一种旁置式精密角位移自行检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于角位移精密测量领域。
【背景技术】
[0002]传统精密角位移传感器在一些处于特殊和恶劣环境下的机械系统上“无法安装”或“安装后无法正常使用”是长期存在的重大技术难题。例如超大型、强振动、中空、工作于油污粉尘水汽等恶劣环境下的机械装备和武器系统等。
[0003]传统的机械传动装置为了传递动力和位置，采用了各种齿轮和蜗轮等。同时为了保证运动的精度，需要与被测齿轮I同轴同心(即通过轴承2、联轴节3)安装角位移传感器，如图1(a)所示，4为传感器定子，5为传感器转子，这种传感器若采用电磁原理，往往需要在传感器的定子和转子上等分开槽并绕制线圈6，见图2 (b)o在一些特殊和恶劣的条件下，这些传感器可能无法正常使用甚至根本就无法安装，例如对于中空的大型齿圈的中心就没有安装位置。
[0004]同时，发明人注意到:(I)在被检测的机械运动系统中，有相当大一部分自身就具有空间等分的特点，例如齿轮(齿)、蜗轮(齿)、轴承(滚珠)、电机(槽)等；(2)这种等分的精度不是很高，称为“机械等分”，达不到精密测量和控制所需求的“计量等分”程度；(3)角位移传感器总是分为运动的转子部分和静止的定子部分，分别与被测机械的运动部分和静止部分相连，当两者发生相对运动时，由传感器感知并输出位移信息；(4)现有公知的传感器技术和测量技术中，有的可以用较低的等分制作精度达到较高的测量精度，如时栅位移传感器。有的采用与高精度传感器对比并进行误差修正的方法，也可以使较低精度的传感器补偿成为较高精度的传感器。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，以及被测机械运动系统中存在机械等分的结构这样现象，提出一种旁置式精密角位移自行检测装置，将被测金属体视为传感器转子，测头视为传感器定子，即将被测金属体与测头视为一个具有传感功能的整体机械系统，通过对电磁测头采用各种抑制误差的设计对原始信号进行提纯，结合误差修正技术，使整个系统具备自检及输出精密位移信息的能力。
[0006]本实用新型的基本思想:
[0007]首先把具备机械等分条件的被测运动金属当作一个“大传感器”的转子部分，而特殊设计制作的一组独立的电磁测头旁置其外圆(非接触、不运动)当作定子部分，以此初步具备获取被测机械的位移信息的能力。其次对电磁测头采用各种抑制误差的手段对原始信号进行提纯。第三将误差软修正技术运用于上述被测机械现场，对所获取位移信息中包含的定、转子之间固有的误差信息进行分解和修正，使之能够输出准确的角位移信息从而成为带自检功能的高精度机械运动系统，达到和安装角位移传感器同样的效果。
[0008]本实用新型中所提“定子、转子”及所涉及的“静止、转动”是相对而言的。
[0009]本实用新型的技术方案如下:
[0010]一种旁置式精密角位移自行检测装置，其具有一组或多组独立电磁测头，独立电磁测头围绕分布于被测机械上的相对运动的且具有空间机械等分特征的金属齿状体的与齿相对一侧，构成定子，而相对转动的金属齿状体构成转子，形成齿栅。
[0011]具体地，所述独立电磁测头包括导磁基体和线圈，导磁基体为弧形可视为圆环的一段，导磁基体上同时具有轴向开槽和切向开槽，且切向开槽的槽宽小于轴向开槽的槽宽；所述线圈包括激励线圈、补偿线圈和感应线圈，线圈先沿轴向绕制，再沿切向串联。
[0012]所述独立电磁测头的线圈与微处理器及信号处理电路连接，微处理器内置误差修正软件模块，它们与被测机械系统结合，共同成为一套能够自行输出精密位移信息的机械系统，达到与安装角位移传感器同样的效果。
[0013]进一步，所述导磁基体的齿顶分别沿切向和轴向设计成弧形，该弧形可以为正弦、余弦或其他弧形形状，用于抑制信号中的误差分量。
[0014]更进一步，所述电磁测头覆盖被测机械的金属齿状体的齿数与独立的电磁测头的齿数比例符合2KN± 1:2KN，其中K为正整数，N为电磁测头上所加激励的相数；
