专利名称：具有内置式自测试的旋转编码器的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及阀促动器和旋转位置编码器的分析，且更具体地涉及利用内置式自测试对阀促动器和旋转位置编码器执行频率分析。
背景技术：
在许多应用中，需要测量旋转装置的旋转轴的位置。然而，旋转装置常常是复杂的且具有难以接近的部分。而且，旋转装置常常集成到特定工业过程中，其中停止该过程来维修旋转装置的成本常常远远超过旋转装置的成本。例如，旋转阀对于工业过程而言常常是至关重要的，并且阀的某些部件的维修需要使该过程停止。存在对于精确地识别旋转轴和由该旋转轴所驱动的诸如阀杆的物件的位置的需要。还存在识别诸如阀的旋转装置中的任何磨损部件的需要，以便在预定停机时执行预防性维修，或以便操作旋转装置从而保持该装置进行操作直到下一次预定停机。存在对于能够确定旋转轴的位置以及识别旋转轴所连接的旋转装置内的问题的严重性和位置的装置的需要。
诊断旋转装置的一个方法是采用频率分析。可利用傅里叶变换
(FT)算法来分析循环数据，以将数据>^人时域变换成频域。 一个尝试是对电动阀应用傅里叶变换，包括测量流到电机的电流，对电机数据应用傅里叶变换，然后使用频谱中的峰值来诊断阀促动器的传动系中的问题。然而，这种方法并不测量轴的旋转速度，也不确定旋转轴的位置。电机电流测量装置也不集成到能够确定旋转轴位置的装置内。
测量旋转部件的位置的一种方法涉及旋转编码器。旋转编码器包括增量编码器和绝对编码器。增量编码器用于测量轴的旋转变化。基本的增量编码器包括带有大量径向画线(painted line)的盘。光电二极管或其它传感器只要检测到画线就产生电脉冲。计算机或其它处理器追踪脉冲以确定该盘的位置，并且确定该盘所附连的轴的位置。利用增 量编码器，如果计算机断电，则在电力恢复时位置信息将会丟失。用 于阀促动器的先前的增量编码器包括速度传感器，但是速度传感器和 所产生的数据并不用于进行频率分析。
绝对编码器不需要电源来维持位置信息。绝对编码器产生独特的 数字码用于旋转轴的每个不同的角度。绝对编码器可为单个轮，其具 有加工到轮上的复杂图案。单个轮附连到相关轴上，并且许多不同的 角位置可通过在该轮上的图案来识别。然而，这种轮仅适用于轴仅经 历单次旋转的情况。
绝对编码器的另一形式利用多个轮，其具有在每个轮上的同心 环，其中每个环提供l比特的位置数据。多个轮的形式允许所测量的 轴经历多次旋转并且仍然追踪轴的位置和旋转次数。存在更多的轮允 许追踪更多轴的旋转或确定单个旋转的更多位置。然而，多轮式绝对 编码器常常易损坏且可靠性较差。需要可靠且可通过操作产生用于频 率分析的速度数据的多轮式绝对编码器。
解决这个问题的一个尝试是利用6个轮或7个轮。每个轮提供3 比特数据。然而，经由v比特处理仅仅产生2比特格雷码作为位置数 据。这增加了绝对编码器的可靠性。然而，不使用重复传感器(duplicate sensor)。此外，速度传感器未集成到绝对编码器内，并且不产生速度 数据用于频率分析。
发明内容
本发明的一个实施例包括用于旋转装置的旋转编码器。旋转编码 器包括一个或多个编码轮， 一个或多个编码轮中的每个编码轮包括至 少一个编码分段，这些编码分段可操作以对旋转装置的位置进行编 码。还包括至少一个双組传感器，其可操:作以监控至少一个编码分^:。
本发明的另 一实施例包括阀促动器，阀促动器包括绝对编码器和 适合于驱动绝对编码器的传动系。绝对编码器包括至少一个编码器盘，可操作以读取至少一个编码器盘的多个传感器，可操作以产生速 度数据的速度传感器，用于多个传感器和速度传感器中的每个传感器 的至少一个重复传感器。
本发明的又一实施例包括分析包括传感器的阀促动器的方法。该 方法包括从传感器产生数据并对该数据执行频域分析。
本发明的特定实施例包括分析在两个位置极限之间旋转的旋转 装置的方法。该方法包括将旋转位置编码器可操作地联接至旋转装置 的轴，其中旋转位置编码器包括速度指示器。该方法包括利用速度传 感器产生速度数据并且对该速度数据执行频率分析。
通过结合附图考虑下文的详细描述，本发明的特征、优点和替代 方面将对于本领域技术人员显而易见。
虽然说明书以特定地指出并明确地主张被认为是本发明的内容 的权利要求书作为总结，但是当结合附图阅读时，通过本发明的下文
的描述可以更易于确定本发明的优点，在附图中 图1示出了旋转编码器的一个实施例的轮； 图2示出了图1的实施例的完全组装形式； 图3示出了图1的实施例的部分组装形式； 图4示出了图3的实施例的顶^L图； 图5示出了旋转编码器的特定实施例的轮； 图6示出了在频域中的代表性的无问题诊断； 图7示出了在频域中的代表性的出现问题的诊断； 图8示出了利用128个样品的数据分辨率； 图9示出了在对数据执行傅里叶变换(FT)之前在图8中使用的数
据；
图10示出了利用256个样品的数据分辨率；
图11示出了在对数据执行FT之前在图10中使用的数据；图12示出了利用512个样品的数据分辨率；
图13示出了在对数据执行FT之前在图12中使用的数据;
图14示出了利用1024个样品的数据分辨率；
图15是指示本发明的某些实施例的准确度的表格；
图16是以每分钟26次旋转(rpm)获得的频域数据的示例；
图17是以26rpm获得的频域数据的另一示例；
图18是以18rpm获得的频域数据的示例；以及
图19是以18rpm获得的频域数据的另一示例。
具体实施例方式
本发明可用于任何阀促动器或其它的旋转装置，诸如在两个位置 之间旋转的装置。本发明的特定实施例利用带有集成的速度传感器的 旋转编码器。速度传感器可操作以产生速度数据用于频率分析。本发 明还可使用能够产生可变换成频域的数据的另一类型的传感器。而频 率分析可用于诊断阀促动器或其它旋转装置的任何问题。在一个实施 例中，旋转编码器是带有重复传感器对的绝对编码器。
在附图中，相似的附图标记表示相似的元件。图l示出了本发明 的旋转编码器的一个实施例。旋转编码器1表示绝对编码器的特定实 施例。不存在诸如"输入"、"时序"或"编码"等修饰词的术语"轮" 或"多个轮"可适用于输入轮IO、定时轮20以及编码轮30至110。 短语"编码轮"或"多个编码轮"适用于编码轮30至110。
底部安装架130经由螺栓132紧固到底板120上。螺栓132还可 为铆钉、螺钉、夹具、夹子、粘合剂、焊接点、搭扣配合连接或本领 域中已知的任何其它连接装置。螺栓132还可放置于任何位置。例如， 当螺栓132是夹具时，底部安装架130可延伸到底板120的边缘，螺 栓132可定位于该边缘。或者，当螺栓132是粘合剂时，粘合剂可在 与底板120接触的底部安装架130的任何表面上展开。
底板120可包括半导体衬底，其中诸如处理器150和传感器160的电气元件可彼此集成。连接处理器150与传感器160的电路未被示 出。然而，除了将电路集成到底板120内之外，电路可定位于底板120 外部。例如，可在底板120中钻孔以与传感器160的输入端与输出端 以及处理器150的输入端与输出端相对应。绝缘线可在传感器160与 处理器150之间互连。此外，如果电路定位于底板120外部，可需要 将底板安装架130合并到底板120内。
旋转编码器1还可包括顶部安装架140和顶板170,如图2至图 4所示。关于底板120和底部安装架130的相同描述适用于顶部安装 架140和顶板170。顶板170也可是半导体衬底。然而，任何电路也 可在顶板170外部。顶部安装架140也可集成到顶板170内。顶部安 装架140可利用螺栓132紧固到底部安装架130。紧固螺母122附连 到底板120。顶板170经由螺钉172和紧固螺母122紧固到底板172, 如图2所示。旋转编码器1可经由安装螺栓124紧固到另一装置。关 于螺栓132描述的配置也可适用于紧固螺母122、螺钉172和安装螺 栓124。如图3和图4所示，顶部安装架140可为单件材料。这允许 示于图3和图4中的顶部安装架140的实施例以均匀方式热膨胀。这 同样适用于底部安装架130。在一替代实施例中，顶部安装架140和 底部安装架130可各由多件制成。
此外，旋转编码器1不限于任何特定形状。旋转编码器l可为圓 形、矩形或被特定地成形用于某种装置或应用。而且，术语"顶部(顶)" 和"底部(底)"在本文中使用仅仅是为了便于旋转编码器1的描迷。 因此，旋转编码器1可以以任何方位使用。
