专利名称：用于校准埋置在目的物内的传感器的设备和方法
技术领域：
本发明主要涉及工业辊覆盖层和其它目的物的性能测量，更具体而言，本发明涉及这种测量用测量装置的校准。
背景技术：
在许多工业应用，尤其是与造纸有关的工业应用中采用圆筒形辊。这些辊通常用于要求高的环境，在该环境中这些辊可受到较高的动载荷和温度以及侵蚀性或者腐蚀性化学试剂的作用。作为一个实例，在一个典型的造纸厂中，辊不仅用于在加工站之间传输纤维网板，而且就加压部分和压延辊来说，还用于将网板本身加工成纸。
由于在造纸机内不同位置处的辊需要执行不同的功能，因此通常想要使造纸用辊按照在造纸机内的位置来构成。由于造纸辊具有许多不同的性能要求，而且由于更换整根金属辊可能相当昂贵，因此许多造纸辊包括一个围绕着通常为金属芯部圆周表面的聚合物覆盖层。通过改变覆盖层所用的材料，覆盖层设计者能根据多种造纸应用需要提供具有不同性能特征的辊。还有，与更换整个金属辊相比，修理、重磨削或更换金属辊上的覆盖层能明显地减少花费。用于覆盖层的典型聚合材料包括天然橡胶、合成橡胶例如氯丁橡胶、丁苯橡胶(SBR)、腈橡胶、氯磺酸化聚乙烯(“CSPE”-还公知来自DuPont的商品名称HYPALON)、EDPM(该名称为一种由乙烯-丙烯二烯单体制成的乙烯-丙烯三元共聚物)、聚氨酯、热固性复合材料和热塑性复合材料。
在许多情况下，辊覆盖层包括至少两个不同的层一个覆盖芯部并提供与其的结合力的底层；以及一个顶料层，所述顶料层覆盖和结合底层并用作辊的外表面(一些辊还包括一个被底层和顶料层夹入的中间“连接”层)。这些材料层通常被选定以便为覆盖层提供规定的成组工作物理性能。所述成组物理性能可包括所要求的强度、弹性模量以及对高温、水和有害化学制品的抗力以便经受住造纸环境。此外，覆盖层通常被设计成具有一个适于它们打算执行的过程的预定表面硬度，而且它们通常需要在不伤及纸张的情况下使纸张从覆盖层上“释放”下来。还有，为了经济性起见，覆盖层应该是耐磨和防水的。
一些辊作为轧辊出现，其中两个或更多辊被这样定位以致于它们形成一个网板能通过的“辊隙”。这种辊经常例如在一台造纸机的加压部分内被发现。多个辊以一个规定压力压住该网板以便进行加工。然而，在一些情况下辊能在网板上不均匀地施加压力。不均匀压力操作能导致许多问题，包括(a)一个或多个辊的覆盖层略微地“不圆”；(b)一个辊被安装成其轴线不平行于配合辊的轴线；或者(c)在辊覆盖层之一上增大局部磨损。不考虑不均匀压力的起因，它的存在能消极地影响该网板的处理，在极端情况下还能损伤覆盖层或者甚至导致它破裂。
可以提供一些系统，它们试图探测出在一个辊或辊覆盖层内不同位置处的压力。一种系统包括上面装有多个压力传感器的柔性带状物，该带状物可安置在多个辊之间并提供压力读数(例如参见Moore的美国专利No.5,953,230)。另一种系统使用多个传感器，它们被埋入辊覆盖层本身之中并向一台外部处理机提供信号(例如参见Moschel等的美国专利No.5,699,729)。
采用埋入式传感器的系统可能是特别符合需要的，这是因为它们甚至在辊工作期间也能被方便地监控。当然，重要的是，埋入传感器在它们探测其关心的特定特性时是准确的。由于传感器输出值会因制造、取向和覆盖传感器的材料厚度的差异而变化，因此通常推荐和/或需要校准传感器。因此，一种简化校准埋入式传感器的装置和/或方法可能是所需的。
发明内容
本发明针对一种设备和方法，所述设备和方法用来校准具有埋入式传感器的被覆盖的辊。作为一个第一方面，本发明包括一种用于简化校准埋置在目的物内的传感器的设备，包括一个底座；一个安装在该底座上的被构造以在第一方向上产生力的力发生器；一台与该力发生器连接的探测由该力发生器所施加的力的大小的载荷传感器；一个与该底座枢转互连并且可围绕第一旋转轴线枢转的辊安装组件，该第一旋转轴线大致与该第一方向垂直；和一个可旋转地安装在该辊安装组件上以便围绕第二旋转轴线旋转的辊，所述第二旋转轴线大致与该第一方向垂直，该辊在该第一方向上充分伸出以便给该目的物施加一个力。这个设备可以利用传感器输出值校准施加到该传感器上的力。
在一些实施例中采用两个力发生器(优选可充气膨胀的空气囊)以及两台载荷传感器。还有，在一些实施例中，该设备包括一个能探测该辊或者目的物温度的温度传感器。这种探测能够指示目的物何时已达温度平衡状态，由此提高了校准准确度。
