專利名稱：用于測量旋轉(zhuǎn)的可移動部件的軸向移動的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量旋轉(zhuǎn)的可移動部件的移動的系統(tǒng)、以及用于測量旋轉(zhuǎn)中的可移動部件的軸向移動的方法。更具體地，本發(fā)明涉及圍繞軸線旋轉(zhuǎn)并沿平行于該旋轉(zhuǎn)軸線的軸線平移的可移動部件的軸向移動的測量。
背景技術(shù)：
為適當(dāng)?shù)夭僮?，鉸接接合(pin joint)需要軸向的操作間隙。但是，該間隙一般隨著導(dǎo)向部件和軸承的狀況而變化。因此，有必要測量軸向間隙，所述軸向間隙為軸承磨損的良好指標(biāo)。例如，在鐵路客車軸箱中，軸承受到摩擦腐蝕，當(dāng)軸承環(huán)磨損時(shí)以及隨著軸承環(huán)的磨損，其導(dǎo)致軸向間隙可能超過1_。在現(xiàn)有技術(shù)中，使用編碼器和傳感器測量旋轉(zhuǎn)部件的移動的磁系統(tǒng)是已知的。編碼器一般為磁環(huán)，該磁環(huán)與旋轉(zhuǎn)部件結(jié)合為一體并包括環(huán)形磁道，在磁道上以相同距離分布的多個(gè)南、北磁極對被磁化。固定傳感器徑向設(shè)置在磁磁道的相對側(cè)，并由對磁場敏感的元件組成。傳感器發(fā)出磁信號，更具體地，磁信號的頻率使得可以確定旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速。但是，這種系統(tǒng)不允許測量旋轉(zhuǎn)的可移動部件的軸向移動。公知的是，將傳感器與磁環(huán)相對設(shè)置，并測量磁場強(qiáng)度的變化以便確定旋轉(zhuǎn)部件的軸向移動。但是，由于磁場強(qiáng)度的測量顯示出明顯的溫度漂移，所以這種測量不可靠。因此，該系統(tǒng)不能應(yīng)用到具有明顯溫度變化的嚴(yán)酷環(huán)境中。為確定孔中的軸的軸向位移，也存在“軸端”解決方案，其中，位置傳感器或近程式傳感器與軸端相對地安裝。但是，該方案除了因整體尺寸而在某些情況下行不通的事實(shí)外，軸端有時(shí)具有返回當(dāng)前圓錐形小齒輪的作用，這使得該方案行不通。另外，專利申請EP1875422公開了一種用于檢測軸向位移的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用與旋轉(zhuǎn)部件結(jié)合成一體的多極磁環(huán)以及徑向相對設(shè)置且距磁環(huán)圓周一讀數(shù)距離(readingdistance)的固定傳感器。環(huán)的外圍上，具有相對于旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)軸線傾斜的特別的磁躍遷(magnetic transition)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件軸向移動時(shí),該系統(tǒng)檢測到該特性任一側(cè)的磁極長度的改變。因此，可以從其中推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)部件的軸向位移。但是，每次旋轉(zhuǎn)只能進(jìn)行一次軸向位移的測量，并且在該磁極上的速度測量是不真實(shí)的。因此，該方案不適于高分辨率速度測量。日本專利申請JP 2006201157公開了一種可以測量旋轉(zhuǎn)的可移動部件的軸向位移的系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)包括與球軸承的內(nèi)環(huán)構(gòu)造成一體的環(huán)形編碼器、以及固定至該軸承的外環(huán)并與傳感器的環(huán)形編碼磁道徑向相對設(shè)置的一個(gè)或兩個(gè)傳感器。在專利申請JP2006201157的圖10中示出的一個(gè)實(shí)施例中，編碼器包括兩個(gè)編碼磁道。兩個(gè)磁道具有這樣的圖案，其具有沿相對的三角方向的恒定角螺旋形狀。兩個(gè)磁道中的每一個(gè)均相對設(shè)置有一傳感器，并且計(jì)算單元根據(jù)傳感器發(fā)出的信號之間的相差確定軸向位移。