傳 感器包含光學(xué)換能器或者磁性換能器。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于在所述基準(zhǔn)傳感器中 的發(fā)送器被固定在一點，探測器布置在所述旋轉(zhuǎn)軸上；或者兩者相反。
26. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項所述的系統(tǒng)，其中所逸基準(zhǔn)傳感器 被放置在任意位置，具有已知的與所述>^傳感器系統(tǒng)相關(guān)的定向和位置。
27. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于所逸基準(zhǔn)傳感器和所 i^傳感器系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)地放置在其它電子i殳備所枕故置的位置。
28. —種雙軸正交磁傳感器系統(tǒng)，包括用在根據(jù)權(quán)利要求1至27任 何一項所述的系統(tǒng)中的傳感器和磁體。
29. —種基準(zhǔn)傳感器，用在根據(jù)權(quán)利要求1至27任何一項所述的系 統(tǒng)中。
30. —種通過如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)測量所i^合體之間相對平行 的距離變化的方法，其特征在于研究工作點的變化，所述工作點是由軸的 旋轉(zhuǎn)獲得的場變化的平均值。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過包括傳感器和磁體的雙軸正交磁傳感器系統(tǒng)來測量設(shè)置有第一和第二耦合部分的兩軸的對準(zhǔn)誤差的系統(tǒng)，其中所述傳感器設(shè)計為布置在第一耦合部分上，它的一個感測方向朝向所述磁體的一個磁化方向，所述磁體設(shè)計為布置在另一個耦合部分上，并被設(shè)計成用于在軸的旋轉(zhuǎn)期間在線地相互獨立地讀出角度誤差和偏移誤差的裝置。系統(tǒng)還包括基準(zhǔn)傳感器，用于確定所述角度誤差和偏移誤差相對于已知方向的定向。
文檔編號G01B7/31GK101680741SQ200880017788
公開日2010年3月24日 申請日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月18日
發(fā)明者克里斯特·約翰遜, 克里斯蒂安·約納松, 揚·維彭米爾 申請人:埃洛斯菲克斯圖爾激光公司