作为第二方面，本发明针对一种方法，该方法用来校准带有埋入式传感器的目的物。该方法始于提供一个带有内部埋入传感器的目的物，以及一个如上所述的设备。本方法继续进行致动力发生器以便通过该辊给目的物施加一个力。接着，用载荷传感器测量由力发生器产生的力，还测量响应于由该辊施加给该目的物的力的传感器输出值。对于不同大小的不同力重复在前的三个步骤以便使压力输入值与传感器输出值相关联。
在一些实施例中，目的物是一个被覆盖的辊，而且在施加力期间该目的物旋转。一些实施例包括监控该辊或者目的物的温度以便探测出何时达到温度平衡状态；这种监控通常在给该目的物施加力之后发生。
图1是根据本发明实施例的用于校准埋置在被覆盖的辊内的多个传感器的设备的透视图；图2是图1所示设备的侧视图；和图3为根据本发明实施例的用于校准埋置在被覆盖的辊内的多个传感器的设备的另一实施例的侧视图。
具体实施例方式
以下对本发明作出更加全面的描述，其中图中示出了本发明的多个优选实施例。然而，本发明可具体化为多种不同形式，且不应被理解为受到此处所述实施例的限制。相反，提供这些实施例将使这一披露更加充分和完整，并向本领域的技术人员充分传达本发明的范围。在附图中，相同的附图标记自始至终指明的是相同的元件。为了清楚起见可能夸大一些部件的厚度和尺寸。
下面参见附图，图1和2中示出了大致由附图标记10表示的校准设备。校准设备10可被安装在通常用于在一个被覆盖的辊R的表面上实施多种操作的车床L或另一旋转装置例如磨床等类似物上。设备10的一些部件的定位、位置和移动将在下文参照它们相对于其它部件的位置进行描述。如此处所用，“向前”及其派生词以及“前”及其派生词指的是由一个平行于一个表面的矢量限定出的方向，所述表面位于设备10下面并自设备10向辊R延伸。而术语“后”、“向后”及其派生词指的与向前方向相反的方向，即由一个与该下方表面平行并且从辊R朝向设备10延伸的矢量限定出的方向。同时，该向前和向后方向形成设备10的“纵”向。术语“横向”、“外”及其派生词指的是由多个矢量限定出的方向，所述多个矢量始于一个二等分该设备10的垂直纵向平面并且平行于在下面的表面以及垂直于向前方向延伸。术语“向内”、“内”、“内侧”及其派生词指的是与横向相反的多个方向，即由多个始于设备10的横向边缘处并且朝前述二等分平面延伸的矢量限定出的方向。同时，向内和横向方向形成设备10的多个“横断”方向。
设备10包括一个大致水平的底座12，所述底座安装在车床复式刀架(即在车床上面安装切削刀具的那个部分)上。底座12包括一块大致水平的底板13和一个大致垂直的空气囊安装构件16，所述构件16固定在底板13的前边缘上并从该处向上升起。两个三角形支架14a、14b固定在底板13的上表面和空气囊安装构件16的后表面上。底座12还包括一个从空气囊安装构件16的前表面向前延伸的跨越构件36，并且进一步包括一块铰链安装板38，所述铰链安装板被固定在跨越构件36的前边缘上并由此处向下延伸。
本领域的技术人员会认识到，底座12可采取其它构型。例如，如图所示的部件的尺寸和厚度可以变化，两个或更多部件可形成为单一构件或形成为单独的部件，或者底板13可被构造以附接到除转动装置以外的装置上。在任何情况下，该底座应成形以便为设备10的其它部件提供适当的安装位置，并且应由一种对于经受严峻作业而言足够坚固且刚性足够大的材料(例如钢)制成。
再次参见图1和2，两个空气囊20a、20b通过颈部18安装在空气囊安装构件16的前表面上。空气囊20a、20b以横向排列的方式安装在空气囊安装构件16上。空气囊20a、20b(通常由橡胶制成)是可充气膨胀的并连接在一个气动压力源(未示出)上。在充气后，空气囊20a、20b对它们连接的部件施加一个力/压力。
本领域的技术人员会认识到，本发明可利用其它可选构型来生成力或者压力。例如，在一些实施例中，可仅仅使用一个空气囊。在另一些实施例中，其它力发生器例如液压系统、机械系统、电磁系统等也可用来为设备10产生力/压力。
仍参见图1和2，两个载荷传感器24a、24b通过螺纹轴23a、23b附接到相应的载荷传感器板23(此处仅示出其中一个)上。载荷传感器板23进而附接到空气囊20a、20b的颈部22b上。载荷传感器24a、24b具有常规结构，因而在此处不需要详细描述。载荷传感器24a、24b被构造以便测量由空气囊20a、20b在纵向方向上施加的载荷。一种优选的载荷传感器为可从Transducer Techniques(Temecula，加利福尼亚)获得的SWP-5K-4型。其它力测量装置也可代替载荷传感器24a、24b。