在图1至图4的特定示例中，输入轮10包括在齿轮11上的齿12。 输入轮10还包括孔口 14，其可与传感器一起用于提供追踪输入轮10 的旋转次数的装置。锁紧帽16附连到输入轮10。如图3所示，当锁 紧帽16处于适当位置时，输入轮10的任何移动受到锁紧帽16与顶 部安装支架140的接触的约束。只要旋转编码器1要被搬运或装运时 可包括锁紧帽16，且一旦输入轴准备接合旋转编码器1则将锁紧帽16卸下。
定时轮20包括齿轮21和小齿轮25。齿轮21包括齿22。小齿轮 25包括齿26。定时轮20还包括定时狭缝28。在此实施例中，定时狭 缝28设计成从齿轮21的顶表面延伸到齿轮21的底表面的孔，并且 定时狭缝28设计为表现为矩形的弧形分段。然而，应了解的是，这 些元件可具有任何形状。定时狭缝28还可为画线、嵌入J兹体或能够 被4企测到的任何其它结构。也可不存在定时狭缝28,替代地，其它装 置可执行定时狭缝28的功能。例如，在齿轮21上的齿可由亚铁化合 物制成且包括足够的数目以对应于所希望的定时标记。；改置在齿轮21 附近的磁性读取器可检测邻近磁性读取器旋转的每个齿22。定时轮 20表示可用于本发明的定时机构的仅仅一个实施例。
定时轮20还包括编码分段24，其在本实施例中设计为从小齿轮 25的顶表面延伸穿过齿轮21的底部的弧形孔。图1示出了编码分段 24终止于与从定时轮20的中心径向延伸的射线对齐的直边缘。编码 分段24也可为弧形分段，其终止于与间隙132和间隙142的凹形边 缘类似的凹形边缘。编码分段24示出为将定时轮20的内环27分成 八份。然而，编码分段24也可设计成将内环27分成两份、四份、十 六份或任何其它的1/2M分数。
在图1所示的实施例中，编码轮30包括具有齿32的齿轮31和 具有齿36的小齿轮35。编码轮30具有内环37和外环39，内环37 具有编码分段34，外环39具有编码分段38。编码分段34和38从编 码轮30的顶表面延伸至轮30的底表面。编码分段38具有连续的弧 形形状，其占据外环39的二分之一。编码分段34包括两个不同的弧 形分段，分段34a和分段34b，其各占据内环的四分之一且彼此等距 间隔开。分段34a始于与编码分段38相同的径向射线。分段34b始于 编码分段38终止处的相同的径向射线。编码分段可以是不对称的， 如图1所示，或对称的，诸如图5的编码分段。编码分段的不对称方
:编码轮的非编码分段部分阻挡的位置放置冗余传感器。
编码轮40包括具有齿42的齿轮41和具有齿(未图示)的小齿轮。 小齿轮安装于编码轮40的底侧上，并且在图中未示出。编码轮40具 有内环47和外环39,内环47具有编码分段44，.外环39具有编码分 段38。编码分段44和48从编码轮40的顶表面延伸到轮40的底表面。 编码分段48包括连续的弧形分段，其占据外环49的二分之一。编码 分段44被分成两个弧形分段，分段44a和分段44b，它们中的每一个 占据内环的四分之一并且彼此等距间隔开。分段44a始于与编码分段 48相同的径向射线。分段44b始于分段38终止处的相同径向射线。
在本实施例中，编码轮50、 70、 90和110与编码轮30相同，编 码轮60、 80和100与编码轮40相同。然而，这些编码轮中的任一个 编码轮不必与任何其它的编码轮相同。当使用术语"内环"或"多个 内环"时，表示的是编码轮30至110中的每一个的内环37、 47、 57、 67、 87、 97、 107和117。仅仅定时轮20和编码轮30和40的内环实 际上在图1中编号。当使用术语"外环"或"多个外环，，时，表示的 是编码轮30至110中每一个的外环39、 49、 59、 69、 79、 89、 99、 109和119。仅仅编码轮30和40的外环实际上在图1中编号。当使 用术语"编码分段"或"多个编码分段"时，表示的是定时轮20和 编码轮30至110中每一个编码轮的编码分萃殳24、 34、 38、 44、 48、 54、 58、 64、 68、 74、 78、 84、 88、 94、 98、 104、 108、 114和118。 仅仅定时轮20和编码轮30、 40的编码分段实际上在图1中编号。此 外，定时标记28可祐j见作"编码分^殳，，。通过定时标记28所产生的 数据可用于确定位置和/或速度。同样，由其它编码分段所产生的数据 可用于确定位置和/或速度。
输入轮10的齿轮11与定时轮20的小齿轮25啮合。定时轮20 的齿轮21与编码轮30的齿轮31啮合。编码轮30的小齿轮35与编 码轮40的齿轮41啮合。编码轮40的小齿轮45与中间小齿轮180啮 合。中间小齿轮180与编码轮50的齿轮51啮合。编码轮50的小齿轮55与编码轮60的齿轮61啮合。编码轮60的小齿轮65与中间小 齿轮180啮合。中间小齿轮180与编码轮70的齿轮71啮合。编码轮 70的小齿轮75与编码轮80的齿轮81啮合。编码轮80的小齿轮85 与中间小齿轮180啮合。中间小齿轮180与编码轮90的齿轮91啮合。 编码轮90的小齿轮95与编码轮100的齿轮101啮合。编码轮100的 小齿轮105与中间小齿轮180啮合。中间小齿轮180与编码轮110的 齿轮lll啮合。
如在图3中可见，输入轮10和编码轮40、 60、 80和100的齿轮 处于与定时轮20和编码轮30、 50、 70、 90和110的小齿轮相同的平 面中。编码轮40、 60、 80和100的小齿轮处于与定时轮20和编码轮 30、 50、 70、 90和IIO的齿轮相同的平面中。
光线防溅罩(light splashguard)(未示出)可从底部安装架130和顶部 安装架140突出。防'减罩布置于内环与外环之间的部分的或完全的同 心环中。例如，对于编码轮30而言，防溅罩布置于内环37与外环39 之间。防溅罩可设计成基于定时轮20和编码轮30至IIO的底表面(一 方面)与底部安装架130之间的距离而具有变化的高度。防溅罩提供传 感器160之间的挡光板。防溅罩可包括内置于底部安装架130内、内 置于编码轮和定时轮20内或内置于底板120和顶板170内的同心环。 或者，遮挡件可个別地围绕传感器160形成，或围绕检测器162和发 射器164形成。防溅罩可为脊、壁或能够防止不同传感器160之间的 串扰的任何其它结构的同心环。
输入轮10、定时轮20和编码轮30至110的啮合在图1至图4中 被示出为处于蜿蜒配置。然而，该配置可被改变以满足不同的编码器 设计。例如，当需要将旋转编码器1成形为圆形时，轮可布置成螺旋 配置。旋转编码器1的各种形状和轮的各种配置都是可能的。图5示 出了在类似的旋转编码器形状内的轮的替代U形配置。
旋转编码器1也可纟皮i殳计成分层结构。输入轮10、定时轮20和 编码轮30至IIO在图1至图4中被示出布置于单级中。或者，旋转编码器1可被设计成包括在多级上的轮。在图1中，每个轮被独特地
紧固到底部安装架130上。然而，多个轮可安装到单个轮轴上。在一 实施例中，编码轮60和70，编码轮50和80,编码轮40和90以及 编码轮30和100可分别布置于同一轮轴上。定时轮20和编码轮110 可布置于同一轮轴上。对于甚至更窄的旋转编码器，轮40、 50、 80 和90可布置于同一轮轴上，编码轮30、 60、 70、 100和110可布置 于同一轮轴上。应了解的是，多种配置和组合是可能的。
输入轮10、定时轮20和编码轮30至110被示出为正齿轮。然而， 轮也可为蜗轮，锥齿轮，人字齿轮、准双曲面齿轮、环形齿轮、齿条 和小齿轮，以及螺旋齿轮。旋转编码器1示出了编码轮具有固定旋转 的实施例。或者，可实施齿条和小齿轮系统，其中定时轮20和编码 轮30至110不具有固定的旋转。
参看图1至图4所示的特定实施例，不同编码轮的内环和外环定 位于距轮的中心相同距离处。例如，内环37和编码分段34距轮30 中心的距离与内环47和编码分段44距轮40中心的距离相同，即使 在轮40具有更大直径的情况下。因此，齿42和齿36的数目可决定 轮40相对于轮30的速度减小。这同样适用于其它轮。然而，不同编 码轮的编码分段不必在径向上等距地定位。
