專利名稱：速度檢測方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來講涉及一種用來監(jiān)測移動物體如軸、桿速度的速度傳感器，本發(fā)明特別涉及一種改進的速度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了一對傳感器和一個信號處理器，其中傳感器用來檢測移動物體上的隨機目標，信號處理器用來測量目標檢測信號之間的相移，該相移與目標的速度成正比。
背景技術(shù)：
速度檢測在在監(jiān)測控制機器工作中發(fā)揮著重要的作用。因此精確而可靠的速度傳感器非常關(guān)鍵。這些年來已開發(fā)出許多速度檢測技術(shù)和設備，例如機械式計速儀、電子機械式速度傳感器、磁性速度傳感器以及光學速度傳感器就是其中的幾例。大多數(shù)常用的速度檢測系統(tǒng)通常包括一個傳感器、一個電子控制單元以及一個目標，系統(tǒng)對目標相對于傳感器的速度進行測量。
根據(jù)所測速度的類型，即是線速度還是角速度，以及所采用傳感器技術(shù)的不同，可采用多種方式來構(gòu)成目標，同時這些目標也可具有不同的形式。按照慣例，速度檢測目標是由標記條和齒輪制成，或者由多極磁條以及磁環(huán)制成，亦或是由直線或成角度的條形編碼器(linearand angular bar-encoder)制成。當目標相對于傳感器移動時，常規(guī)傳感器的輸出信號采用序列脈沖的形式，其中脈沖頻率與目標輪的速度成正比。
這些常規(guī)的速度檢測系統(tǒng)的分辨率或準確度主要取決于以下因素，齒形目標各齒之間的間距、磁性目標中磁極的間距以及條形編碼器中條的間距的準確度。因此，對于精確的系統(tǒng)來說，目標的間距優(yōu)選具有很高的準確度。
然而，目標的制造成本也與目標間距的準確度要求成正比，制造直徑很大的角形目標輪(angular target wheel)或者很長的直線目標同時又要求很高的間距精度，這經(jīng)常是不經(jīng)濟的。因此，最好引入這樣一種速度檢測系統(tǒng)，其即能使速度測量保持很高的準確度，同時又不需要制造使用精密的速度檢測目標。

發(fā)明內(nèi)容
簡單地說，本發(fā)明提出了一種速度檢測系統(tǒng)，其包括一對檢測元件，其在一定方向上彼此分開，并與一個被測速移動物體的表面相鄰。具有隨機結(jié)構(gòu)特征的一個目標布置在該表面上或該表面下，其通過被測速物體的移動按一定方向移過該對檢測元件。該對檢測元件沿著物體的移動方向按一定方向分開預定的距離。將目標通過時產(chǎn)生的、來自該對檢測元件的信號傳送到信號處理器。該信號處理器用來確定所產(chǎn)生信號之間的相移，該相移與目標通過該對傳感器時的速度成反比。
本發(fā)明的一種測量目標速度的方法包括在第一點觀測所述目標的多個結(jié)構(gòu)特征；產(chǎn)生表示所述第一點處的所述觀測結(jié)果的第一信號；在第二點觀測所述目標的多個隨機特征，其中的第二點沿所述目標的運動方向從所述第一點移開；產(chǎn)生表示所述第二點處的所述觀測結(jié)果的第二信號；計算出所述第一信號和第二信號之間的相移，所述相移與所述目標的速度成反比。
結(jié)合附圖參考以下的說明，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點以及本發(fā)明的優(yōu)選實施例將會更加清楚。


作為說明書的一部分，其中的附圖包括圖1A為本發(fā)明速度檢測系統(tǒng)一實施例在檢測線性移動對象時的簡化示意圖；圖1B為圖1A中速度檢測系統(tǒng)在檢測轉(zhuǎn)動對象時的透視圖；圖2A所示為從本發(fā)明一對相鄰速度傳感器單元采樣得到的渦流傳感器信號的曲線圖；圖2B所示為圖2A中所示的兩信號之間的互相關(guān)函數(shù)；圖3A所示為第一速度傳感器相對于目標對象運動方向的結(jié)構(gòu)配置；圖3B所示為第二速度傳感器相對于目標對象運動方向的結(jié)構(gòu)配置；圖3C所示為第三速度傳感器相對于目標對象運動方向的結(jié)構(gòu)配置；圖4所示為本發(fā)明速度傳感器系統(tǒng)在采用一對渦流傳感器和一無齒目標輪時的角速度測量結(jié)果與常規(guī)的可變磁阻(VR)速度傳感器系統(tǒng)測量的結(jié)果的對比情況。