再次参见图1和2，一个辊安装组件26被附接到载荷传感器24a、24b的前端部。辊安装组件26包括一块轴承座安装板27，所述轴承座安装板向下延伸以便通过铰链40与铰链安装板38的下端部枢转互连，以致于轴承座安装板27能够自由地围绕一条横向旋转轴线A1枢转。铰链40优选具有非常精确的公差，因而能经受住垂直于轴线A1施加的非常高的载荷(多达4,000磅或更多)。
又一次参见图1和2，辊安装组件26还包括两个辊轴承座28a、28b，它们通过螺钉或其它紧固件安装在轴承座安装板27的前表面上。凸缘32固定(通常通过多个螺纹紧固件)在轴承座安装板27的前表面下部。两个固定螺钉34(在图2中只示出一个)向上延伸穿过凸缘32并接触辊轴承座28a、28b的下边缘。
再次参见图1和2，辊30可旋转地安装在辊轴承座28a、28b中以便围绕一条横向旋转轴线A2旋转。辊30可采取多种形式，但优选由一种未经覆盖的或者用具有至少3P&J硬度的覆盖层覆盖的材料(例如钢)制成。还有，辊30可具有任何所需的长度和直径，但优选长度在大约2和5英寸之间而且直径在3和8英寸之间。
设备10的安装和操作始于安装一个被覆盖的辊R，在辊R内已经有多个传感器埋置在通常用来在这样一种辊上执行操作的旋转装置例如上文提及的车床或磨床上。所述传感器可以是任何种类的传感器，它们探测出施加到其上的压力或在其中引起的应力/应变；典型的传感器包括光学、压电和压阻传感器。在美国专利申请No.09/489,768中披露了一种典型的光学传感器，因此将该披露内容整体收编于此。辊R的覆盖层通常为一种聚合材料例如橡胶、聚氨酯、环氧树脂、共混物、混合物及其结合物，而且该传感器通常埋置在该覆盖层的表面以下。在一些实施例中，在辊R安装在旋转装置上之后，传感器的轴线位置被作出记号从而使设备10容易定位。
在安装辊R之后，将设备10安装在该旋转装置上。更具体地说，在图示实施例中，底板13被安装在车床的复式刀架上。优选地，该安装(例如，具有存在于底板13或车床复式刀架内而且螺栓可插入穿过的沟槽)这样完成，以致于底板13可作纵向(也就是说朝向辊R或远离辊R)移动，从而使辊30能精确定位。通常，辊30的所需位置是与辊R平行并几乎接触辊R的位置。辊30朝辊R的接近度可通过相对于该车床滑动底座12(即这一运动在该水平面内调节辊30)并且用一个辊隙箔来校验位置的方法进行调节。辊30还可通过调节固定螺钉34的方法在该垂直平面内进行调节，这能改变辊轴承座28a、28b的高度，并且进而改变辊30的轴线A2的取向；这种对准能用一个搁置在辊30上的水平仪进行校验。
一旦定位完毕，设备10就能用来校准辊R内的多个传感器。辊R借助于车床而围绕自身轴线旋转(通常以每分钟45转或更高的速度)。然后使用压力源将空气囊20a、20b吹胀，直到辊30向辊R施加所需的载荷(由该载荷传感器测量)为止(由于轴承座安装组件26能够自由地围绕铰链40枢转，因此由空气囊20a、20b施加的力被传送到辊30上)。优选地，如果使用多个空气囊(如在此示出的空气囊20a、20b)，它们就被加载到相似的水平。对于该已测定载荷而言，与传感器输出有关的数据被收集起来。然后递增地加大该载荷(通常，施加三或四个不同的载荷，大小可在大约100和1,500磅/线英寸(pli.)之间变化)，并且收集每一载荷的数据。然后沿轴向移动所述设备10(这通常能通过沿辊R的轴线移动车床复式刀架的方法来完成)至下一个传感器位置，并重复该加载和数据收集步骤。通过这个数据，能导出载荷和传感器输出值之间的相互关系，在造纸机或其它机械系统的工作期间收集和说明该辊上传感器数据时该相互关系能被使用。
图3中示出了本发明设备的另一实施例，该设备在这里以10′粗略地标出。设备10′包括与设备10相同的多个部件，但还包括一个热电偶安装臂52，所述热电偶安装臂被附接到空气囊安装板16′上并向前延伸至辊30′。热电偶50被附接到热电偶安装臂52的自由端上并搁在辊30′上。热电偶50示例性地并且优选具有一个与辊30′表面相配合的内凹表面。
热电偶50在校准程序期间探测出辊30′的表面温度。热电偶50可包括在本发明的设备上以便处理作为一个由温度所造成的载荷函数的传感器输出值中的变量。由于一些传感器根据它们在载荷下所受应变而提供输出值，因此这种能力可能是有用的。特定传感器的应变取决于所施加的载荷以及覆盖层材料的弹性模量。由于聚合物辊覆盖层由多种材料制成，对于这些材料来说弹性模量可能由于工作温度而显著地改变，因此特定载荷的传感器输出值能够变化直到该覆盖层达到温度平衡状态为止。探测该覆盖层温度平衡的一种方法是在整个加载时段测量辊30′的温度(它在平衡状态应该具有与辊R相同的温度，或者具有通过经验试验和/或校准能与辊R温度相关的温度)，直到温度稳定为止。一旦温度已经稳定，就可进行传感器校准，并能获得更加精确的结果。
