专利名称：用于测量旋转的可移动部件的轴向移动的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量旋转的可移动部件的移动的系统、以及用于测量旋转中的可移动部件的轴向移动的方法。更具体地，本发明涉及围绕轴线旋转并沿平行于该旋转轴线的轴线平移的可移动部件的轴向移动的测量。
背景技术：
为适当地操作，铰接接合(pin joint)需要轴向的操作间隙。但是，该间隙一般随着导向部件和轴承的状况而变化。因此，有必要测量轴向间隙，所述轴向间隙为轴承磨损的良好指标。例如，在铁路客车轴箱中，轴承受到摩擦腐蚀，当轴承环磨损时以及随着轴承环的磨损，其导致轴向间隙可能超过1_。在现有技术中，使用编码器和传感器测量旋转部件的移动的磁系统是已知的。编码器一般为磁环，该磁环与旋转部件结合为一体并包括环形磁道，在磁道上以相同距离分布的多个南、北磁极对被磁化。固定传感器径向设置在磁磁道的相对侧，并由对磁场敏感的元件组成。传感器发出磁信号，更具体地，磁信号的频率使得可以确定旋转部件的转速。但是，这种系统不允许测量旋转的可移动部件的轴向移动。公知的是，将传感器与磁环相对设置，并测量磁场强度的变化以便确定旋转部件的轴向移动。但是，由于磁场强度的测量显示出明显的温度漂移，所以这种测量不可靠。因此，该系统不能应用到具有明显温度变化的严酷环境中。为确定孔中的轴的轴向位移，也存在“轴端”解决方案，其中，位置传感器或近程式传感器与轴端相对地安装。但是，该方案除了因整体尺寸而在某些情况下行不通的事实外，轴端有时具有返回当前圆锥形小齿轮的作用，这使得该方案行不通。另外，专利申请EP1875422公开了一种用于检测轴向位移的系统。该系统使用与旋转部件结合成一体的多极磁环以及径向相对设置且距磁环圆周一读数距离(readingdistance)的固定传感器。环的外围上，具有相对于旋转部件的旋转轴线倾斜的特别的磁跃迁(magnetic transition)。当旋转部件轴向移动时,该系统检测到该特性任一侧的磁极长度的改变。因此，可以从其中推导出旋转部件的轴向位移。但是，每次旋转只能进行一次轴向位移的测量，并且在该磁极上的速度测量是不真实的。因此，该方案不适于高分辨率速度测量。日本专利申请JP 2006201157公开了一种可以测量旋转的可移动部件的轴向位移的系统。该测量系统包括与球轴承的内环构造成一体的环形编码器、以及固定至该轴承的外环并与传感器的环形编码磁道径向相对设置的一个或两个传感器。在专利申请JP2006201157的图10中示出的一个实施例中，编码器包括两个编码磁道。两个磁道具有这样的图案，其具有沿相对的三角方向的恒定角螺旋形状。两个磁道中的每一个均相对设置有一传感器，并且计算单元根据传感器发出的信号之间的相差确定轴向位移。但是，该文件没有公开确定由传感器发出的信号之间的相位移的方法。如今，确定相位移值的精确性对于获得旋转的可移动部件的轴向移动的可靠值是非常重要的。另外，由于可移动部件的转速显示出极大的变化，所以精确地确定相位移值更加困难。
发明内容
本发明旨在通过提供用于测量旋转的可移动部件的轴向移动的系统和方法来克服这些问题，使得可以可靠且精确的方式测量所述部件的轴向位移。为此目的且根据第一个方面，本发明提供了一种用于测量沿轴线A旋转的可移动部件的轴向移动的系统，包括:-磁编码装置，包括至少一个环形环，该环形环固定至可移动部件，并且其上多个南北磁极对被磁化，这些磁极以相同的距离分布并且为具有轴线A的螺旋形；-用于检测磁场的装置，至少包括第一固定磁传感器和第二固定磁传感器，这些磁传感器以彼此相距非零轴向距离d设置，与编码装置的外围磁道径向相对并且相距一个读数的距离，并对由编码装置感生的磁场的变化敏感；以及-信号处理单元；-第一传感器包括:-第一多个敏感元件，位于垂直于轴线A的相同平面内，该敏感元件分成至少两个第一子组件；以及-电子电路，设置成用于根据由第一子组件发出的信号而发出正交的(inquadrature)且具有相同幅度的两个模拟信号SINl和COSl ;并且-信号处理单元包括:-计算器，用于根据信号SINl和COSl确定信号ARCTAN1= arc Tan (SIN1/C0S1)，以及-运算器，用于根据所述信号ARCTANl确定由第一传感器检测到(seen)的磁场与如由第二传感器检测到的磁场之间的相位移。