在不同附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件。
具體實施例方式
下面的說明以舉例而非限定的形式來對本發(fā)明進行說明。該說明采用目前最佳的方式來描述本發(fā)明的各個實施例、修改形式、變形以及替換形式從而使本領(lǐng)域的技術(shù)人員據(jù)此能夠?qū)嵤┎⑹褂帽景l(fā)明。
參見圖1A和1B，圖中所示為本發(fā)明速度檢測系統(tǒng)10的基本部件。一對速度傳感器單元12A和12B彼此分開并靠近移動對象16的無齒目標表面14，例如圖1B所示的軸承座圈的外周面。作為優(yōu)選，速度傳感器單元12A和12B彼此分開，并且兩單元中心之間保持預定的距離L，同時如圖1A中的箭頭所示，兩單元以目標表面14的運動方向?qū)R。傳感器單元12A和12B可操作地連接到信號處理單元18上。作為優(yōu)選，如圖1A所示，傳感器單元12A和12B可通過導線20直接連接到信號處理單元18上，從而分別將來自傳感器單元12A和12B的信號x1和x2傳送到信號處理單元18。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道可用各種部件來將傳感器單元12A和12B連接到信號處理單元18上，這包括無線傳送元件。
本發(fā)明的工作原理基于速度檢測系統(tǒng)10中傳感器單元12A和12B之信號x1和x2的產(chǎn)生和兩者之間數(shù)學關(guān)系的分析。通過檢測兩信號x1和x2對應點之間的相移，就能確定出延時。信號的相變僅與運動的速度相關(guān)，運動的速度可根據(jù)傳感器單元12A和12B之間距離L與所確定出的延時之間的比值計算出來。
為了更加準確，最好采用隨機信號，優(yōu)選每個隨機信號都具有高頻成分。因此，采用其上帶有隨機或接近隨機形狀特性(粗糙)的目標表面14為目標以產(chǎn)生隨機變化的信號。采用特定類型的傳感器單元12A和12B，如渦流傳感器，表層之下材料特性的變化將會增加信號x1和x2的隨機性。
第一傳感器單元12A以及第二傳感器單元12B對目標表面14的表面和/或亞表面(subsurface)的結(jié)構(gòu)相當敏感，并且每個傳感器單元12A和12B在經(jīng)過目標表面14上同一表面結(jié)構(gòu)或亞表面結(jié)構(gòu)時會產(chǎn)生相同的信號或基本相似的信號。作為選擇，傳感器單元12可包括有對目標表面14上光度變化敏感的光學傳感器。
當目標表面14相對于速度檢測系統(tǒng)10移動時，第一傳感器單元12A和第二傳感器單元12B以相同的采樣頻率f產(chǎn)生例如圖2A所示的信號，其中采用的頻率f高于信號變化率，從而在目標速度達到最大時也能使速度檢測系統(tǒng)10分辨高頻表面特征。
總的來講，第一傳感器單元12A所產(chǎn)生的第一信號x1＝[x11，x12，x13…x1j…，x1n]與第二傳感器單元12B所產(chǎn)生的第二信號x2＝[x21，x22，x23…x2j…，x2n]之間的關(guān)系對應于目標表面14上的表面或亞表面特征的通過，其中n表示采樣大小(一個采樣中的數(shù)據(jù)點數(shù))。這里第一信號x1和第二信號x2之間的延時τ0＝m/f，其中m表示相變數(shù)據(jù)點(shifteddata points)的數(shù)目。信號的相變方向?qū)谀繕吮砻?4相對于傳感器單元12A和12B的運動方向。
由此，信號x1和信號x2之間的互相關(guān)函數(shù)可表示為y(τ)＝∫x1(t+τ)·x2(t)dt 公式(1)其中當τ＝τ0時，上述函數(shù)達到最大值。
求取信號x1和信號x2之間函數(shù)的最大τ0值，就能確定出延時τ0，即τ0＝ψ(ymax) 公式(2)其中ψ為公式(1)中互相關(guān)函數(shù)y(τ)的反函數(shù)。
在操作過程中，信號處理單元18接收并處理信號x1和x2。輸入信號x1和x2的最初處理去除了其中的直流(DC)部分，從而形成一對如圖2A所示的零平均值的信號。信號處理單元18優(yōu)選采用快速傅里葉轉(zhuǎn)換(FFT)方法快速計算，對兩個信號進一步進行互相關(guān)分析。接著，信號處理單元18計算出公式(1)中互相關(guān)函數(shù)y(τ)的最大值，從而確定出兩個信號之間的延時τ0。最后，信號處理單元18按照下面的公式計算出目標表面14經(jīng)過傳感器單元12A和12B時的運動速度vυ=Lτ0]]>公式(3)作為選擇，信號處理單元18可將計算的速度v相對于時間進行積分，從而計算出目標表面14的相對位置。