但是，該文件沒有公開確定由傳感器發(fā)出的信號之間的相位移的方法。如今，確定相位移值的精確性對于獲得旋轉(zhuǎn)的可移動部件的軸向移動的可靠值是非常重要的。另外，由于可移動部件的轉(zhuǎn)速顯示出極大的變化，所以精確地確定相位移值更加困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在通過提供用于測量旋轉(zhuǎn)的可移動部件的軸向移動的系統(tǒng)和方法來克服這些問題，使得可以可靠且精確的方式測量所述部件的軸向位移。為此目的且根據(jù)第一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于測量沿軸線A旋轉(zhuǎn)的可移動部件的軸向移動的系統(tǒng)，包括:-磁編碼裝置，包括至少一個(gè)環(huán)形環(huán)，該環(huán)形環(huán)固定至可移動部件，并且其上多個(gè)南北磁極對被磁化，這些磁極以相同的距離分布并且為具有軸線A的螺旋形；-用于檢測磁場的裝置，至少包括第一固定磁傳感器和第二固定磁傳感器，這些磁傳感器以彼此相距非零軸向距離d設(shè)置，與編碼裝置的外圍磁道徑向相對并且相距一個(gè)讀數(shù)的距離，并對由編碼裝置感生的磁場的變化敏感；以及-信號處理單元；-第一傳感器包括:-第一多個(gè)敏感元件，位于垂直于軸線A的相同平面內(nèi)，該敏感元件分成至少兩個(gè)第一子組件；以及-電子電路，設(shè)置成用于根據(jù)由第一子組件發(fā)出的信號而發(fā)出正交的(inquadrature)且具有相同幅度的兩個(gè)模擬信號SINl和COSl ;并且-信號處理單元包括:-計(jì)算器，用于根據(jù)信號SINl和COSl確定信號ARCTAN1= arc Tan (SIN1/C0S1)，以及-運(yùn)算器，用于根據(jù)所述信號ARCTANl確定由第一傳感器檢測到(seen)的磁場與如由第二傳感器檢測到的磁場之間的相位移。因此，由第一和第二傳感器發(fā)出的信號之間的相位移獨(dú)立于可移動部件的轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行測量。事實(shí)上，根據(jù)代表在所考慮的(considered) —對磁極上的傳感器的絕對位置的信號ARC TANl來確定相位移值。因此，通過根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)獲得的軸向位移的測量具有減小的誤差范圍。另外，由于測量系統(tǒng)使用兩個(gè)傳感器，所以可以獲得兩個(gè)重復(fù)的速度測量。因此，重復(fù)測量保證了增加了速度測量中的安全性(security)，當(dāng)速度測量應(yīng)用于ABS或防滑系統(tǒng)中時(shí)這一點(diǎn)尤其有利。在一個(gè)實(shí)施例中，第二傳感器包括:-第二多個(gè)敏感元件，位于垂直于軸線A的相同平面內(nèi)，并分成至少兩個(gè)第二子組件，以及
-電子電路，設(shè)置成用于根據(jù)由第二子組件發(fā)出的信號發(fā)出正交的且具有相同幅度的兩個(gè)模擬信號SIN2和C0S2。在一個(gè)實(shí)施例中，信號處理單元包括運(yùn)算器，該運(yùn)算器用于當(dāng)信號SIN2或C0S2經(jīng)過預(yù)定閾值時(shí)根據(jù)信號ARC TANl的值確定瞬時(shí)角相位移。在另一個(gè)實(shí)施例中，信號處理單元包括:-計(jì)算器，用于根據(jù)信號SIN2和C0S2確定信號REF = arc Tan (SIN2/C0S2)；以及-運(yùn)算器，用于根據(jù)ARCTANl與REF之間的差確定瞬時(shí)角相位移。信號ARC TANl和REF的值代表所考慮的一對磁極上的傳感器的絕對位置，并且因此可以實(shí)時(shí)地得知軸的軸向位移。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二傳感器只包括一個(gè)對磁場敏感且發(fā)出信號REF的傳感器，信號處理單元包括運(yùn)算器，該運(yùn)算器用于為當(dāng)信號REF經(jīng)過預(yù)定閾值時(shí)根據(jù)信號ARCTANl的值確定瞬時(shí)相位移。