输入轮10的速度由待监控的旋转装置的速度确定。例如，在本 实施例中，定时轮20转动得比输入轮10快大约1.34倍。编码轮30 以与定时轮20相同的速度转动。编码轮40以编码轮30的速度的四 分之一转动。编码轮50以编码轮40的速度的四分之一转动，编码轮 40以编码轮30的速度的十六分之一速度转动。这同样适用于其它编 码轮，使得编码轮110以编码轮100的速度的四分之一转动，编码轮 100以编码轮30的速度的1/65,536转动。在某些情形下，编码轮30 将旋转，但不足以造成编码轮110的旋转。在替代实施例中，额外的 编码轮可添加到旋转编码器1。额外的编码^^的速度可计算为编码轮 30的1/4n(进行如下计数，编码轮30为n=0，编码轮40为n=l,……，编码轮110为n-8，等等)。本发明的特定实施例可包括一个如下的编 码轮其具有较小的比特数目用于最高速度的轮，但允许在轮系传动 时随着相对编码轮速度降低而增加每个轮的更高的比特数目。
可能存在需要改变轮与轮之间的齿数的情况。例如，在编码轮40 和60不具有相同齿lt的情况下。此外，结合改变齿轮上的齿^t，编 码分段的径向位置可相对于另一个轮改变，以造成速度减小或增加。
轮可由任何种材料制成。少数的代表性示例为钢、不锈钢、铝、 其它金属、陶瓷、塑料、玻璃和覆有金属的塑料。可使用本领域已知 的用于齿轮的任何材料。这些轮可全部由相同的组合物制成，或者轮 与轮之间的组合物可有所不同。
如参看编码轮80所示，传感器160包括检测器162和发射器164。 检测器162和发射器164内置于底板120内。间隙34内置于底部安 装架130内，以防止遮住检测器162和发射器164。关于发射器164 和检测器162,可经由半导体制造技术，将发射器164和检测器162 安装于底板120上以及将发射器164和检测器162插入通过底板120 中的孔，从而将发射器164和检测器162制造于底板120内。应了解 的是，将发射器164和检测器162紧固到底板120上的任何其它方法 也涵盖于本发明内。间隙144(图4)内置于顶部安装架140内且具有与 间隙134相同功能。尽管未示出，旋转编码器l也可包括传感器，其 包括发射器和检测器，发射器和检测器内置于顶板170的底表面内。 对于内置于底板120内的每个检测器162,发射器可直接布置于上方。 对于内置于底板120内的每个发射器164,检测器可直接放置于上方。 图4所示的顶部安装架140中的间隙144防止顶部安装架140对发射 器和检测器的任何阻挡。位于顶板170的底表面上的传感器、检测器 和发射器通常与直接位于上方的传感器160、发射器164和检测器162 相同。因此，为了便于本文的讨论，与位于底板120上的构件基本上 类似的位于顶板170上的任何相应构件，尽管未在图中示出，但是将 赋予加上引号(')标记的相同的附图标记(例如，检测器160和检测器160')。
所示的实施例包括传感器160、 161、 163和165。传感器161对 应于定时4仑20和编码轮30至IIO的内环。传感器163和165对应于 编码轮30至IIO的外环。传感器160'、 .161'、 163'和165'分别直接方丈 置于传感器160、 161、 163和165上方。传感器163和165可放置成 以大约90度的径向角度间隔开。在编码轮30、 60、 70、 100和110 中，传感器161可平分传感器163与165之间的角度。在编码轮40、 50、 80和90中，传感器161和163可以以大约45度的径向角度间隔 开，传感器161和165可以以大约135度的径向角度间隔开。传感器 161、 163、 165和169仅关于编码轮80和100以及定时轮20编号。 每个传感器161、 163和165包括发射器164和检测器162。每个传感 器161'、 163'和165'包括发射器164'和检测器162'。
传感器160/160'包括发射器164/164'和检测器162/162',并且可被 描述为一组传感器对或双组传感器。这同样适用于传感器160/160'和 160'/160"的具体形式(即，传感器161、 161'、 163、 163'、 165、 165'、 169和169')。作为将发射器164和检测器162视为一对且将发射器164' 和检测器162'视为相对的第二对的替代，发射器164和检测器162'可 被视作一对，发射器164'和检测器162可被视作并行的第二对。但是 无论如何认为，第二对可提供重复检测。这种冗余性使得旋转编码器 1能够高度地容错。例如，如果一个这样的对出现故障，那么旋转编 码器1仍可操作。根据哪个传感器或传感器构件可能已出现故障(若存 在)，编码器也可利用促动的多个传感器而才喿作。
在一特定实施例中，传感器160的发射器164和检测器162的位 置是给予传感器160(和相应传感器160')可能最宽的和最对称的放置 公差的位置。在比特值再次改变之前，对于传感器而言，代码值改变 的位置在顺时针(CW)方向与逆时针(CCW)方向留有相同的空间。这个 方法在图1中示出。在一特定实施例中，这导致不对称的传感器放置 和代码变化点的相应不对称性。在一替代实施例中，发射器164可相对于检测器162偏移。然后 可比较所得到的第 一编码值和偏移编码值，以确保两个值之间的算术 差相同。如果算术差不相同，则可由下述的自测试来查找这个问题。
在任一实施例中，只要这种放置.在v比特防止间隙逻辑 (anti-backlash logic)的界限内且在构件的可容许的机械公差的界限内， 那么所产生的代码将是相同的。
在一替代实施例中，传感器161、 163和165可各具有单个发射 器，相应的传感器161'、 163'和165'可各具有相应的单个4企测器而不 存在任何冗余。
各个传感器与定时标记28相关联。图1所示的传感器169包括 至少一个发射器164和至少一个4企测器162。位于顶板170上的传感 器169'直接放置于传感器169上方，并且包括至少一个发射器164'和 至少一个纟企测器162'。
在一特定实施例中，位于底板120和顶板170上的相应传感器可 分别一次促动一个轮。或者，可一次促动这些轮中的全部或某些。每 个轮的底部通常首先被促动，之后为每个轮的顶侧。在一特定实施例 中，可促动传感器160/160'的各个发射器。连续促动用于监控定时标 记28的各个传感器169/169',如在下文更详细地讨论。关于编码轮30 至IIO，可促动传感器161、 163和165的发射器164。如果旋转编码 器1处于图1所示的位置，那么传感器161'、 163'和165'的检测器162' 各接收来自相应发射器164的信号。然而，旋转编码器l可定位成使 得仅仅传感器161'和163', 161'和165'， 163'和165', 161'、 163'和165' 的检测器162接收信号或者所有这些传感器的检测器162'均不接收信 号。无论旋转编码器1位于何处，检测器162将在发射器164促动时 接收信号。在一特定实施例中，发射器164和检测器162能够竖直地 和左右地直接通信。因此，当促动三个发射器164时，三个检测器162 将接收信号，并且如果编码器轮中的开口(即，编码分段)位于发射器 164与4企测器162'之间，那么三个#:测器162'可接收信号。因此，产生6比特的数据。
采用这种方式，当促动位于顶板170上的传感器161'、 163'和165' 的发射器164'时，产生6比特的数据。促动相同传感器的检测器162'， 以及在旋转编码器1的底侧上的传感器161、 163和165的4企测器162。 可促动编码轮30的传感器161、 163和165。然后，可促动编码轮30 的传感器161'、 163'和165'。关于编码轮40至110，可继续这种替代 的传感器促动模式。
关于定时轮20，传感器161和161'可如上文关于编码轮30至110 所述而促动。在一特定实施例中，继续促动传感器169和169'的发射 器。在图2所示的实施例中，传感器169'包括两个发射器，传感器169 包括两个检测器。在一特定实施例中，所有其它的传感器各具有发射 器和一企测器。在一特定实施例中， 一次仅仅促动传感器169的一个发 射器。
第一检测器162a和第二检测器162b可定位成使得当定时标记28 存在于第一检测器162a上时，定时标记28不存在于第二4企测器162b 上。这示于图l中，其中检测器162a和任选的发射器164是可见的， 但冲企测器162b是不可见的。