回到圖2A，圖中所示信號x1和x2表示來自一對彼此獨立的渦流速度傳感器單元12A和12B的信號。這一對傳感器單元沿旋轉(zhuǎn)目標表面14運動周向分開0.788英寸，參見圖1B。當采樣速率大約為48kHz時，目標表面14轉(zhuǎn)一圈所形成的樣本大小為3700個數(shù)據(jù)點。在圖2A所示曲線中，水平軸表示采樣序列，縱軸為信號的強度，以電壓表示。如圖2B所示，信號x1和x2之間的互相關(guān)函數(shù)關(guān)系表示最大值在數(shù)據(jù)點4036處，該點對應336個數(shù)據(jù)點的相移(4036-3700＝336)。第一信號x1和第二信號x2之間的延時τ0＝336/48000＝0.007秒。目標表面14的表面速度v＝0.778/0.007＝112.6英寸/秒。運動的方向由相移的方向確定。
根據(jù)所選擇的傳感器技術(shù)，可采用現(xiàn)代ASIC制造工藝將信號處理單元18與傳感器單元12A和12B集成為一個圖1B所示的具有數(shù)字信號處理(DSP)計算能力的單元20。
為了在不太理想的安裝和使用條件下，確保兩信號x1和x2之間的良好相關(guān)性，可選擇使用速度傳感器單元12的差分檢測組合。此時，一個傳感器組合可包含兩個以上的速度傳感器單元12。將包括差分檢測組合的速度傳感器單元12中每一個單元的信號進行對比，能夠去除或刪去所有12中共有的信號成分，如速度檢測單元現(xiàn)場的噪聲或干擾。這些共有的信號成分通常不會帶有與信號相移有關(guān)的信息。
圖3A到3C展示了三種差分檢測組合以及相關(guān)速度傳感器單元12相對于目標表面14運動方向的位置關(guān)系。在圖3A中，第一傳感器組合100包含四個速度傳感器單元12A-12D，其分別布置在矩形的四個角上從而形成兩個差分檢測對。第一個差分檢測對由速度傳感器單元12A和12C組成，第二個差分檢測對由速度傳感器單元12B和12D組成。在第一差分檢測對中，速度傳感器單元12A和12C沿運動方向垂直方向的中心距離為W。在第二差分檢測對中，速度傳感器單元12B和12D在與運動方向垂直的方向上的中心距離同樣為W。差分檢測對之間在運動方向上的距離為L。
圖3B所示為檢測系統(tǒng)200的另一個布置形式，其中差分檢測對12A、12C與12B、12D布置在平行四邊形的四個角上，即速度傳感器單元12A和12C的中心線以及速度傳感器單元12B和12D的中心線并不垂直于速度傳感器單元12A和12B的中心線。速度傳感器單元12A、12C與速度傳感器單元12A、12B之間的夾角α等于速度傳感器單元12B、12D與速度傳感器單元12A、12B之間的夾角β，即α＝β。因此速度傳感器單元12A-12D形成了一個平行四邊形，其有兩個側(cè)邊平行于目標表面14的運動方向。通常來講，α和β均可從0到360度變化。
圖3C所示為檢測系統(tǒng)300的另一種布置形式，類似于圖3A，只是其中第一對差分檢測單元12A、12C和第二對差分檢測單元12B、12D布置在兩個不同的傳感器殼體中，由此所分開的距離L’＞L。如圖3A所示，傳感器單元12A和12B中心之間的中心線以目標表面14的運動方向?qū)R。與之相應，連接傳感器元件12C和12D中心的中心線也以目標表面14的運動方向基本對齊。連接第一對差分檢測單元12A、12C中心的中心線平行于連接第二對差分檢測單元12B、12D中心的中心線，并基本垂直于目標表面14的運動方向。
本發(fā)明并不限于任何特定類型的速度傳感器單元。然而，速度傳感器單元12優(yōu)選為渦流式傳感器，其能由目標表面14的形狀特征和目標對象16中亞表層材料特性的變化感應形成信號變化。這樣檢測系統(tǒng)不僅能用于粗糙的目標表面14，還能用于光滑的目標表面14，其中在光滑目標表面14的情況下，信號變化主要來自于亞表層材料特性的變化而不是表面形狀特征。
圖4的曲線表示的是在采用一對渦流速度傳感器單元12A、12B和無齒目標對象16來測量角速度時本發(fā)明速度檢測系統(tǒng)10的有效性和技術(shù)。圖4的曲線繪出了用本發(fā)明速度檢測系統(tǒng)10所測的目標對象16的角速度與用常規(guī)可變磁阻(VR)速度傳感器系統(tǒng)所測目標對象16的角速度的對比情況，顯示出兩種傳感器系統(tǒng)非常接近的相關(guān)性。