[0015]且电磁测头的齿宽与槽宽比例符合以下规则:
[0016]L3=L2(I)
[0017]L4=M(L1+L2)M=I, 2, 3............(2)
[0018]其中，LI是金属齿状体的槽宽，L2是金属齿状体的齿宽，L3是电磁测头的齿宽，L4是电磁测头的槽宽，M为正整数。
[0019]更进一步，所述每个电磁测头除包含基本的导磁基体和线圈外，还具有信号补偿线圈，它采用与激励线圈相同的绕制方法绕在测头基体上，信号补偿线圈由一套独立的补偿交流电源提供补充激励，其电压幅值、相位、频率成分均可调整。
[0020]具体的，所述被测机械的金属齿状体为齿轮、蜗轮、电机、轴承等。所述齿轮、蜗轮和轴承上的齿都是采用导磁材料制得。
[0021]当在末端采用齿轮的机械传动链中，选用其末级齿轮作为所述转子，将末级齿轮上的齿视为圆周等分的齿栅，电磁测头围绕分布于末级齿轮的外周，作为定子，由此将齿轮与传感器融为一体，连同微处理器及信号处理电路共同构成一套能自动发出角位移信息的带自行检测功能的精密齿轮系统，实现全闭环控制。
[0022]当在末端采用蜗轮传动的机械传动链中，选用末端的蜗轮作为所述转子，将蜗轮上的齿视为圆周等分的齿栅，电磁测头围绕分布于蜗轮的外周，作为定子，由此将蜗轮与传感器融为一体，连同微处理器及信号处理电路共同构成一套能自动发出角位移信息的带自行检测功能的精密蜗轮系统，实现全闭环控制。
[0023]当在具有轴承的机械传动系统中，将轴承端面盖板加工形成一周等分齿成为齿栅结构，作为所述转子，电磁测头围绕分布于轴承端面盖板的外周，作为定子，由此将轴承与传感器融为一体，连同微处理器及信号处理电路共同构成一套能自动发出角位移信息的带自行检测功能的精密轴承系统，实现全闭环控制。所述轴承端面盖板的齿栅结构是直接形成在轴承端面盖板上的等分齿；或是在轴承端面盖板上镶嵌的一圈滚齿后的钢圈。
[0024]与传统的角位移检测系统相比，本实用新型的优点在于:
[0025]①测头与被测机械不接触，测头作为定子部分而不需要运动，因此不易受到振动和冲击。
[0026]②测头为分散式，结构紧凑，便于密封，因此不怕油污、粉尘、水汽等极端恶劣工况；
[0027]③由于测头体积小、重量轻，更不容易受到空间狭窄、中空和限重等特殊条件的限制，具备适用于极端特殊工作条件的显著特色。
[0028]④不需要对被测机械做任何结构上的增加和改变或稍加改变，成本特别低廉。
【附图说明】
[0029]图1 (a)是传统测量方法中角位移传感器的安装结构示意图；
[0030]图1(b)是采用本实用新型的被检测系统结构示意图；
[0031]图2 (a)是本实用新型使用的圆柱坐标系定义；
[0032]图2 (b)是传统的电磁传感器的定、转子线圈结构示意图；
[0033]图2 (C)是线圈磁场的边缘效应对信号质量产生严重不利影响示意图；
[0034]图3 (al)是传统测头基体的沿切向等分后再沿轴向开槽的结构示意图；
[0035]图3 (a2)是本实用新型的测头基体的轴向开槽和增加的沿轴向等分再沿切向开槽的结构示意图；
[0036]图3 (bl)是传统线圈绕组的切向绕制再切向串联的结构示意图；
[0037]图3(b2)是本实用新型线圈绕组的轴向绕制再切向串联的结构示意图；
[0038]图4 Ca)是本实用新型的沿切向带有弧形齿的测头结构示意图；
[0039]图4 (b)是本实用新型的沿轴向带有余弦型齿的测头结构示意图。
[0040]图5是本实用新型的测头齿分布图；
[0041]图6Ca)是本实用新型的单相激励的定、转子齿数比的示意图；
[0042]图6 (b)是在图6 (a)的基础上定子槽宽增加一个节距的示意图；
[0043]图7 Ca)是本实用新型的两相激励的定、转子齿数比的示意图；
[0044]图7 (b)在图7 Ca)的基础上定子槽宽增加一个节距的示意图；
[0045]图8是本实用新型的旁置式精密角位移自行检测装置的原理图；
[0046]图9是本实用新型方案在精密齿轮传动系统中的实现结构示意图；
[0047]图10是本实用新型方案在具有精密蜗轮的机械系统中的实现结构示意图；