或者，传感器169和169'可各具有发射器和检测器，且可禁止 (disable)直接的左右传送特性。可通过使用不同类型的传感器或在检 测器162和162'和/或发射器164和164'的边缘周围放置遮挡件而禁止 这种特性。
传感器169和169'还可包括其它的发射器和检测器。例如，图2 示出传感器169中的检测器164,其对应于传感器169'中的检测器 162'。发射器164可放置于距第一检测器162a足够远的距离，使得第 一检测器162a在促动发射器164时不接收光信号。在一替代实施例中， 发射器164，第一发射器164a'和第二发射器164b'可交替地促动。
传感器160和160'提供三级冗余。首先，如果发射器164'和164 和检测器162'与162中的任一个失效，那么传感器160和160'仍然是可操作的。例如，如果编码轮80的传感器161的发射器164失效， 那么传感器161仍然可操作，因为传感器161'的发射器164'仍然能够 与传感器161的检测器162通信。
第二级冗余来自内置式自测试功能。将检测器162放置在发射器 164附近而提供自测试。即使由于编码轮的位置而不存在无障碍光路， 检测器162将在促动发射器164时接收信号。如果检测器162不接收 信号，那么发射器164和检测器162(或附带的电路和处理)中的任一个 或两个出现故障。 一旦编码轮移动到存在无障碍光路的位置，如果检 测器192未接收到信号，则可能是发射器164出现故障。检测器162' 和164的寿命可通过促动发射器164'来确定。如果检测器164、检测 器162'或发射器164'开始出现故障而不是发射器164出现故障，那么 采用类似的逻辑。
当确定哪个位置由传感器160和160'识别时，处理器150将考虑 任何失效的构件，诸如发射器164或检测器162'。例如，如果与编码 轮80相邻的传感器163的检测器162失效，那么处理器150可针对 如下事实进行补偿，即传感器163和163'将不检测在编码轮80旋转中 相同点的阻挡的光路。或者，使用相同的示例，如果检测器162未接 收信号，那么检测器162可由相邻发射器164来测试，以确定检测器 162是否为操作的。发射器164'可由相邻检测器162'测试，以确定发 射器164'是否为问题的原因。如果发射器164'和检测器162为操作的 且发射器164'正在发送，但是检测器162未接收到该传送，那么外环 89阻挡发射器164'与检测器162之间的光路。而且，如果检测器162 已失效，那么处理器150可估计编码轮30至70和90至IIO的位置， 以确定外环89是否实际上阻挡出现故障的检测器162。
可通过利用维特比(Viterbi)解码由传感器160和160'中的任一个 来提供第三冗余。例如，传感器163的输出或者传感器165的输出可 用于产生维特比比特(v-bit)。如果传感器160或传感器160'不操作以 产生v-比特，那么传感器160或160'用于产生数据-比特。在一特定实施例中，传感器165和165'用于产生v-比特。维特比解码算法是前向 纠错技术。V比特提供可用于对其它的2-比特的位置进行精确解码的 冗余数据。在此实施例中，传感器161和161'可提供l-比特数据，传 感器163和163'可提供2-比特数据。通过使用v-比特，由传感器161 和161'和传感器163和163'所产生的信号与最佳位置的角度偏移可为 +/-22.5度而不造成编码错误。因此，即使在存在偏移的情况下接收信 号，也将仍然指示轮的真实位置。在一个编码轮上的v-比特也明确相 邻编码轮的真实位置。例如，编码轮30的v-比特帮助明确编码轮40 的真实位置。
维特比解码并不是编码轮30至110可被，没计成对其进行实施的 唯一解码算法。用于本发明的其它适当算法例如包括序列解码、里德 索罗门编码(Reed-Solomon coding)和涡轮编码(turbo coding)。维特比解 码的另 一替代是齿轮计数。
在旋转编码器1中，产生v-比特的传感器165相对于传感器161 和163偏移。或者，传感器165可布置成与产生数据-比特的传感器 163或161对齐。图5示出了绝对编码器p走转编码器2)的实施例，其 中v-比特传感器2165定位成与数据-比特传感器2161对齐并且相对于 数据-比特传感器2163偏移。如参考定时轮2020可见，v-比特传感器 2165也可定位成检测内环2027上的编码分段2034。v-比特传感器2165
内环。因此，传感器161或传感器2161可为v-比特。
除了很少的差別之外，图5所示的旋转编码器2类似于旋转编码 器1进行操作。输入轮2010具有不同的齿数。编码分段2024将内环 2027分成二份而不是四份。此外，传感器2165包括于与传感器2161 相同的同心环中。定时轮2020包括小齿轮2025，中间小齿轮2180在 小齿轮2025的任一侧上。
轮2035。编码轮2030具有内环2037和外环2039,内环2037具有编码分段2034,外环2039具有编码分段2038。编码分段2034和2038 从编码轮2030的顶表面延伸到轮2030的底表面。编码分段2038示 出为占据外环2039的二分之一的连续弧形分段。编码分段2034包括 两个不同的弧形分段，即分段2034a和分段2034b，其中的每一个被 示出占据内环的四分之一且彼此等距地间隔开。分段2034a的中部与 编码分段2038的中部对齐。分段2034b占据与分段2034直接相对的 空间。
编码轮2040包括具有齿2042的齿轮2041和具有齿2046的小齿 轮2045。小齿轮2045安装于编码轮2040的底侧上。在图5的实施例 中，可穿过编码轮2040看到小齿轮2045。编码轮2040具有编码分l殳 2044和2088,类似于编码轮2030。出于说明的目的，在图5中仅标 注了定时轮2020和编码4仑2030的编码分l爻。
编码轮2050、 2070、 2090和2110可与编码轮2030相同。编码 轮2060、 2080和2100可与编码轮2060相同。术语"内环"、"多 个内环"、"外环，，、"多个外环"、"编码分段"和"多个编码分 段"用于描述旋转编码器2,其以与旋转编码器1相同的方式使用。
输入轮2010与中间小齿轮2180啮合，而中间小齿轮2180与定 时轮2020的小齿轮2025啮合。小齿轮2025与中间小齿轮2180啮合， 而中间小齿轮2180与编码轮2030的齿轮2031啮合。编码轮30的小 齿轮2035与编码轮2040的齿轮2041啮合，以此类推直至编码轮2110。 编码轮2030至2110以与编码轮30至110相同的方式啮合。
在本实施例中，输入4仑2010的齿和编码專仑2030、 2050、 2070、 2090和2110的齿轮可纟皮配置成位于与定时轮2020和编码轮2040、 2060、 2080和2100的小齿轮相同的平面中。编码轮2030、 2050、 2070、 2090和2110的小齿轮可布置于与编码轮2040、 2060、 2080和2100 的齿轮相同的平面中。
参看旋转编码器1,传感器160和160'提供转动输入轮10的输入 轴的绝对位置的指示。如图所示，旋转编码器1是18比特绝对编码器。因此，旋转编码器1能够表示262,144个位置。当然，无需使用 所有的位置。可通过向轮系的端部添加轮和传感器或者从轮系的端部 减少轮和传感器来增大或缩小旋转编码器1。每个轮可提供三个传感 器160和160'。或者，轮系中的每个轮或至少最后一个轮可才是供<又<叉 一个或两个传感器组160和160'，只要传感器被定位成作为编码值中 的下一个更高位的比特。旋转编码器1也可仅具有单个编码轮，其用 作速度和位置数据的来源。旋转编码器1也可仅具有单个位置编码轮 和单独的速度传感机构，诸如定时轮。此外，编码轮中的每一个可具 有任意多个编码分^a和相应的传感器160和160'。旋转编码器1可为 利用传感器160和160'的任何编码器设计。
如上文所讨论，传感器160和160'能够在编码分段布置于传感器 之间时通信，从而提供无障碍光路。在传感器160中，当接收到信号 时，检测器162输出逻辑0值；当未接收到信号时输出逻辑l值。同 样，在传感器160'中，当接收到信号时检测器162'输出逻辑0值；当 未接收到信号时，输出逻辑1值。因此，当编码分段位于传感器160 与传感器160'之间时，当促动发射器164时，处理器150接收两个单 独的逻辑输入 一个输入来自检测位置的检测器162'， 一个输入来自 执行自测试的检测器162。 一旦停用发射器164并促动发射器164'， 那么处理器150接收2个单独的逻辑输入 一个逻辑输入来检测位置 的检测器162, —个逻辑输入来自执行自测试的检测器162'。