應該明白，本發(fā)明的速度檢測系統(tǒng)10和技術(shù)可用于多種情況下，例如適用于軸承，特別是目標表面為軸承密封的軸承。
綜上所述，可以看到本發(fā)明實現(xiàn)了上述目的，并獲得了其它一些優(yōu)點。在本發(fā)明范圍之內(nèi)還可以有其它的結(jié)構(gòu)變化，說明書和附圖中所包括的內(nèi)容均是示例性的，不起限定作用。
權(quán)利要求
1.一種用來測量目標對象速度的速度檢測系統(tǒng)，其包括第一速度傳感器單元，其可操作地與所述目標對象的表面相鄰布置，所述第一速度傳感器單元被設置為能響應所述目標對象至少一個特征的經(jīng)過而產(chǎn)生一個第一信號；第二速度傳感器單元，其可操作地與所述目標對象的表面相鄰布置，并且基本上沿著目標對象的運動方向從所述第一速度傳感器單元移開預定的距離，所述第二速度傳感器單元被設置為能響應所述目標對象的所述至少一個特征的經(jīng)過而產(chǎn)生一個第二信號；一信號處理器，其用來接收所述第一和第二信號，所述信號處理器還可用來確定所述產(chǎn)生的信號之間的相移，所述相移與所述目標對象的速度成反比。
2.如權(quán)利要求1所述的速度檢測系統(tǒng)，其進一步包括第三速度傳感器單元，其可操作地與所述目標對象的表面相鄰布置，所述第三速度傳感器單元被設置為能響應所述目標對象至少一個特征的經(jīng)過而產(chǎn)生一個第三信號；第四速度傳感器單元，其可操作地與所述目標對象的表面相鄰布置，并且基本上沿著目標對象的運動方向從所述第三速度傳感器單元移開預定的距離，所述第四速度傳感器單元被設置為能響應所述目標對象的所述至少一個特征的經(jīng)過而產(chǎn)生一個第四信號；其中所述信號處理器還可用來接收所述第三和第四信號，并利用所述第三和第四信號來去除所述第一、第二、第三和第四信號中的共有成分。
3.如權(quán)利要求2所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述信號處理器進一步用來提供第一和第三信號之間以及第二和第四信號之間的差分信號，并且所述信號處理器進一步用來確定所述第三和第四生成信號之間的相移，所述相移與所述目標對象的速度成反比。
4.如權(quán)利要求2所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述第一和第三速度檢測單元形成第一差分檢測對；其中所述第二和第四速度檢測單元形成第二差分檢測對；以及其中所述第一和第二差分檢測對平行所述目標對象的運動方向分開預定的距離。
5.如權(quán)利要求1所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述第一和第二速度檢測單元為渦流傳感器。
6.如權(quán)利要求1所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述第一和第二檢測單元為光學傳感器。
7.如權(quán)利要求1所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述信號處理器用來處理所述的生成信號，并使所述的生成信號的平均值為零。
8.如權(quán)利要求1所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述信號處理器用來確定所述生成信號之間的互相關(guān)函數(shù)關(guān)系，所述互相關(guān)函數(shù)關(guān)系為y(τ)＝∫x1(t+τ)·x2(t)dt其中x1為所述第一生成信號；x2為所述第二生成信號；t為信號時間；以及τ為所述生成信號之間的延時。
9.如權(quán)利要求8所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述相移與所述互相關(guān)函數(shù)的最大值相關(guān)；并且其中所述信號處理器進一步用來確定所述互相關(guān)函數(shù)的最大值；其中所述目標對象的速度v由下式確定υ=Lτ0]]>其中L為所述的預定距離；以及τ0為對應于所述互相關(guān)函數(shù)所確定的最大值的延時。
