旋轉(zhuǎn)編碼器頻率分析的制作方法
【專利說明】旋轉(zhuǎn)編碼器頻率分析
[0001]本申請是于2006年4月21日提交的已進入中國國家階段的PCT專利申請(中國國家申請?zhí)枮?00680055060.7，國際申請?zhí)枮镻CT/US2006/015416，發(fā)明名稱“旋轉(zhuǎn)編碼器頻率分析”)的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明大體涉及閥促動器和旋轉(zhuǎn)位置編碼器的分析，且更具體地涉及對閥促動器執(zhí)行頻率分析和帶有內(nèi)置式自測試的旋轉(zhuǎn)位置編碼器。
【背景技術(shù)】
[0003]在許多應用中，需要測量旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)軸的位置。然而，旋轉(zhuǎn)裝置常常是復雜的且具有難以接近的部分。而且，旋轉(zhuǎn)裝置常常集成到特定工業(yè)過程中，其中停止該過程來維修旋轉(zhuǎn)裝置的成本常常遠遠超過旋轉(zhuǎn)裝置的成本。例如，旋轉(zhuǎn)閥對于工業(yè)過程而言常常是至關(guān)重要的，并且閥的某些部件的維修需要使該過程停止。存在對于精確地識別旋轉(zhuǎn)軸和由該旋轉(zhuǎn)軸所驅(qū)動的諸如閥桿的物件的位置的需要。還存在識別諸如閥的旋轉(zhuǎn)裝置中的任何磨損部件的需要，以便在預定停機時執(zhí)行預防性維修，或以便操作旋轉(zhuǎn)裝置從而保持該裝置進行操作直到下一次預定停機。存在對于能夠確定旋轉(zhuǎn)軸的位置以及識別旋轉(zhuǎn)軸所連接的旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)的問題的嚴重性和位置的裝置的需要。
[0004]診斷旋轉(zhuǎn)裝置的一個方法是采用頻率分析。可利用傅里葉變換(FT)算法來分析循環(huán)數(shù)據(jù)，以將數(shù)據(jù)從時域變換成頻域。一個嘗試是對電動閥應用傅里葉變換，包括測量流到電機的電流，對電機數(shù)據(jù)應用傅里葉變換，然后使用頻譜中的峰值來診斷閥促動器的傳動系中的問題。然而，這種方法并不測量軸的旋轉(zhuǎn)速度，也不確定旋轉(zhuǎn)軸的位置。電機電流測量裝置也不集成到能夠確定旋轉(zhuǎn)軸位置的裝置內(nèi)。
[0005]測量旋轉(zhuǎn)部件的位置的一種方法涉及旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器包括增量編碼器和絕對編碼器。增量編碼器用于測量軸的旋轉(zhuǎn)變化?；镜脑隽烤幋a器包括帶有大量徑向畫線(painted line)的盤。光電二極管或其它傳感器只要檢測到畫線就產(chǎn)生電脈沖。計算機或其它處理器追蹤脈沖以確定該盤的位置，并且確定該盤所附連的軸的位置。利用增量編碼器，如果計算機斷電，則在電力恢復時位置信息將會丟失。用于閥促動器的先前的增量編碼器包括速度傳感器，但是速度傳感器和所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并不用于進行頻率分析。
[0006]絕對編碼器不需要電源來維持位置信息。絕對編碼器產(chǎn)生獨特的數(shù)字碼用于旋轉(zhuǎn)軸的每個不同的角度。絕對編碼器可為單個輪，其具有加工到輪上的復雜圖案。單個輪附連到相關(guān)軸上，并且許多不同的角位置可通過在該輪上的圖案來識別。然而，這種輪僅適用于軸僅經(jīng)歷單次旋轉(zhuǎn)的情況。
[0007]絕對編碼器的另一形式利用多個輪，其具有在每個輪上的同心環(huán)，其中每個環(huán)提供I比特的位置數(shù)據(jù)。多個輪的形式允許所測量的軸經(jīng)歷多次旋轉(zhuǎn)并且仍然追蹤軸的位置和旋轉(zhuǎn)次數(shù)。存在更多的輪允許追蹤更多軸的旋轉(zhuǎn)或確定單個旋轉(zhuǎn)的更多位置。然而，多輪式絕對編碼器常常易損壞且可靠性較差。需要可靠且可通過操作產(chǎn)生用于頻率分析的速度數(shù)據(jù)的多輪式絕對編碼器。
[0008]解決這個問題的一個嘗試是利用6個輪或7個輪。每個輪提供3比特數(shù)據(jù)。然而，經(jīng)由V比特處理僅僅產(chǎn)生2比特格雷碼作為位置數(shù)據(jù)。這增加了絕對編碼器的可靠性。然而，不使用重復傳感器(duplicate sensor)。此外,速度傳感器未集成到絕對編碼器內(nèi)，并且不產(chǎn)生速度數(shù)據(jù)用于頻率分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個實施例包括用于旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器包括一個或多個編碼輪，一個或多個編碼輪中的每個編碼輪包括至少一個編碼分段，這些編碼分段可操作以對旋轉(zhuǎn)裝置的位置進行編碼。還包括至少一個雙組傳感器，其可操作以監(jiān)控至少一個編碼分段。