如果内环或外环阻挡传感器160与160'之间的通信，那么处理器 150将接收代表位置代码的比特值的逻辑0输入和代表与此比特位置 相关的发射器的成功测试的逻辑1输入。例如，当促动发射器164时， 检测器162'将被阻挡而不能接收信号且将发送逻辑1。检测器162仍 然通过直接左右传送而接收信号，并且因此将逻辑0传送至处理器 150。
当处理器150从检测器162'接收逻辑0信号并且相对发射器164 被促动时，处理器150认识到肯定存在编码分段。当促动发射器164'且检测器162传送逻辑0信号时，实现相同的结果。本实施例使用0 和逻辑o信号；然而，也可使用0和5伏、1和5伏或任何其它常用 传感器信号或者其组合。此外，检测器162和162'可设计成使得在未 接收到光信号时产生逻辑0和接收到光信号时产生0伏。在这样的实 施例中，处理器150将在从检测器162'接收到0伏并且发射器164被 促动时接收传感器160与160'之间的编码分段的指示。
在一特定实施例中，由发射器164对相邻检测器162进行的自测 试通过从发射器164的侧部到检测器162的直接传送而执行。例如， 检测器162可位于距发射器164的距离为0.5 mm处。或者，可使用 不能直接左右传送的传感器。在这样的实施例中，可经由反射进行自 测试。例如，当在传感器160与160'之间存在编码分段并且促动发射 器164时，仅仅检测器162接收信号。当促动发射器164'时，仅仅检 测器162接收信号。这将允许发射器164和164'同时促动。当不存在 编码分段使得光在传感器160与传感器160'之间被阻挡时，检测器162 和162'可适于接收反射光信号。在这种情形下，当促动发射器164时， 光可从内环或外环的底表面发射出来。检测器162可接收反射光的一 部分。检测器162可设计成在接收到任何光的情况下传送逻辑0。检 测器162可设计成传送与所接收的光的强度相当的电压。因此，当存 在编码分段时，检测器162可从位于检测器162直接上方的发射器164' 接收较高强度的直接光信号。当不存在编码分段时，检测器162可从 相邻发射器164接收较低强度的反射光信号。
在另一实施例中，编码分段可涂画于轮上，而不是依赖于轮的切 开分IS:。在这样的实施例中，在传感器160与160'之间不发生通信。 相反,检测器162从发射器164接收反射光。这同样适用于检测器162' 和发射器164'。例如，如果轮是非反射性的(例如，涂成黑色)且编码 分段是反射性的(例如，涂成白色)或轮是反射性的且编码分段是非反 射性的，那么检测器162'将在光^^编码分l殳反射出来时产生一个电压 且在光从非编码分段反射出来时产生不同的电压。此外，传感器160和160'最初可位于编码轮的相同側。
传感器160和160'已关于光学传感器进行了描述。然而，应了解 的是，多个其它传感器可用于本发明。传感器的其它适当示例包括但 不限于磁性传感器、霍尔效应传感器和电触点。本领域中已知用于增 量传感器和绝对编码器的任何类型的传感可用于本发明。编码分^炎也 可包括与选定传感器兼容的任何材料或配置。
处理器150也可设计成产生警报。如果检测器162、发射器164、 检测器162'、发射器164'、检测器162a、检测器162b、发射器164a' 或发射器164b'失效，处理器150可发出警报。对于不同的失效优先级 可提供不同的警报。在极端情况下，处理器150可设计成强迫由旋转 编码器1所监控的阀促动器或其它旋转装置停机。可以以多种方式来 表达警报，诸如，可视警报(诸如在岡促动器的控制面板上或在控制站 上闪光或LCD消息)，可听警报或书面警告。
在传感器160和160'中，如果发射器164与164'和检测器162与 162'不能正常起作用，那么所产生的数据-比特或v-比特将被宣布为无
转编码器1所监控的阀促动器或其它旋转装置的性能的影响。也可基 于失效的比特数目来估计无效的比特值。
阀促动器的动作时间是阀从打开位置到关闭位置或者从关闭位 置到打开位置所用的时间。其它旋转装置的动作时间是旋转装置从第 一位置旋转到第二位置所用的时间。例如，对于工业巻筒，动作时间 是该巻筒从完全巻绕到完全展开所用的时间。当动作时间较长时，单 个比特仅对应于总动作时间的一^J、部分。因此，单个比特失效可能不 是非常关键的，从而提供警报或警告但不强迫机器停机，这可足以用 于这样的应用。如果动作时间较短，单个比特失效可表示实际位置与 旋转编码器1所表示的位置之间的较大偏差。因此，对于较短的动作 时间，除了提供警报或警告之外，单个比特失效可足以强迫旋转装置 停机。比特失效的重要性可取决于对于给定应用该动作时间的哪些部分可由比特失效表示。在一特定实施例中，用户能够配置所容许的准 确度损失的阈值，如果低于该阔值，BIST特征仅提供警报或警告，但
高于该阈值，BIST特征将强迫安全机器停机并且提供警报或警告。
对于并不具有预定的第一位置和第二位置的旋转装置，动作时间 可以是不固定的。这样的旋转装置的示例包括发动机的飞轮或涡轮机 的主轴。本发明的旋转编码器也可用于任何类型的旋转装置。
如上文所提到的，如果传感器160和160'的检测器162和162'通 过自测试都验证为可操作的，但检测器162并未接收到信号而检测器 162'接收信号，那么可检查其它轮的位置以确认相关轮的位置。在这 种情况下，由传感器160和160'所产生的数据-比特实际上是有效的， 但是传感器160和160'的一半被内环或外环阻挡。维特比逻辑操作可 从主要传感器组或冗余传感器组(即，发射器164或检测器162)得到相 同的位置代码。应了解的是，术语"主要"和"次要"或"冗余"是 任意的。
或者，传感器160和160'可完全起作用，但是旋转编码器1的不 同构件失效。例如，如果编码轮上的齿中的一个被剪掉，那么由传感 器160和160'所指示的当前位置可与基于传感器160和160'所提供的 先前数据而预测的位置不匹配。因此，虽然传感器160和160'正常工 作，但是它们并不指示正确位置。处理器150或某些其它处理器可提 供对于此错误的校正并产生警报。例如，如果编码轮60从齿轮61失 去齿62,那么编码轮60在每次旋转期间可能开始错过位置。因此， 由所有编码轮指示的阀位置将不再精确地对应于阀位置。这将表现为 如同阀跳到另一位置。在一实施例中，处理器150可搜寻编码轮的位 置所指示的阀位置的不连续。作为替代或作为补充，定时轮20可用 作增量编码器以验证编码轮的位置。处理器150(或任何其它适当处理 器)可在考虑到编码轮60所引入的错误的情况下重新计算阀位置。如 果失效的严重程度较大，那么处理器150也可产生警报和/或引起安全 停机。导致阀位置的不连续指示的旋转编码器1的任何失效可由处理器
150或与处理器150通信的任何其它处理器来识别。
传感器160和160'在本文中被描述为分别具有发射器和检测器。 或者，传感器160可被配置成仅具有发射器且传感器160'可被配置成 仅具有检测器。在其它实施例中，传感器160'可不存在于旋转编码器 l中。图2示出传感器160具有多个发射器和检测器。传感器169包 括发射器164、第一检测器162a和第二检测器162b。尽管未示出，传 感器169'包括相应的检测器162'、第一发射器164a'和第二发射器 164b'。第二检测器162b和第二发射器164b'可用于验证来自第一检测 器162a和第一发射器164a'的数据或有效地使由传感器169和169'所 产生的数据输出加倍。传感器160可包括任意多个的发射器、检测器 和/或二者。传感器160和160'可用于任何旋转编码器以提供容错速度 和位置数据。
图l至图5示出了绝对编码器，其中编码轮中的每一个仅具有内 环和外环。然而，编码轮中的每一个可具有任意数目的环，而没有限 制。例如，每个编码轮可具有3、 4、 5或6个环。对于每个环可提供 至少一个传感器160和至少一个传感器160'。因此，环的数目可决定 每个编码轮可产生的数据-比特的数目。
