旋转编码器频率分析的制作方法
【专利说明】旋转编码器频率分析
[0001]本申请是于2006年4月21日提交的已进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国国家申请号为200680055060.7，国际申请号为PCT/US2006/015416，发明名称“旋转编码器频率分析”)的分案申请。
技术领域
[0002]本发明大体涉及阀促动器和旋转位置编码器的分析，且更具体地涉及对阀促动器执行频率分析和带有内置式自测试的旋转位置编码器。
【背景技术】
[0003]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。
[0004]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，以将数据从时域变换成频域。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。
[0005]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丢失。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。
[0006]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。
[0007]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I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。
[0008]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】
[0009]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。还包括至少一个双组传感器，其可操作以监控至少一个编码分段。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
【附图说明】
[0014]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的实施例的顶视图；
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26 rpm获得的频域数据的另一示例；
图18是以18 rpm获得的频域数据的示例；以及图19是以18 rpm获得的频域数据的另一示例。
【具体实施方式】
[0015]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。
[0016]在附图中，相似的附图标记表示相似的元件。图1示出了本发明的旋转编码器的一个实施例。旋转编码器I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10、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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]旋转编码器I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I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。
[0020]此外，旋转编码器I不限于任何特定形状。旋转编码器I可为圆形、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I的描述。因此，旋转编码器I可以以任何方位使用。
[0021]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I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I则将锁紧帽16卸下。
[0022]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、嵌入磁体或能够被检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。放置在齿轮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。
[0023]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l/2n份数。
[0024]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