因此，由第一和第二传感器发出的信号之间的相位移独立于可移动部件的转速变化进行测量。事实上，根据代表在所考虑的(considered) —对磁极上的传感器的绝对位置的信号ARC TANl来确定相位移值。因此，通过根据本发明的系统获得的轴向位移的测量具有减小的误差范围。另外，由于测量系统使用两个传感器，所以可以获得两个重复的速度测量。因此，重复测量保证了增加了速度测量中的安全性(security)，当速度测量应用于ABS或防滑系统中时这一点尤其有利。在一个实施例中，第二传感器包括:-第二多个敏感元件，位于垂直于轴线A的相同平面内，并分成至少两个第二子组件，以及
-电子电路，设置成用于根据由第二子组件发出的信号发出正交的且具有相同幅度的两个模拟信号SIN2和C0S2。在一个实施例中，信号处理单元包括运算器，该运算器用于当信号SIN2或C0S2经过预定阈值时根据信号ARC TANl的值确定瞬时角相位移。在另一个实施例中，信号处理单元包括:-计算器，用于根据信号SIN2和C0S2确定信号REF = arc Tan (SIN2/C0S2)；以及-运算器，用于根据ARCTANl与REF之间的差确定瞬时角相位移。信号ARC TANl和REF的值代表所考虑的一对磁极上的传感器的绝对位置，并且因此可以实时地得知轴的轴向位移。在另一个实施例中，第二传感器只包括一个对磁场敏感且发出信号REF的传感器，信号处理单元包括运算器，该运算器用于为当信号REF经过预定阈值时根据信号ARCTANl的值确定瞬时相位移。有利地，该 系统还包括分析器，该分析器用于存储瞬时相位移的极值并由此推导出编码装置与检测装置之间的轴向间隙。在一个实施例中，第一传感器和第二传感器位于共用的定制ASIC集成电路中。因此，限制了这种检测装置的整体尺寸并且便于其一体化。另外，两个传感器在同一集成电路上的一体化可以大幅减少测量系统的生产成本。在一个实施例中，所述第一环形环的磁极具有恒定螺旋角α，编码装置包括具有轴线A的且与可移动部件结合为一体的第二环形磁道，并且其上多个南、北磁极对被磁化，这些磁极以相同的距离分布，并且这些磁极相对于第一外围磁道的磁极倾斜。在一个实施例中，第二外围磁道的磁极沿平行于轴线A的方向延伸。在另一个实施例中，第二外围磁道的磁极为具有轴线A和恒定的螺旋角β的螺旋形。有利地，角β和角α相等并且为相对的三角方向。因此，记录的(noted)相位移更大并且轴向位移的测量的灵敏度加倍。根据第二个方面，本发明涉及一种用于测量围绕轴线A旋转的可移动部件相对于固定参考系统的轴向移动的方法，该方法至少包括以下步骤:-利用至少一个环形磁磁道产生相对于可移动部件的固定磁场，在与可移动部件有关的一参考系统中距离所述轴线A预定的径向距离的位置处，磁场的径向分量中的一个为磁道上所考虑的角位置 和磁道上所考虑的轴向位置X的函数F( 、X)，即:F ( Θ , X) = K.Ψ (P.[ Θ +G (X)])其中，P为整数，G为X的给定的严格递增函数，且Ψ为周期为2 π的周期函数，-根据代表由与参考系统相关且与环形磁道相对设置的第一固定传感器所检测到的磁场变化的信号，发出正交的且具有相同幅度的两个模拟信号SINl和C0S1，-根据信号SINl 和 COSl 确定信号 ARC TAN = arc Tan (SIN1/C0S1)，以及-发出参考信号REF,该参考信号为与固定参考系统相关并与第一传感器间隔一轴向距离d的第二固定传感器所检测到的磁磁道产生的磁场变化的函数，以及-根据信号ARCTANl和信号REF，确定由第一传感器检测的磁场变化与由第二传感器检测的磁场变化之间的瞬时相位移；以及-根据所述瞬时相位移，确定磁道相对于传感器的轴向位移。