每个编码轮的环的数目由允许传感器160与160'彼此通信所需的 编码轮的大小和编码分段的宽度来决定。此外，应在环之间提供足够 的间隙来限制在相同侧上的传感器之间的串扰。例如，提供间隙以防 止传感器161的检测器162记录来自传感器163的发射器164的信号。 然而，也可使用除了间隙之外的其它技术，诸如使用上文所讨论的防 賊罩，以限制串扰并允许更小的编码轮直径。
任意数目的编码轮可添加到本发明的编码器。例如，旋转编码器 1可提供动作时间为一小时的常用速度阀促动器的位置数据。添加多 个编码轮将提供更多的数据比特并增加可由旋转编码器1操纵的动作 时间。当然，旋转编码器1也可用于动作时间小于一小时的阀促动器和其它旋转装置。旋转编码器1也可具有比图1至图4所示的编码轮 更少的编码轮。
此外，旋转编码器l可为单轮绝对编码器或单轮增量编码器。在
这些实施例中，传感器160和160'可包括多个发射器和检测器，从而 提供内置式自测试和容错操作。因此， 一组传感器160和160'可监控 多个编码分段，诸如定时标记28或编码分賴:34,或者一组传感器160 和160'可监控单个编码分段，诸如编码分段38。
此外，定时轮20可用作与旋转编码器1的其余部分的绝对编码 功能相结合的增量编码器。例如，特定增量编码器实施例可成比例地 设定为可使得增量脉冲速率准确地匹配编码器的绝对部分的计数速 率。以此方式，在促动器操作时增量编码器可用于获得位置数据。当 电机停止时，在电机回转开始时添加到绝对位置代码的最终增量计数 应与新的绝对编码位置精确地匹配。
如杲定时轮20(也起到增量编码器的作用)所指示的位置不同于由 编码轮所指示的位置，那么可对传感器160和160'执行自测试。如果 自测试确认所有传感器160和160'均正常起作用，那么可能编码轮不 正常地追踪。因此，可产生警报或警告。在一特定实施例中，在此情 形下，旋转编码器可依赖于增量编码器直到维修旋转编码器。
旋转编码器1和2设计成使用格雷编码；然而，也可使用二进制 编码。使用v-比特和重复传感器使得旋转编码器1和2将绝不相差超 过一个最低有效位[LSB],从而增加用户对编码器值可靠性的信心。
本发明可用于在两个位置之间旋转的许多种旋转装置，诸如，阀 促动器、开门器或巻筒。在典型的阀促动器中，电机可经由一组齿轮 来驱动阀。电机的输出轴可直接联接到蜗杆。蜗杆可驱动蜗轮组件， 蜗轮组件又驱动传动套筒或轴，而传动套筒或轴提升和降低或者转动 阀杆。第二轴也可由蜗轮组件驱动，以便驱动旋转编码器1的输入轮 10。或者，阀促动器可使用不同的齿轮组，或者电机输出轴可直接联 接到阀杆而无需中间齿轮组。在本领域中存在很多种适用于本发明的将旋转位置编码器连接到旋转装置的方法，但这些方法将不再本文中 展开讨论。在一优选实施例中，旋转编码器1和2可用于对诸如阀促 动器的旋转装置执行诊断，关于诊断功能，旋转编码器l将用作示范 性示例。然而，也可使用本发明的其它编码器，诸如旋转编码器2。
此外，定时轮20可合并到任何旋转编码器内。定时轮20可为增量编 码器的编码轮或单轮绝对编码器的编码轮。例如，定时标记28可用 于绝对编码器的位置编码。或者，如图1所示，定时轮20也可包括 与定时标记28分开的编码分段。在另一实施例中，定时标记28可为 较大编码图案的一部分，诸如单轮绝对编码器的编码图案。在一特定 实施例中，定时轮20可为与其它编码轮分开或结合的增量编码器。 在该实施例中，定时标记28不仅用于产生速度数据，而且产生增量 位置数据。定时标记28，类似于编码分段，可采取与传感器160和 160'—起工作所需的任何形式或结构。定时标记28可为孔、线、嵌入 磁体、雕刻或本领域中已知用于绝对编码器或增量编码器的任何其它 结构。
定时轮20和2020分别示出为具有三十二个定时标记28和定时 标记2028。然而，定时轮20和2020可具有任意数目的定时标记28。
关于频率分析，在下文最初讨论对速度数据执行频率分析(在本文 中也被称作频域分析)的特定实施例，之后讨论非速度数据实施例。此 外，出于说明目的，定时轮20或定时轮20的定时标记28常常在本 文中被称作速度数据源。在其它实施例中，任何类型的速度传感器， 无论具有旋转位置传感器还是不具有旋转位置传感器，可用于诊断 (即，频率分析)。此外，关于速度数据的频率分析的讨论同样适用于 其它数据实施例。其它数据实施例可例如包括扭矩数据、位置数据、 推力数据、噪声数据、电流数据、电压数据、电机功率数据、电机的 伏安反应数据以及振动数据。多种数椐类型和传感器类型可用于频率 分析，如本领域中所知。本发明涵盖可经由传感器和阀促动器或其它 旋转装置可产生的任何数据类型。尽管下文的讨论涉及旋转编码器1,但是应了解的是，该讨论同
样适用于旋转编码器2。定时轮20上的定时标记28可用于产生速度 数据。传感器169和169'可记录定时标记28中的每一个呈现于传感器 前的时间长度。然后此驻留时间可用于精确地确定诸如阀促动器的旋 转装置的速度。速度数据可用于确定驱动输入轮10的输入轴的速度。 而输入轴常常附连到其它旋转装置，诸如阀驱动器的蜗轮。因此，定 时标记28可用于确定诸如蜗轮的其它旋转装置的速度。
在特定实施例中，定时标记28被配置为在定时轮20中等间距和 等大小的孔。然而，先前所讨论的编码分段实施例和传感器实施例中 的任何实施例也分别用于定时标记28和传感器169和169'的实施例。
由定时标记28所产生的速度数据可利用FT来操作，以将速度数 据从时域转换成频域。然而，可使用任何类型的速度传感器来产生速 度数据，以转换成频率数据。
FT预期信号样品以规则隔开的时间间隔发生。然而，由于在本发 明中的速度信号的驻留时间值可能不是恒定的，故可采用措施以允许 FT得到有效信息。通过选择足够大量的数据点，在机器以稳态进行操 作时，这些数据点中的绝大多数将被采用，较大数据集的平均驻留时 间可用作每个数据样品的"规则"驻留时间[td]。此'规则，驻留时间 可用于标定(scale)所得FT的频率标度(fn (Hz) = l/(td * #样品)。在适 当地标定频率数据时，数据向操作者提供足够的信息来确定与传动系 的各个构件的已知旋转速度相关联的速度变化，且可指示阀促动器或 其它旋转装置的传动系中现有的或可能要出现的问题。例如，当设备 较新时，将形成基线频率与振幅的图表或曲线并进行保存。之后，可 形成新的频率与振幅的图表或曲线并与所保存的基线图表或曲线相 比较。如果对应于给定构件的操作频率的峰值出现在与先前所测量的 频率或振幅不同的频率或振幅处，那么显而易见的是，与该频率相关 联的构件的特性不同于较新的时候，这通常指示磨损和可能失效或即 将发生的失效。因此，可在构件失效之前在适宜的时间执行适当的维护。此外，可计划进行FT分析，以在处理器150中自动地运行，处 理器150可被编程和配置为使得超过所配置的阈值的峰值振幅变化可 用于产生自动的警报或警告或强迫机器安全停机。可使用本领域中已 知的任何适当地标定频率数据的方法。
频域分析的示例包括于图6至图8中。图6示出阀促动器在频域 中无问题诊断或"良好"传动系的示例。图6示出了在45.9 Hz的峰 值；然而，相对于促动器的操作速度测量的0.1%幅值(在26 rpm或 0.43Hz时，幅值为100%)的嶂值不具有足以引起关注的幅值。图7示 出在频域中产生若干不正常信号的阀促动器或"坏，，传动系的示例。 不正常信号的频率可用于识别出现问题的传动系构件。在图7中，蜗 杆或蜗轮超出容限。例如，在26.1 Hz的峰值指示出现问题。然而， 在52.5 Hz和78.6 Hz的峰值是26.1 Hz峰值的谐波。
处理器150或执行FT的处理器可设计成自动地产生用于显著峰 值(例如，超过预定阈值)的适当标记。例如，处理器可包括设计成使 当前所产生的峰值与先前所产生的峰值的振幅和频率相匹配的程序。 在该实施例中，如果处理器不能够识别峰值，那么这个失效可用作对 操作者的存在潜在问题的警告。或者，频域中的数据可与阀促动器的 传动系的部件手动地相关。可训练操作者来识别并理解不同峰值的相 关性。例如，如果旋转编码器1存在于阀促动器中，那么定时轮20 和传感器169和169'可用于识别传动系构件的速度。在一特定实施例 中，驱动输入轮10的输入轴由蜗轮驱动。因此，速度传感器可用于 确定蜗轮的速度，并因此确定频率。然后，基于齿轮比，可计算其它 传动系构件的频率。然后，可^4居频域中的数据的图形表现来识别构 件频率和任何谐波。另一方面，如果速度传感器不存在于阀促动器中， 而是已知实际的电机轴速度，那么该信息可用于产生构件频率。可采 用电机的实际速度的各种类型的电测量或磁测量，因此进一步提高系 统整体上的诊断能力。在许多情况下，工厂人员将执行上述手动识别。 因此，可向终端用户提供预先标注的样品频域曲线和相互关系。在一特定实施例中，可下载促动器的内置信息(齿轮比、电机速度、 每个齿轮的齿、每个轴承的球等)，以储存于促动器的电子封装中。然 后，机载CPU可参考所储存的信息并推导出传动系的哪部分造成该变
