基于光谱共焦的非接触式阀芯位移实时测量装置及方法与流程

1.本发明涉及测量领域，特别涉及一种基于光谱共焦的非接触式阀芯位移实时测量装置。


背景技术：

2.液压传动有功率-质量比大、速度调节容易和工作平稳等优点，广泛应用于工程机械、行走机械、航空航天以及海洋工程等领域。液压阀作为液压系统中最常用的一类液压元件，其工作稳定性直接影响到整个液压系统的工作性能。从阀芯位移情况可以直观地了解阀的工作状态，因此测量阀芯实时的位移是十分有必要的。
3.现有对阀芯位移的测量多采用接触式测量方法，如专利号为cn103913103 a公开的一种阀芯位移测量工装，测杆直接顶住阀芯，这样会使阀芯受到附加约束力，改变了阀的原始工作状态。但是这种方法操作简单，广泛应用于对精度要求不高的场合。
4.现有非接触式阀芯测量方案，如专利号为cn106225680 a公开的一种基于激光位移传感器的阀芯位移测量及方法，通过嵌入一根塑料导杆将阀芯位移传递出来，改变了阀的结构，得到的数据并非原始工作状态下的数据。想要不接触阀芯和不改变阀的结构的情况下实时的测量阀芯的位移很难实现。