因此，根据本发明的测量方法可以获得不因可移动部件的转速变化而改变的精确轴向位移测量。根据一个实施例，该方法包括以下步骤:-确定信号 REF = arc Tan (SIN2/C0S2)，-确定瞬时相位移，所述瞬时相位移为信号REF与信号ARCTAN1之间的差。根据另一个实施例，根据当信号REF沿至少一个预定方向经过预定阈值时由信号ARC TANl获得的值，确定相位移。有利地，信号REF与信号SIN2或与信号C0S2成比例。在一个实施例中，函数G为具有常数R的线性函数，SP:G(X) = R (X-XO)/XO。
在阅读以下参照附图进行的描述的同时，本发明的其它目的和优点将变得显而易见，附图中:图1是根据第一实施例的用于测量轴向位移的系统的示意图；图2是组成图1中的测量系统的磁环之一的详细示意图；图3是根据第二实施例的用于测量轴向位移的系统的示意图，图3’示出了当磁极具有螺旋形状其螺旋角ct根据函数a =f(x) = arctan2K χ变化时,来自环的一个磁极的磁跃迁的形状的曲线图；图4是根据第三实施例的测量系统以及由其检测装置发出的信号的示意图；以及图5是根据第四实施例的测量系统以及由其检测装置发出的信号的示意图。
具体实施例方式在下面的描述中，轴沿其旋转轴线A的位移被称为“轴向位移”。X指的是轴线Β( “编码”环的轴线)上的一个所考虑的点的轴向坐标，Y指的是在垂直于轴线B的平面上测量的环的外围磁道上的一点的曲线坐标。另外，“极长(polarlength)Lp”表示沿轴线Y测量的磁极的长度。另外，螺旋角在本说明书的意思中表示由磁极的螺旋线的切线相对于轴线X形成的角。此处，霍耳效应探针表示包括至少一个感应元件(通常为板形的半导体)的传感器，从而当电流I流过传感器时，并且当传感器还受到与该电流形成角度Θ的电磁感应B时，沿着垂直于电流I并垂直于电磁感应B的方向产生电压V (V = K.1.B.sin Θ )，K被称为“霍耳常数”且是感应元件的材料特性和几何学特性，并且K随温度变化。此处，“磁致电阻”表示对磁场强度敏感的变阻器，S卩，由半导体材料制成的电阻，当垂直于流经该电阻的电流的方向施加的单向磁场的强度改变时，其欧姆值改变。根据本发明的系统和方法旨在测量诸如图1和3示出的轴I的可移动部件围绕轴线A旋转以及平行于轴线A的平移的移动。 用于测量位移的系统包括称为编码装置的磁脉冲发生器、用于检测磁场的装置、以及信号处理装置8，该信号处理装置可以处理由检测装置发出的信号以获得期望的信息，更具体地是获得轴I的轴向位移。图1示出的测量系统包括也称为“编码器”的编码装置，其由具有轴线B的两个多极磁环2、7组成。环2、7相对于轴I的旋转轴线A与轴I同心地构造成一体。磁环2、7包括设置在环2、7的圆周上并形成外围磁道的多个北极和南极3、4。磁极3、4以相同距离分布在环2、7的外围上，且具有恒定极长Lp。例如，环2、7可以是这样的部件，其由掺有钡铁氧体微粒或锶铁氧体微粒的合成材料或任何其它硬铁磁材料制成，形成有多个邻接磁场形成，形成有相反的磁化方向，相对于两个邻接磁场形成有给定磁场。第一环2的外围磁道的磁极为具有轴线B的螺旋形，其螺旋角α为常数。对于第二环7，其也称为“参考”环，其外围磁道的磁极沿着平行于旋转轴线A的方向延伸。在有关轴的参考系统中，在距轴线A预定的径向距离处，由具有轴线B及恒定螺旋角α的螺旋形第一环2产生的磁场的径向分量中的一个为磁道上所考虑的角位置Θ和磁道上所考虑的轴向位置X的函数F( 、χ)，即:F (Θ , X) = K.Ψ (P.[ Θ +G (X)])其中，P为整数，G为X的给定的严格递增函数，且V为周期为2 π的周期函数；例如:
权利要求
1.一种用于测量沿轴线A旋转的可移动部件相对于固定参考系统的轴向移动的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤: -利用至少一个环形磁磁道产生相对于所述可移动部件的固定磁场，在与所述可移动部件(I)有关的一参考系统中距离所述轴线A预定的径向距离的位置处，所述磁场的径向分量中的一个为所述磁道上所考虑的角位置 和所述磁道上所考虑的轴向位置X的函数F(0、X)，即: F (Θ , X) = K.Ψ (P.[ Θ +G (X)]) 其中，P为整数，G为X的给定的严格递增函数，且V为周期为2 π的周期函数， -根据代表由与所述参考系统相关且与环形磁道相对设置的第一固定传感器所检测到的磁场变化的信号，发出正交的且具有相同幅度的两个模拟信号SINl和C0S1， -根据信号 SINl 和 C0S2 确定信号 ARC TANl = arc Tan (SIN1/C0S1);以及-发出参考信号REF，该参考信号为由与所述固定参考系统相关并与所述第一传感器间隔一轴向距离d的第二固定传感器检测到的磁磁道产生的磁场变化的函数，以及 -根据所述信号ARC TANl和所述信号REF，确定由所述第一传感器所检测到的磁场变化与由所述第二传感器所检测到的磁场变化之间的瞬时相位移；以及_根据所述瞬时相位移，确定磁道相对于传感器的轴向移动。
2.根据权利要求1所述的用于测量移动的方法，其特征在于，包括以下步骤: -根据代表由所述第二传感器检测到的磁场变化的信号，发出2，发出正交的且具有相同幅度的两个模拟信号SIN2和COS， -根据SIN2和/或C0S2确定所述信号REF。
3.根据权利要求2所述的用于测量移动的方法，其特征在于，包括以下步骤: -确定所述信号 REF = arc Tan (SIN2/C0S2)， -确定所述瞬时相位移，所述瞬时相位移为所述信号REF与信号ARC TANl之间的差。
4.根据权利要求2所述的用于测量移动的方法，其特征在于，包括以下步骤:根据当所述信号REF沿至少一个预定方向经过所述预定阈值时由所述信号ARC TANl获得的值，确定所述相位移。
5.根据权利要求4所述的用于测量移动的方法，其特征在于，所述信号REF与所述信号SIN2或与所述信号C0S2成比例。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，函数G为具有常数R的线性函数，即:G(X) = R (X-XO)/XO。
全文摘要
一种用于测量沿轴线A旋转的可移动部件相对于固定参考系统的轴向移动的方法，方法至少包括以下步骤利用至少一个环形磁磁道产生相对于可移动部件的固定磁场；根据代表由与参考系统相关且与环形磁道相对设置的第一固定传感器所检测到的磁场变化的信号，发出正交的且具有相同幅度的两个模拟信号SIN1和COS1；根据信号SIN1和COS2确定信号ARC TAN1＝arc Tan(SIN1/COS1)；以及发出参考信号REF；以及根据信号ARC TAN1和信号REF，确定由第一传感器所检测到的磁场变化与由第二传感器所检测到的磁场变化之间的瞬时相位移；以及根据瞬时相位移，确定磁道相对于传感器的轴向移动。
文档编号G01D5/12GK103217179SQ20131008225
公开日2013年7月24日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者帕斯卡尔·德比奥勒, 艾蒂安·旺达姆 申请人:S.N.R.鲁尔门斯公司