本领域的技术人员会意识到，设备10′可采取其它构型。例如，除了热电偶之外可采用高温计或其它温度感应装置。还有，温度感应装置可安装在设备10′的其它位置上，例如安装在轴承座安装板上。此外，辊R的表面可直接进行测量，或者辊30′或辊R的温度可使用非接触技术(例如基于红外(IR)的系统)进行测量。
上文对本发明的描述是示例性的且不构成对本发明的限制。尽管已经描述了多个本发明的典型实施例，但是本领域的技术人员易于理解，在没有实质上偏离本发明的新教导和优势的情况下，在多个典型实施例中存在多种变型。因此，所有这些变型旨在被包括在本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于简化校准埋置在目的物内的传感器的设备，包括一个底座；一个安装在该底座上的被构造以在第一方向上产生力的力发生器；一台与该力发生器连接的探测由该力发生器所施加的力的大小的载荷传感器；一个与该底座枢转互连并且可围绕第一旋转轴线枢转的辊安装组件，该第一旋转轴线大致与该第一方向垂直；和一个可旋转地安装在该辊安装组件上以便围绕第二旋转轴线旋转的辊，所述第二旋转轴线大致与该第一方向垂直，该辊在该第一方向上充分伸出以便给该目的物施加一个力。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述力发生器是一个可充气膨胀的空气囊。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述力发生器和所述辊被构造以致于所述辊向所述目的物施加一个在大约100和1500磅/线英寸之间的压力。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述辊的表面具有至少3P&J的硬度。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述辊由钢制成。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述辊安装组件包括一块轴承座安装板和安装在其上的滚柱轴承，并且所述辊安装在所述轴承座中。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述辊安装组件进一步包括一个调节所述辊轴向取向的固定螺钉。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述底座被构造以便安装在车床和磨床之一上。
9.根据权利要求1所述的设备，进一步包括温度传感器。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述温度传感器安装在所述底座上并从此处伸至一个位置，所述温度传感器从所述位置感应所述辊上的温度。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述温度传感器是一个热电偶。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述温度传感器这样安装以致于它接触所述辊。
13.一种用于简化校准埋置在目的物内的传感器的设备，包括一个底座；一对安装在该底座上的力发生器，每个力发生器被构造以在第一方向上产生力；一对载荷传感器，每个载荷传感器与相应的力发生器连接用以探测由该力发生器所施加的力的大小；一个与该底座枢转互连并且可围绕第一旋转轴线枢转的辊安装构件，该第一旋转轴线大致与该第一方向垂直；和一个可旋转地安装在该辊安装构件上以便围绕第二旋转轴线旋转的辊，所述第二旋转轴线大致与该第一方向垂直，该辊在该第一方向上充分伸出以便给该目的物施加一个力。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述力发生器是可充气膨胀的空气囊。
15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述力发生器和所述辊被构造以致于所述辊向所述目的物施加一个在大约100和1500磅/线英寸之间的压力。