有利地，該 系統(tǒng)還包括分析器，該分析器用于存儲瞬時(shí)相位移的極值并由此推導(dǎo)出編碼裝置與檢測裝置之間的軸向間隙。在一個(gè)實(shí)施例中，第一傳感器和第二傳感器位于共用的定制ASIC集成電路中。因此，限制了這種檢測裝置的整體尺寸并且便于其一體化。另外，兩個(gè)傳感器在同一集成電路上的一體化可以大幅減少測量系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一環(huán)形環(huán)的磁極具有恒定螺旋角α，編碼裝置包括具有軸線A的且與可移動部件結(jié)合為一體的第二環(huán)形磁道，并且其上多個(gè)南、北磁極對被磁化，這些磁極以相同的距離分布，并且這些磁極相對于第一外圍磁道的磁極傾斜。在一個(gè)實(shí)施例中，第二外圍磁道的磁極沿平行于軸線A的方向延伸。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二外圍磁道的磁極為具有軸線A和恒定的螺旋角β的螺旋形。有利地，角β和角α相等并且為相對的三角方向。因此，記錄的(noted)相位移更大并且軸向位移的測量的靈敏度加倍。根據(jù)第二個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于測量圍繞軸線A旋轉(zhuǎn)的可移動部件相對于固定參考系統(tǒng)的軸向移動的方法，該方法至少包括以下步驟:-利用至少一個(gè)環(huán)形磁磁道產(chǎn)生相對于可移動部件的固定磁場，在與可移動部件有關(guān)的一參考系統(tǒng)中距離所述軸線A預(yù)定的徑向距離的位置處，磁場的徑向分量中的一個(gè)為磁道上所考慮的角位置 和磁道上所考慮的軸向位置X的函數(shù)F( 、X)，即:F ( Θ , X) = K.Ψ (P.[ Θ +G (X)])其中，P為整數(shù)，G為X的給定的嚴(yán)格遞增函數(shù)，且Ψ為周期為2 π的周期函數(shù)，-根據(jù)代表由與參考系統(tǒng)相關(guān)且與環(huán)形磁道相對設(shè)置的第一固定傳感器所檢測到的磁場變化的信號，發(fā)出正交的且具有相同幅度的兩個(gè)模擬信號SINl和C0S1，-根據(jù)信號SINl 和 COSl 確定信號 ARC TAN = arc Tan (SIN1/C0S1)，以及-發(fā)出參考信號REF,該參考信號為與固定參考系統(tǒng)相關(guān)并與第一傳感器間隔一軸向距離d的第二固定傳感器所檢測到的磁磁道產(chǎn)生的磁場變化的函數(shù)，以及-根據(jù)信號ARCTANl和信號REF，確定由第一傳感器檢測的磁場變化與由第二傳感器檢測的磁場變化之間的瞬時(shí)相位移；以及-根據(jù)所述瞬時(shí)相位移，確定磁道相對于傳感器的軸向位移。
因此，根據(jù)本發(fā)明的測量方法可以獲得不因可移動部件的轉(zhuǎn)速變化而改變的精確軸向位移測量。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該方法包括以下步驟:-確定信號 REF = arc Tan (SIN2/C0S2)，-確定瞬時(shí)相位移，所述瞬時(shí)相位移為信號REF與信號ARCTAN1之間的差。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)當(dāng)信號REF沿至少一個(gè)預(yù)定方向經(jīng)過預(yù)定閾值時(shí)由信號ARC TANl獲得的值，確定相位移。有利地，信號REF與信號SIN2或與信號C0S2成比例。在一個(gè)實(shí)施例中，函數(shù)G為具有常數(shù)R的線性函數(shù)，SP:G(X) = R (X-XO)/XO。