10.如權(quán)利要求1所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述第一速度傳感器單元和所述第二速度傳感器單元布置在一共用的殼體中。
11.如權(quán)利要求1所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述至少一個目標特征為目標對象的隨機表面特征。
12.如權(quán)利要求1所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述至少一個目標特征為目標對象的隨機亞表層特征。
13.如權(quán)利要求1所述的速度檢測系統(tǒng)，其中所述第一和第二速度檢測單元的每一個都具有相同的采樣率；并且其中所述相同的采樣率基本上大于所述第一和第二速度檢測單元的信號變化率。
14.一種對目標對象進行速度測量的方法，其包括以下步驟在第一點觀測目標對象至少一個特征的通過；響應所述至少一個特征通過所述的第一點而產(chǎn)生第一信號；在第二點觀測所述目標對象所述至少一個特征的通過，其中的第二點沿所述目標對象的運動方向從所述第一點移開預定距離；響應所述至少一個特征通過所述的第二點而產(chǎn)生第二信號；計算出所述第一信號和第二信號之間的相移，所述相移與所述目標對象的速度成反比。
15.如權(quán)利要求14所述的用來測量對象速度的方法，其中所述相移與所述第一和第二生成信號之間的互相關(guān)函數(shù)的最大值相關(guān)，并且其中所述計算步驟進一步包括計算所述第一和第二生成信號之間所述互相關(guān)函數(shù)的所述最大值的步驟，所述互相關(guān)函數(shù)為y(τ)＝∫x1(t+τ)·x2(t)dt其中x1為所述第一生成信號；x2為所述第二生成信號；t為信號時間；以及τ為所述生成信號之間的延時。
16.如權(quán)利要求15所述的用來測量對象速度的方法，其進一步包括根據(jù)下式確定所述目標對象的速度v的步驟υ=Lτ0]]>其中L為所述的預定距離；以及τ0為對應于所述互相關(guān)函數(shù)所確定的最大值的延時。
17.如權(quán)利要求14所述的用來測量對象速度的方法，其進一步包括在一附加點處觀察目標對象一附加特征的通過；響應所述附加特征通過所述第三點而產(chǎn)生至少一個附加信號；用所述的至少一個附加信號來去除每個所述生成信號中的共有成分。
18.一種確定目標對象相對位置的方法，其包括以下步驟在第一點觀測目標對象至少一個特征的通過；響應所述至少一個特征通過所述第一點而產(chǎn)生第一信號；在第二點觀測所述目標對象所述至少一個特征的通過，其中第二點沿所述目標對象的運動方向與所述第一點分開預定距離；響應所述至少一個特征通過所述的第二點而產(chǎn)生第二信號；計算出所述目標對象的速度，所述計算出的速度與所述第一信號和第二信號之間的相移成反比；以及由所述計算出的速度確定目標對象的相對位置。
19.如權(quán)利要求18所述的用來確定目標對象相對位置的方法，其中所述確定步驟包括將所述計算出的速度相對于時間積分。
20.如權(quán)利要求18所述的用來確定目標對象相對位置的方法，其中所述相移與所述第一和第二生成信號之間互相關(guān)函數(shù)的最大值相關(guān)，并且其中所述計算步驟進一步包括計算所述第一和第二生成信號之間所述互相關(guān)函數(shù)的所述最大值的步驟，所述互相關(guān)函數(shù)為y(τ)＝∫x1(t+τ)·x2(t)dt其中x1為所述第一生成信號；x2為所述第二生成信號；t為信號時間；以及τ為所述生成信號之間的延時。
21.如權(quán)利要求20所述的用來確定目標對象相對位置的方法，其進一步包括根據(jù)下式確定所述目標對象的速度vυ=Lτ0]]>其中L為所述的預定距離；以及τ0為對應于所述互相關(guān)函數(shù)所確定的最大值的延時。
全文摘要
一種用來檢測目標對象速度的方法和裝置，其中的目標對象通過一對沿目標對象(16)運動方向分開預定距離L的傳感器單元(12)。目標對象(16)上的一個或多個特征在經(jīng)過第一傳感器單元(12A)時會產(chǎn)生信號(x
文檔編號G01P3/80GK1714293SQ200380104042
公開日2005年12月28日 申請日期2003年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月11日
發(fā)明者X·艾, O·J·瓦龍尼斯, W-R·黃 申請人:迪姆肯公司