化。FT的绘图可直接显示于促动器的LED屏幕上，或者数据阵列可 被下载到操作者的资源管理系统用于分析或被下载到服务技师的便 携式电脑或PDA上以传送到总公司进行具体分析。
用于收集数据和/或执行频率分析的编程可储存于固件、软件、硬 件或本领域中已知的任何其它装置中。例如，频率分析编程可储存于 阀促动器的固件中。
此外，操作者可简单地通过比较当前分析与先前分析而识别频域 中的峰值。先前分析可为在工厂中进行的分析。然而，可存在需要或 必需独立于任何先前分析而识别频域中的峰值的情形。例如，在新阀 促动器的设计阶段，工程师可能希望对新的原型执行频率分析以确保 原型设计中没有内在的缩短寿命的振动、共振和/或谐波。或者，频率 分析可用作在组装后装运前对工具进行4企查，以确定机械传动系的某 些部件是否被制造成具有物理缺陷。
内置于旋转编码器内，或内置于阀促动器或其它旋转装置内或与 阀促动器或其它旋转装置相关联的处理器可执行FT。显示器、打印机 或其它输出装置可合并到阀促动器内，用于以图表或图形的形式来显 示结果。或者，由定时标记28所产生的速度数据可传送至诸如操作 者PC的远程计算机，以对速度数据执行FT并以更加用户友好的格式 显示，或传送数据或FT到可能位于现场或远离现场的技师。
提供更多的样品可导致在对速度数据进行FT后更细致的频率分 辨率。可通过增加取得样品的时间长度或通过增加取样速率来提供更 多的样品。图8至图15示出了由以每秒17个样品取得的数据所产生 的曲线图。图8示出利用总共128个样品的阀促动器的频率分析分辨 率。图9示出在对速度数据执行FT之前的图8的速度数椐。图10示 出利用总共256个样品的阀促动器的频率分析分辨率。图11示出在对速度数据执行FT之前的图10的速度数据。图12示出利用总共512 个样品的阀促动器的频率分析分辨率。图13示出在对速度数据执行 FT之前图12的速度数据。图14示出利用总共1024个样品的阀促动 器的频率分析分辨率。如图所示，频率分析的分辨率随着样品数目的 增加而提高。
本领域中已知的任何类型的频率分析可用于本发明。在所描述的 特定实施例中，使用等于2n的多个样品来对速度数据执行FT,其中n 是任何整数。因此，样品的总数例如等于128、 256、 512、 1024、 2048、 4096、 8192等。因此，如果取得3500个样品，那么仅仅2048个样品 可用于FT。在其它实施例中，可对并不精确地等于2n的样品执行FT。 然而，在那些实施例中，泄露可能成为一个关注问题。在本领域中已 知用于解决泄露的技术。
此外，在一特定实施例中，FT利用在稳态所取得的样品。因此， 定时轮20以相对恒定的速度转动。当旋转编码器1合并于电驱动阀 促动器内时，定时轮20将在一段时间加速和减速。在加速期间所产 生的速度数据和减速数据可在执行FT之前被进行舍项(truncate)、平 均(average)或开窗(window)。瞬时频率分析是本领域中已知的且可用 于替代舍项数据。
可通过算法对速度数据执行舍项，该算法被设计成在FT处理之 前分析速度数据以便去除任何加速数据或减速数据。或者，速度数据 可被舍项以使样品数目与FT的2"要求兼容。
如本文所用的短语FT涵盖4艮宽的算法范围，包括快速傅里叶变 换。如本文所用的FT涵盖四个傅里叶变换大类连续傅里叶变换、 傅里叶级数、离散时间傅里叶变换和离散傅里叶变换。还存在被设计 成处理近似和非均匀数据的FT算法。离散傅里叶变换最常用于数字 信号处理。如本文所用的短语FT涵盖与所产生的数据兼容的任何算 法。
动作时间表示可取得样品的最长时间。例如，对于阀促动器而言，阀从打开位置移动到关闭位置或从关闭位置移动到打开位置所需的
时间是可采集速度数据的最大量时间。阀仅仅可部分地移动，因此仅
仅动作时间的一部分可用于速度数据取样。增加所产生的速度数据样 品的一个示范性方法包括增加取样速率。取样速率由定时轮20的速
度和定时标记28的数目来决定。旋转编码器1和2能够具有远高于 每秒钟17个样品的取样速率。
增加所产生的数据样品数目的另 一方法包括在多个动作时间收 集数据。每个新的数据集可与现有数据收集联合，直至样品计数足够 高以允许利用FT对其操作。 一旦数据集满了，则任何新数据样品可 替换最旧的数据样品，从而维持最新的数据集用于分析。可在诸如数 据表中储存速度或位置数据，用于接近实时或者随后的频域分析。
图15提供可能的取样速率和可用于频率分析的所得样品总数的 表。在图15中，增量脉冲频率等于以Hz为单位的取样速率。速度 DS是阀促动器的传动套筒(DS)的传动速度。然而，速度DS可与任何 装置的旋转构件相关。锥齿组速度倍数(Bevel Set Speed Multiplier)表 示将DS连接至驱动输入轮10的输入轴的齿轮所造成的速度增加。输 入轮10速度倍数表示在输入轮10的齿轮11与定时轮20的小齿轮25 之间的齿轮比所造成的速度增加。
旋转装置的旋转构件的示例是阀促动器的传动套筒。输入轴可经 由锥齿組将传动套筒互连至输入轮10。本领域中已知的任何连接方式 可用于驱动输入轮IO。作为数据取样的一个可能的示例，如果传动套 筒以200rpm转动，且如果锥齿组导致大约4.8:1的速度增加，那么输 入轴将以960 rpm转动。因此，输入轮10可以以960rpm转动。输入 轮10驱动定时轮20。如果利用51/38的齿增速器(spur increaser)，那 么定时轮20以大约1288 rpm转动。1288 rpm除以60等于定时轮20 每秒的旋转。图1所示的示范性定时轮20具有32个定时标记。然而， 如果仅仅利用16个定时标记，那么每秒的旋转乘以定时标记的数目 得到每秒343个样品的取样速率(增量脉冲频率)。在相同的情形下，如果定时轮20具有32个定时标记，那么取样速率为每秒大约678个 样品。尼奎斯特(Nyquist)频率是取样频率的二分之一。取样速率乘以 以秒为单位的动作时间等于可在单个完整的动作期间收集的样品总 数。
图15示出了动作时间与取样速率在计算频率分析的准确度中的 相互影响。如果仅仅较短的速度数据运行是可用的，则一个替代方式 为在对数据执行FT之前将短运行联合在一起以提高频率分辨率。
图15使用汉宁窗(HanningWindow),以防止在数据集的开始和结 尾时速度信号的不连续所造成的频率值的失真。其它可能的窗包括矩 形窗、布莱克曼窗(Blackman)、汉明窗(Hamming)、凯泽窗(Kaiser)、 指数窗和平顶窗。然而，在本领域中已知的任何窗可用于估计速度数 据。在本领域中已知如何不使用窗来执行频率分析。在本领域中已知 的用于执行频率分析的任何方法可用于本发明。
可在逐个的基础上估计频率数据来确定峰值位置和幅值关于阀 促动器所提示的内容。或者，频率分析可与已知频率分析特征 (signature)相比较，以确定阀促动器或其它旋转装置的健康状况。
图16至图19示出了可用于进行比较的代表性频率分析。图18 和图19示出了大体上取决于阀促动器或其它旋转装置的旋转速度而 变化的速度变化。对于在稳态以每分钟26次旋转(rpm)操作的促动器 产生图16和图17的数据。对于在稳态以18rpm操作的促动器产生图 18和图19的数据。图16与图19和图17与图18分别利用相同编码 器小齿轮适配器。图16在45.4 Hz和91.1 Hz具有显著峰值。图19的 显著峰值更明显且更多。阀促动器或其它旋转装置内的许多问题可协 调表现为频域的单个峰值。在不同操作速度进行频率分析可揭露隐藏 于在一个速度的单个峰值内但在其它速度呈现为多个峰值的潜在问 题。
本发明的旋转编码器被描述为多轮绝对编码器。旋转编码器也可 为单轮绝对编码器或者增量编码器。例如，定时轮20可集成到与输入轮10相同的轮内。然后，输入轮IO可起到增量编码器以及定时轮