在閱讀以下參照附圖進(jìn)行的描述的同時(shí)，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，附圖中:圖1是根據(jù)第一實(shí)施例的用于測量軸向位移的系統(tǒng)的示意圖；圖2是組成圖1中的測量系統(tǒng)的磁環(huán)之一的詳細(xì)示意圖；圖3是根據(jù)第二實(shí)施例的用于測量軸向位移的系統(tǒng)的示意圖，圖3’示出了當(dāng)磁極具有螺旋形狀其螺旋角ct根據(jù)函數(shù)a =f(x) = arctan2K χ變化時(shí),來自環(huán)的一個(gè)磁極的磁躍遷的形狀的曲線圖；圖4是根據(jù)第三實(shí)施例的測量系統(tǒng)以及由其檢測裝置發(fā)出的信號的示意圖；以及圖5是根據(jù)第四實(shí)施例的測量系統(tǒng)以及由其檢測裝置發(fā)出的信號的示意圖。
具體實(shí)施例方式在下面的描述中，軸沿其旋轉(zhuǎn)軸線A的位移被稱為“軸向位移”。X指的是軸線Β( “編碼”環(huán)的軸線)上的一個(gè)所考慮的點(diǎn)的軸向坐標(biāo)，Y指的是在垂直于軸線B的平面上測量的環(huán)的外圍磁道上的一點(diǎn)的曲線坐標(biāo)。另外，“極長(polarlength)Lp”表示沿軸線Y測量的磁極的長度。另外，螺旋角在本說明書的意思中表示由磁極的螺旋線的切線相對于軸線X形成的角。此處，霍耳效應(yīng)探針表示包括至少一個(gè)感應(yīng)元件(通常為板形的半導(dǎo)體)的傳感器，從而當(dāng)電流I流過傳感器時(shí)，并且當(dāng)傳感器還受到與該電流形成角度Θ的電磁感應(yīng)B時(shí)，沿著垂直于電流I并垂直于電磁感應(yīng)B的方向產(chǎn)生電壓V (V = K.1.B.sin Θ )，K被稱為“霍耳常數(shù)”且是感應(yīng)元件的材料特性和幾何學(xué)特性，并且K隨溫度變化。此處，“磁致電阻”表示對磁場強(qiáng)度敏感的變阻器，S卩，由半導(dǎo)體材料制成的電阻，當(dāng)垂直于流經(jīng)該電阻的電流的方向施加的單向磁場的強(qiáng)度改變時(shí)，其歐姆值改變。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法旨在測量諸如圖1和3示出的軸I的可移動部件圍繞軸線A旋轉(zhuǎn)以及平行于軸線A的平移的移動。 用于測量位移的系統(tǒng)包括稱為編碼裝置的磁脈沖發(fā)生器、用于檢測磁場的裝置、以及信號處理裝置8，該信號處理裝置可以處理由檢測裝置發(fā)出的信號以獲得期望的信息，更具體地是獲得軸I的軸向位移。圖1示出的測量系統(tǒng)包括也稱為“編碼器”的編碼裝置，其由具有軸線B的兩個(gè)多極磁環(huán)2、7組成。環(huán)2、7相對于軸I的旋轉(zhuǎn)軸線A與軸I同心地構(gòu)造成一體。磁環(huán)2、7包括設(shè)置在環(huán)2、7的圓周上并形成外圍磁道的多個(gè)北極和南極3、4。磁極3、4以相同距離分布在環(huán)2、7的外圍上，且具有恒定極長Lp。例如，環(huán)2、7可以是這樣的部件，其由摻有鋇鐵氧體微?；蜴J鐵氧體微粒的合成材料或任何其它硬鐵磁材料制成，形成有多個(gè)鄰接磁場形成，形成有相反的磁化方向，相對于兩個(gè)鄰接磁場形成有給定磁場。第一環(huán)2的外圍磁道的磁極為具有軸線B的螺旋形，其螺旋角α為常數(shù)。對于第二環(huán)7，其也稱為“參考”環(huán)，其外圍磁道的磁極沿著平行于旋轉(zhuǎn)軸線A的方向延伸。在有關(guān)軸的參考系統(tǒng)中，在距軸線A預(yù)定的徑向距離處，由具有軸線B及恒定螺旋角α的螺旋形第一環(huán)2產(chǎn)生的磁場的徑向分量中的一個(gè)為磁道上所考慮的角位置Θ和磁道上所考慮的軸向位置X的函數(shù)F( 、χ)，即:F (Θ , X) = K.Ψ (P.[ Θ +G (X)])其中，P為整數(shù)，G為X的給定的嚴(yán)格遞增函數(shù)，且V為周期為2 π的周期函數(shù)；例如:
權(quán)利要求