16.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述辊的表面具有至少3P&J的硬度。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述辊由钢制成。
18.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述辊安装组件包括一块轴承座安装板和安装在其上的滚柱轴承，并且所述辊安装在所述轴承座中。
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述辊安装组件进一步包括一个调节所述辊的轴向取向的固定螺钉。
20.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述底座被构造以便安装在车床和磨床之一上。
21.根据权利要求13所述的设备，进一步包括温度传感器。
22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述温度传感器安装在所述底座上并从此处伸至一个位置，所述温度传感器从所述位置感应所述辊上的温度。
23.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述温度传感器是热电偶。
24.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述温度传感器这样安装以致于它接触所述辊。
25.一种用于校准埋置在目的物内的传感器的方法，包括以下步骤(a)提供一个带有多个埋置在其中的传感器的目的物；(b)提供一个校准设备，包括一个底座；一个安装在该底座上的被构造以在第一方向上产生力的力发生器；一台与该力发生器连接的探测由该力发生器所施加的力的大小的载荷传感器；一个与该底座枢转互连并且可围绕第一旋转轴线枢转的辊安装构件，该第一旋转轴线大致与该第一方向垂直；和一个可旋转地安装在该辊安装构件上以便围绕第二旋转轴线旋转的辊，所述第二旋转轴线大致与该第一方向垂直，该辊在该第一方向上充分伸出以便给该目的物施加一个力；(c)致动所述力发生器以便通过所述辊给所述目的物施加一个力；(d)用所述载荷传感器测量由所述力发生器产生的所述力；(e)测量响应于所述辊施加到所述目的物的所述力的所述传感器的输出值；以及(f)对于多个不同大小的不同力重复所述致动、测量和监控步骤以便使压力输入值与传感器输出值相关联。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括提供一个含有一对力发生器以及一对载荷传感器的设备。
27.根据权利要求25所述的方法，进一步包括将所述设备的所述底座板安装在一台车床和一台磨床之一上的步骤。
28.根据权利要求25所述的方法，进一步包括监控所述目的物的温度并且仅在所述目的物达到温度平衡状态之后才继续进行步骤(d)至(f)。
29.根据权利要求25所述的方法，进一步包括在步骤(c)至(f)期间围绕一条大致与所述第二旋转轴线平行的旋转轴线旋转所述目的物的步骤。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述目的物是一个覆盖有聚合物覆盖层的辊。
31.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述传感器是光学传感器。
32.根据权利要求25所述的方法，进一步包括在步骤(c)以前在所述目的物上标记传感器位置的步骤。
33.根据权利要求29所述的方法，进一步包括在步骤(c)以前将所述辊的旋转轴线调节到与所述目的物旋转轴线平行的步骤。
全文摘要
一种用于简化校准埋置在目的物内的传感器的设备，包括一个底座；一个安装在该底座上的被构造以在第一方向上产生力的力发生器；一台与该力发生器连接的探测由该力发生器所施加的力的大小的载荷传感器；一个与该底座枢转互连并且可围绕第一旋转轴线枢转的辊安装组件，该第一旋转轴线大致与该第一方向垂直；和一个可旋转地安装在该辊安装组件上以便围绕第二旋转轴线旋转的辊，所述第二旋转轴线大致与该第一方向垂直，该辊在该第一方向上充分伸出以便给该目的物施加一个力。这个设备可以利用传感器输出值校准施加到该传感器上的力。
文档编号G01G21/28GK1735796SQ03825864
公开日2006年2月15日 申请日期2003年8月13日 优先权日2002年11月26日
发明者E·J·古斯塔夫森, R·L·奥林格 申请人:斯托·伍德沃德有限责任公司