[0010]本發(fā)明的另一實施例包括閥促動器，閥促動器包括絕對編碼器和適合于驅(qū)動絕對編碼器的傳動系。絕對編碼器包括至少一個編碼器盤，可操作以讀取至少一個編碼器盤的多個傳感器，可操作以產(chǎn)生速度數(shù)據(jù)的速度傳感器，用于多個傳感器和速度傳感器中的每個傳感器的至少一個重復傳感器。
[0011]本發(fā)明的又一實施例包括分析包括傳感器的閥促動器的方法。該方法包括從傳感器產(chǎn)生數(shù)據(jù)并對該數(shù)據(jù)執(zhí)行頻域分析。
[0012]本發(fā)明的特定實施例包括分析在兩個位置極限之間旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置的方法。該方法包括將旋轉(zhuǎn)位置編碼器可操作地聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)裝置的軸，其中旋轉(zhuǎn)位置編碼器包括速度指示器。該方法包括利用速度傳感器產(chǎn)生速度數(shù)據(jù)并且對該速度數(shù)據(jù)執(zhí)行頻率分析。
[0013]通過結(jié)合附圖考慮下文的詳細描述，本發(fā)明的特征、優(yōu)點和替代方面將對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見。
【附圖說明】
[0014]雖然說明書以特定地指出并明確地主張被認為是本發(fā)明的內(nèi)容的權(quán)利要求書作為總結(jié)，但是當結(jié)合附圖閱讀時，通過本發(fā)明的下文的描述可以更易于確定本發(fā)明的優(yōu)點，在附圖中:
圖1示出了旋轉(zhuǎn)編碼器的一個實施例的輪；
圖2示出了圖1的實施例的完全組裝形式；
圖3示出了圖1的實施例的部分組裝形式；
圖4示出了圖3的實施例的頂視圖；
圖5示出了旋轉(zhuǎn)編碼器的特定實施例的輪；
圖6示出了在頻域中的代表性的無問題診斷；
圖7示出了在頻域中的代表性的出現(xiàn)問題的診斷；
圖8示出了利用128個樣品的數(shù)據(jù)分辨率；
圖9示出了在對數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換(FT)之前在圖8中使用的數(shù)據(jù)；
圖10示出了利用256個樣品的數(shù)據(jù)分辨率；
圖11示出了在對數(shù)據(jù)執(zhí)行FT之前在圖10中使用的數(shù)據(jù)；
圖12示出了利用512個樣品的數(shù)據(jù)分辨率； 圖13示出了在對數(shù)據(jù)執(zhí)行FT之前在圖12中使用的數(shù)據(jù)；
圖14示出了利用1024個樣品的數(shù)據(jù)分辨率；
圖15是指示本發(fā)明的某些實施例的準確度的表格；
圖16是以每分鐘26次旋轉(zhuǎn)(rpm)獲得的頻域數(shù)據(jù)的示例；
圖17是以26 rpm獲得的頻域數(shù)據(jù)的另一示例；
圖18是以18 rpm獲得的頻域數(shù)據(jù)的示例；以及圖19是以18 rpm獲得的頻域數(shù)據(jù)的另一示例。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明可用于任何閥促動器或其它的旋轉(zhuǎn)裝置，諸如在兩個位置之間旋轉(zhuǎn)的裝置。本發(fā)明的特定實施例利用帶有集成的速度傳感器的旋轉(zhuǎn)編碼器。速度傳感器可操作以產(chǎn)生速度數(shù)據(jù)用于頻率分析。本發(fā)明還可使用能夠產(chǎn)生可變換成頻域的數(shù)據(jù)的另一類型的傳感器。而頻率分析可用于診斷閥促動器或其它旋轉(zhuǎn)裝置的任何問題。在一個實施例中，旋轉(zhuǎn)編碼器是帶有重復傳感器對的絕對編碼器。
[0016]在附圖中，相似的附圖標記表示相似的元件。圖1示出了本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)編碼器的一個實施例。旋轉(zhuǎn)編碼器I表示絕對編碼器的特定實施例。不存在諸如“輸入”、“時序”或“編碼”等修飾詞的術(shù)語“輪”或“多個輪”可適用于輸入輪10、定時輪20以及編碼輪30至110。短語“編碼輪”或“多個編碼輪”適用于編碼輪30至110。