1.一種用于測量沿軸線A旋轉(zhuǎn)的可移動部件相對于固定參考系統(tǒng)的軸向移動的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步驟: -利用至少一個(gè)環(huán)形磁磁道產(chǎn)生相對于所述可移動部件的固定磁場，在與所述可移動部件(I)有關(guān)的一參考系統(tǒng)中距離所述軸線A預(yù)定的徑向距離的位置處，所述磁場的徑向分量中的一個(gè)為所述磁道上所考慮的角位置 和所述磁道上所考慮的軸向位置X的函數(shù)F(0、X)，即: F (Θ , X) = K.Ψ (P.[ Θ +G (X)]) 其中，P為整數(shù)，G為X的給定的嚴(yán)格遞增函數(shù)，且V為周期為2 π的周期函數(shù)， -根據(jù)代表由與所述參考系統(tǒng)相關(guān)且與環(huán)形磁道相對設(shè)置的第一固定傳感器所檢測到的磁場變化的信號，發(fā)出正交的且具有相同幅度的兩個(gè)模擬信號SINl和C0S1， -根據(jù)信號 SINl 和 C0S2 確定信號 ARC TANl = arc Tan (SIN1/C0S1);以及-發(fā)出參考信號REF，該參考信號為由與所述固定參考系統(tǒng)相關(guān)并與所述第一傳感器間隔一軸向距離d的第二固定傳感器檢測到的磁磁道產(chǎn)生的磁場變化的函數(shù)，以及 -根據(jù)所述信號ARC TANl和所述信號REF，確定由所述第一傳感器所檢測到的磁場變化與由所述第二傳感器所檢測到的磁場變化之間的瞬時(shí)相位移；以及_根據(jù)所述瞬時(shí)相位移，確定磁道相對于傳感器的軸向移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量移動的方法，其特征在于，包括以下步驟: -根據(jù)代表由所述第二傳感器檢測到的磁場變化的信號，發(fā)出2，發(fā)出正交的且具有相同幅度的兩個(gè)模擬信號SIN2和COS， -根據(jù)SIN2和/或C0S2確定所述信號REF。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量移動的方法，其特征在于，包括以下步驟: -確定所述信號 REF = arc Tan (SIN2/C0S2)， -確定所述瞬時(shí)相位移，所述瞬時(shí)相位移為所述信號REF與信號ARC TANl之間的差。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量移動的方法，其特征在于，包括以下步驟:根據(jù)當(dāng)所述信號REF沿至少一個(gè)預(yù)定方向經(jīng)過所述預(yù)定閾值時(shí)由所述信號ARC TANl獲得的值，確定所述相位移。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測量移動的方法，其特征在于，所述信號REF與所述信號SIN2或與所述信號C0S2成比例。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，函數(shù)G為具有常數(shù)R的線性函數(shù)，即:G(X) = R (X-XO)/XO。
全文摘要
一種用于測量沿軸線A旋轉(zhuǎn)的可移動部件相對于固定參考系統(tǒng)的軸向移動的方法，方法至少包括以下步驟利用至少一個(gè)環(huán)形磁磁道產(chǎn)生相對于可移動部件的固定磁場；根據(jù)代表由與參考系統(tǒng)相關(guān)且與環(huán)形磁道相對設(shè)置的第一固定傳感器所檢測到的磁場變化的信號，發(fā)出正交的且具有相同幅度的兩個(gè)模擬信號SIN1和COS1；根據(jù)信號SIN1和COS2確定信號ARC TAN1＝arc Tan(SIN1/COS1)；以及發(fā)出參考信號REF；以及根據(jù)信號ARC TAN1和信號REF，確定由第一傳感器所檢測到的磁場變化與由第二傳感器所檢測到的磁場變化之間的瞬時(shí)相位移；以及根據(jù)瞬時(shí)相位移，確定磁道相對于傳感器的軸向移動。
文檔編號G01D5/12GK103217179SQ20131008225
公開日2013年7月24日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者帕斯卡爾·德比奧勒, 艾蒂安·旺達(dá)姆 申請人:S.N.R.魯爾門斯公司