技术实现要素：

5.为解决以上技术问题，本发明提供了一种基于光谱共焦的非接触式阀芯位移实时测量装置，传感器发出的光透过钢化玻璃和液压油，照射到阀芯上，经阀芯反射回的光被光谱解析器接收，再经计算机拟合出位移曲线就可以得到阀芯的位移情况。基于光谱共焦的测量方法，即使阀芯上出现倾斜或者翘曲也能精准测量，且无需高精度的安装角度要求，使得测量更加精准。本发明无需接触阀芯，也无需改变阀的原始结构，得到的数据更加真实可靠。本发明的测量方法还适用于其他结构不同但是阀芯位置在传感器量程范围内的其他液压阀。
6.本发明提供了一种基于光谱共焦的非接触式阀芯位移实时测量装置，其包括底座、阀块和测量装置，所述阀块和测量装置并列安装在所述底座上；
7.所述阀块上安装有液压阀，所述测量装置包括上支撑架、轴向定位块、丝杠、支架、横向导轨、传感器探头、上探头夹具以及下探头夹具；所述支架的底部固定在所述底座上，所述底座上安装有滚珠丝杠，旋转滚珠丝杠能够调节测量装置的传感器探头在y方向的位移，所述滚珠丝杠穿过所述支架设置，所述滚珠丝杠的端部连接有轴向定位块，所述支架为u型支架，所述支架的顶部连接所述上支撑架，所述支架的两个侧壁的内侧面分别开设有纵向的凹槽，所述横向导轨的两个端部分别设置有与所述凹槽配合的凸起，所述横向导轨能够借助于所述凹槽和凸起沿所述支架的内侧面上下滑动，所述传感器探头固定在上探头夹具和下探头夹具之间，所述下探头夹具借助于连接件固定在所述横向导轨上，所述上探头夹具借助于升降连接件固定在所述上支撑架上，升降连接件能够调节测量装置的传感器探
头在z方向的位移，所述传感器探头能够在所述横向导轨上滑动从而实现传感器探头在x方向的位移；
8.所述液压阀的阀芯延伸至所述传感器探头处，所述阀座内部还设置有管接头、钢化玻璃和挡板，液压油进口管接头和液压泵出口连接，回油口管接头和油箱连接，所述进油口管接头设置在所述阀块的上方，从而能够将进油口位置由轴向转变为径向，使传感器探头的光直接透过钢化玻璃照射在阀芯上，所述挡板和阀块之间相互连接，所述挡板对钢化玻璃进行轴向固定，所述阀块和钢化玻璃接触处设置有矩形槽，所述矩形槽内部放置有蕾形密封圈从而能够实现径向密封；
9.所述的阀块使液压油进口方向从阀轴向变成径向，使传感器探头发出的光能够直接照射到阀芯上，通过调整传感器探头的空间位置能够满足传感器探头的测量要求，传感器探头将光分解成不同波长的光，不同波长的光通过透镜形成的焦点汇聚在一条轴线上，形成焦点轴线，经过阀芯反射回的光经由光谱解析器得到波长，再根据波长计算出位移，即x＝f(λ)，由于传感器探头发出的光经过钢化玻璃和液压油发生两次折射，假设经阀芯反射的光波长为λ1，传感器探头得到的位移数值为x＝f(λ1)，实际阀芯位移等于传感器探头测得的阀芯位移数值乘以b2除以b1，即x＝f(λ1)b2/b1，其中，b1为传感器标定的量程，b2为原有量程内的波长区间的光经过折射后在焦点轴线上形成的焦点的最大轴向距离，之后，上位机对数据进行处理，拟合得到阀芯位移曲线。
10.优选的，所述的底座上设有用于安装滚珠丝杠的光孔，所述光孔与所述滚珠丝杠同轴心设置。
11.优选地，所述滚珠丝杠圆周方向设置有和所述轴向定位块配合的槽，用于滚珠丝杠的轴向固定。
12.优选地，所述升降连接件为螺钉，所述螺钉包括圆柱部分与锥体部分，所述圆柱部分的外侧面设置有螺纹，所述上探头夹具开设有与所述锥体部分匹配的凹槽，所述凹槽的内部尺寸与所述锥体的外部尺寸相匹配。
13.优选地，所述支架内部两侧的槽为燕尾槽，所述横向导轨两侧的凸起为燕尾状，所述燕尾状的尺寸与所述燕尾槽的尺寸相匹配，所述横向导轨借助于燕尾槽能够上下移动从而实现传感器探头在z方向的位移。
14.优选地，所述滚珠丝杠包括第一光轴、第二光轴、第三光轴以及第四光轴，所述第一光轴与所述底座的光孔配合，所述第二光轴穿过所述底座的安装孔，所述第三光轴和第四光轴分别与所述轴向定位块的第一曲面及第二曲面配合，所述第三光轴的直径为第一曲面半径的两倍，所述第四光轴的直径为第二曲面半径的两倍。
15.优选地，所述底座顶面加工有用于固定阀块的四个螺纹孔，并开设有固定支架的凹槽，所述凹槽的开设有通槽，紧固螺钉穿过通槽和支架侧面的螺纹孔连接从而将支架和底座进行固定。
16.优选地，所述液压泵设置有溢流阀，借助所述溢流阀能够控制阀块进口处压力。
17.优选地，所述连接件为螺钉。
18.优选地，本发明还提供一种非接触式阀芯位移实时测量方法，其包括以下步骤：
19.s1、将液压油进口管接头和液压泵出口连接，回油口管接头和油箱连接，旋转滚珠丝杠，调整支架y方向的位移，调整到指定位置后拧紧螺钉，完成传感器探头的y方向调整；
20.s2、调整探头夹具，调整到相应位置后拧紧螺钉固定，完成传感器探头的x方向调整；
21.s3、旋转升降连接件调整探头到相应的高度，完成传感器探头的z方向调整；
22.s4、调整完传感器探头位置后，使传感器探头处于待测状态，开启液压泵，用溢流阀控制阀块进口处压力，压力逐渐升高，阀芯开始移动，由传感器的光谱解析器和上位机得出阀芯位移数据。
23.与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