的作用。而且，编码轮30至110的编码分段可集成到输入轮10内， 如本领域所知。然后，输入轮10可起到单轮绝对编码器的作用。输 入轮10可设计成与输入轴的端部相配合，或替代地输入轮10可安装 于输入轴的周围，诸如在输入轴的纵向中心。然而，输入轮10可安 装于沿着输入轴的长度的任何点。
在先前，相对于速度数据讨论了频率分析。额外的数据实施例包 括扭矩数据。在测量扭矩的阀促动器中，扭矩的振荡可变换成频域。 在监控传递到阀杆的输出扭矩的情况下，也可在频域中分析扭矩数 据。合并于阀促动器内的处理器或远离阀促动器的处理器可以以上文 关于速度数据所讨论的方式中的任一种方式或通过本领域中已知的 任何技术将扭矩数据转换成频域。然后，可识别传动系构件的频率并 向操作者提供阀促动器健康状态的指示。
另一数据实施例包括推力数据。例如，阀促动器的电机联接到传 动系中的蜗杆/蜗轮的蜗杆。监控蜗轮的轴向推力以读取由蜗轮所传递 的扭矩。合并到阀促动器内的处理器或远离阀促动器的处理器可将推 力数据转换成频域，类似于上文关于速度数据所讨论的方法中的任一
种方法或通过本领域中已知的任何技术。可由操作者或者计算机程序 来识别传动系构件的频率。因此，提供阀促动器的诊断。此外，可利 用多个推力传感器。
额外数据实施例包括振动数据。例如，八个加速度计放置于阀促 动器中的多个位置。所有八个加速度计将读取阀促动器中的相同的振 动。然而，最靠近给定振动源的加速度计将具有更强的信号。观察来 自频域中所有八个传感器的振动数据可允许查明振动源。振动的频率 可与传动系构件相关。因此，操作者可被警告阀促动器的任何可能即
将发生的问题。
可在这些实施例中的任何实施例中利用任意数目的传感器。例 如，可利用多于一个的速度传感器。此外，可利用不同类型的多个传感器。例如，阀促动器可包括旋转编码器，诸如旋转编码器1。阀促 动器还可包括轴向推力传感器。可对定时轮20所产生的速度数据， 对推力数据或对二者进行频率分析。
将由本发明监控的旋转装置或阀促动器可由电机、'夜尿、发动机、 手轮或本领域中已知的任何其它驱动装置来驱动。
尽管前文的描述含有许多具体情况，但是并不被认为其限制本发 明的范围，而只是提供某些示范性实施例。同样，在不偏离本发明的 精神或范围的情况下可设计本发明的其它实施例。因此，本发明的范 围可仅由所附权利要求书及其法律意义上的等同物所表示和限制，而 不是由前文的描述所表示和限制。本文所公开的属于权利要求书的意 义和范围内的对本发明的所有添加、删除和修改也涵盖于本发明中。
权利要求
1. 一种用于旋转装置的旋转编码器，所述旋转编码器包括一个或多个编码轮，所述一个或多个编码轮中的每个编码轮包括可操作以对所述旋转装置的位置进行编码的至少一个编码分段，和至少一个双组传感器，其可操作以监控所述至少一个编码分段。
2. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述旋转编 码器还包括定时机构。
3. 根据权利要求2所述的旋转编码器，其特征在于，所述定时机 构结合在所述一个或多个编码轮中的一个中。
4. 根据权利要求2所述的旋转编码器，其特征在于，所述定时机 构包括可操作地连接至所述一个或多个编码轮的分离的定时轮。
5. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述一个或 多个编码轮构造为允许利用维特比逻辑进^f亍解码。
6. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述至少一 个双组传感器能够经由直接传送而进行自测试。
7. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述至少一 个双组传感器中的每組传感器与另 一组传感器相对。
8. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述至少一 个双组传感器中的每组传感器平行于另 一组传感器。
9. 根据权利要求l所述的旋转编码器，其特征在于，所述旋转编 码器是绝对编码器或增量编码器。
10. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述一个或多个编码4仑中的一个可梯:作以进^f亍增量编码，并且所述一个或多个 编码4仑中的至少一个可操作以进4亍绝对编码。
11. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述至少 一个编码分段可操作以对所述旋转装置的多个位置进行编码。
12. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述至少一个编码分段包括多个编码分段，并且所述旋转编码器还包括至少一 个双组传感器用于所述多个编码分段中的每一个。
13. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述至少一个双组传感器可操作以监控多个编码分段。
14. 根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述至少 一个编码分段包括彼此相对不对称地定向的多个编码分段。
15. —种绝对编码器，其包括 输入轮，其构造成用于接收旋转输入；定时轮，其能够产生速度数据并且由所述输入轮来驱动； 多个编码轮，其可操作地联接至所述定时轮；和 多个传感器，其构造成用于4企测所述多个编码轮和所述定时轮的 位置，其中，所述多个传感器中的每一个包括冗余传感器。
16. 根据权利要求15所述的绝对编码器，其特征在于，所述绝对 编码器包括处理器，其可操作以将由所述定时轮所产生的速度数据变 换成频率数据。
17. 才艮据权利要求15所述的绝对编码器，其特征在于，所述多个 传感器选自光学传感器、霍尔效应传感器、磁性传感器或电触点。
18. 根据权利要求15所述的绝对编码器，其特征在于，所述多个 传感器和所述冗余传感器能够当所述多个传感器或所述冗余传感器 被促动时彼此进行测试。
19. 一种阀促动器，其包括 绝对编码器，其包括至少一个编码器盘；多个传感器，其可操作以读取所述至少一个编码器盘； 速度传感器，其可操作以产生速度数据；和 至少一个重复传感器，其用于所迷多个传感器和所述速度 传感器中的每一个；和适于驱动所述绝对编码器的传动系。
20. 根据权利要求19所述的阀促动器，其特征在于，所述阀促动 器还包括适于在所述编码器的构件失效时产生警"l艮的处理器。
21. 根据权利要求20所述的阀促动器，其特征在于，所述处理器 适于估计所述构件失效对由所述绝对编码器所指示的位置产生的影 响。
22. 根据权利要求21所述的阀促动器，其特征在于，所述处理器 适于关闭所述阀促动器。
23. 根据权利要求21所述的阀促动器，其特征在于，所述处理器 适于产生警报。
24. 根据权利要求20所述的阀促动器，其特征在于，构件失效包 括所述多个传感器中的一个、所述速度传感器或所述相应的重复传感 器中的 一个不能操作或者在错误的时间操作。
25. 根据权利要求20所述的阀促动器，其特征在于，所述处理器 还适于当在阀位置的记录中指示不连续性时产生警报。
26. 根据权利要求19所述的岡促动器，其特征在于，所述阀促动 器还包括适于从所述速度传感器接收速度数据并对所述速度数据执 行频域分析的处理器。
27. 根据权利要求26所述的阀促动器，其特征在于，所述处理器 是所述绝对编码器的一部分。
28. 根据权利要求19所述的阀促动器，其特征在于，所述传动系 的传动套筒适于驱动所述绝对编码器。
全文摘要
一种带有冗余和容错位置检测的利用内置式自测试能力的旋转编码器。其中，旋转编码器用于包括阀促动器的多种旋转装置，用于产生速度数据。用于诊断阀促动器问题和其它旋转装置的应用包括对速度、位置、扭矩、推力或振动数据执行频率分析，其中包括由旋转编码器提供的阀的速度或位置数据。
文档编号G01B5/28GK101473185SQ200680055069
公开日2009年7月1日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者B·弗罗伊里, D·J·莫里斯, W·C·霍斯, W·T·多伦蒂 申请人:芙罗服务管理公司