[0017]底部安裝架130經(jīng)由螺栓132緊固到底板120上。螺栓132還可為鉚釘、螺釘、夾具、夾子、粘合劑、焊接點、搭扣配合連接或本領(lǐng)域中已知的任何其它連接裝置。螺栓132還可放置于任何位置。例如，當螺栓132是夾具時，底部安裝架130可延伸到底板120的邊緣，螺栓132可定位于該邊緣。或者，當螺栓132是粘合劑時，粘合劑可在與底板120接觸的底部安裝架130的任何表面上展開。
[0018]底板120可包括半導體襯底，其中諸如處理器150和傳感器160的電氣元件可彼此集成。連接處理器150與傳感器160的電路未被示出。然而，除了將電路集成到底板120內(nèi)之外，電路可定位于底板120外部。例如，可在底板120中鉆孔以與傳感器160的輸入端與輸出端以及處理器150的輸入端與輸出端相對應。絕緣線可在傳感器160與處理器150之間互連。此外,如果電路定位于底板120外部，可需要將底板安裝架130合并到底板120內(nèi)。
[0019]旋轉(zhuǎn)編碼器I還可包括頂部安裝架140和頂板170，如圖2至圖4所示。關(guān)于底板120和底部安裝架130的相同描述適用于頂部安裝架140和頂板170。頂板170也可是半導體襯底。然而，任何電路也可在頂板170外部。頂部安裝架140也可集成到頂板170內(nèi)。頂部安裝架140可利用螺栓132緊固到底部安裝架130。緊固螺母122附連到底板120。頂板170經(jīng)由螺釘172和緊固螺母122緊固到底板172，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)編碼器I可經(jīng)由安裝螺栓124緊固到另一裝置。關(guān)于螺栓132描述的配置也可適用于緊固螺母122、螺釘172和安裝螺栓124。如圖3和圖4所示，頂部安裝架140可為單件材料。這允許示于圖3和圖4中的頂部安裝架140的實施例以均勻方式熱膨脹。這同樣適用于底部安裝架130。在一替代實施例中，頂部安裝架140和底部安裝架130可各由多件制成。
[0020]此外，旋轉(zhuǎn)編碼器I不限于任何特定形狀。旋轉(zhuǎn)編碼器I可為圓形、矩形或被特定地成形用于某種裝置或應用。而且，術(shù)語“頂部(頂)”和“底部(底)”在本文中使用僅僅是為了便于旋轉(zhuǎn)編碼器I的描述。因此，旋轉(zhuǎn)編碼器I可以以任何方位使用。
[0021]在圖1至圖4的特定示例中，輸入輪10包括在齒輪11上的齒12。輸入輪10還包括孔口 14，其可與傳感器一起用于提供追蹤輸入輪10的旋轉(zhuǎn)次數(shù)的裝置。鎖緊帽16附連到輸入輪10。如圖3所示，當鎖緊帽16處于適當位置時，輸入輪10的任何移動受到鎖緊帽16與頂部安裝支架140的接觸的約束。只要旋轉(zhuǎn)編碼器I要被搬運或裝運時可包括鎖緊帽16，且一旦輸入軸準備接合旋轉(zhuǎn)編碼器I則將鎖緊帽16卸下。
[0022]定時輪20包括齒輪21和小齒輪25。齒輪21包括齒22。小齒輪25包括齒26。定時輪20還包括定時狹縫28。在此實施例中，定時狹縫28設(shè)計成從齒輪21的頂表面延伸到齒輪21的底表面的孔，并且定時狹縫28設(shè)計為表現(xiàn)為矩形的弧形分段。然而，應了解的是，這些元件可具有任何形狀。定時狹縫28還可為畫線、嵌入磁體或能夠被檢測到的任何其它結(jié)構(gòu)。也可不存在定時狹縫28，替代地，其它裝置可執(zhí)行定時狹縫28的功能。例如，在齒輪21上的齒可由亞鐵化合物制成且包括足夠的數(shù)目以對應于所希望的定時標記。放置在齒輪21附近的磁性讀取器可檢測鄰近磁性讀取器旋轉(zhuǎn)的每個齒22。定時輪20表示可用于本發(fā)明的定時機構(gòu)的僅僅一個實施例。
[0023]定時輪20還包括編碼分段24，其在本實施例中設(shè)計為從小齒輪25的頂表面延伸穿過齒輪21的底部的弧形孔。圖1示出了編碼分段24終止于與從定時輪20的中心徑向延伸的射線對齊的直邊緣。編碼分段24也可為弧形分段，其終止于與間隙132和間隙142的凹形邊緣類似的凹形邊緣。編碼分段24示出為將定時輪20的內(nèi)環(huán)27分成八份。然而，編碼分段24也可設(shè)計成將內(nèi)環(huán)27分成兩份、四份、十六份或任何其它的l/2n份數(shù)。
[0024]在圖1所示的實施例中，編碼輪30包括具有齒32的齒輪31和具有齒36的小齒輪35。編碼輪30具有內(nèi)環(huán)37和外環(huán)39，內(nèi)環(huán)37具有編碼分段34，外環(huán)39具有編碼分段38。編碼分段34和38從編碼輪30的頂表面延伸至輪30的底表面。編碼分段38具有連續(xù)的弧形形狀，其占據(jù)外環(huán)39的二分之一。編碼分段34包括兩個不同的弧形分段，分段34a和分段34b，其各占據(jù)內(nèi)環(huán)的四分之一且彼此等距間隔開。分段34a始于與編碼分段38相同的徑向射線