24.(1)本发明提供一种基于光谱共焦的非接触式阀芯位移实时测量装置，其包括底座、阀块和测量三部分，通过阀块改变液压油进口位置，使传感器发出的光透过钢化玻璃直接照射到阀芯上。测量装置能够调整传感器探头的位置，以满足量程要求，光谱共焦传感器发出的光透过钢化玻璃和液压油照射到阀芯上，返回的光经由光谱解析器得出阀芯的位移数据，在经由计算机拟合出阀芯位移曲线。
25.(2)本发明结构简单、拆装灵活、定位精准，待测电磁阀只需要一次性安装，即可通过对非接触式阀芯位移实时测量装置x、y、z三方向的调整和锁紧功能，保证传感器探头和电磁阀阀芯的同轴度要求。
26.(3)本发明的结构避免了对阀芯的二次加工所造成的破坏，非接触式测量可在不干涉电磁阀工作的情况下，对阀芯的位移进行实时精准测量。
27.(4)与传统的激光三角位移测量法对比，本发明的基于光谱共焦的测量方法有很多优点，即使测量对象出现倾斜或翘曲也能精准测量，并且对一些角度等参数要求不高，而激光三角位移测量法需要高精度的角度要求。
附图说明
28.图1为本发明提供的阀芯位移实时测量装置的剖视图；
29.图2为本发明提供的阀芯位移实时测量装置的俯视图；
30.图3为本发明的升降螺钉的正视图；
31.图4为本发明的上探头夹具的侧视图；
32.图5为本发明的升降螺钉和上探头夹具的装配图；
33.图6为本发明的横向导轨的俯视图；
34.图7为本发明的支架的俯视图；
35.图8为本发明的横向导轨和支架的装配图；
36.图9为本发明的丝杠的正视图；
37.图10为本发明的轴向定位块的等轴测图；
38.图11为本发明的底座的等轴测图；
39.图12为本发明的底座、支架、丝杠、轴向定位块和紧固螺钉的爆炸视图；
40.图13为本发明的立体结构示意图。
41.附图标记说明：1-底座；2-阀块；3-液压阀；4-蕾形密封圈；5-挡板；6-钢化玻璃；7-进油口管接头；8-挡板紧固用螺钉；9-上支撑架；10-升降螺钉；11-上探头夹具；12-传感器探头；13-下探头夹具；14-紧固螺钉；15-横向导轨；16-支架；17-丝杠；18-轴向定位块；19-回油口管接头；20-阀块紧固用螺钉；21-上支撑架紧固用螺钉；22-支架紧固螺钉。
具体实施方式
42.以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
43.本发明的目的是提供一种基于光谱共焦的非接触式阀芯位移实时测量装置，传感器探头发出的光透过钢化玻璃和液压油，照射到阀芯上，经阀芯反射回的光被光谱解析器接收，再经上位机拟合出位移曲线就可以得到阀芯的实时位移情况。本发明避免了对阀芯的二次加工所造成的破坏，非接触式测量可在不干涉电磁阀工作的情况下对阀芯的位移进行实时精准测量，本发明的测量方法还适用于其他结构不同但是阀芯位置在传感器量程范围内的其他液压阀。
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
45.如图1至图13所示，本发明提供了一种基于光谱共焦的非接触式阀芯位移实时测量装置，其包括底座1、阀块2和测量装置，阀块2和测量装置并列安装在底座1上。
46.阀块2上安装有液压阀3，测量装置包括上支撑架9、轴向定位块18、滚珠丝杠17、支架16、横向导轨15、传感器探头12、上探头夹具11以及下探头夹具13；支架16的底部固定在底座1上，底座1上安装有滚珠丝杠17，旋转滚珠丝杠17能够调节测量装置的传感器探头12在y方向的位移，滚珠丝杠17穿过支架16设置，滚珠丝杠17的端部连接有轴向定位块18，支架16为u型支架，支架16的顶部连接上支撑架9，支架16的两个侧壁的内侧面分别开设有纵向的燕尾状凹槽161，以下实施例中简称燕尾槽，横向导轨15的两个端部分别设置有与凹槽配合的燕尾状凸起33，横向导轨15能够借助于凹槽和凸起沿支架16的内侧面上下滑动，传感器探头12固定在上探头夹具11和下探头夹具13之间，下探头夹具13借助于紧固螺钉14固定在横向导轨15上，上探头夹具11借助于升降连接件10固定在上支撑架9上，升降连接件能够调节测量装置的传感器探头12在z方向的位移，传感器探头12能够在横向导轨15上滑动从而实现传感器探头12在x方向的位移。
47.液压阀3的阀芯延伸至传感器探头12处，阀座内部还设置有进油口管接头7、钢化玻璃6和挡板5，液压油进口管接头和液压泵出口连接，回油口管接头和油箱连接，进油口管接头设置在阀块2的上方，从而能够将进油口位置由轴向转变为径向，使传感器探头12的光直接透过钢化玻璃照射在阀芯上，挡板5和阀块2之间相互连接，挡板5对钢化玻璃6进行轴向固定，阀块2和钢化玻璃6接触处设置有矩形槽，矩形槽内部放置有蕾形密封圈4从而能够实现径向密封。
48.阀块2使液压油进口方向从阀轴向变成径向，使传感器探头12发出的光能够直接照射到阀芯上，通过调整传感器探头12的空间位置能够满足传感器探头12的测量要求，光谱解析器通过解析返回光的波长计算位移。基于光谱共焦的位移测量方法的原理是将光分解成不同波长的光，不同波长的光通过透镜形成的焦点汇聚在一条轴线上，形成所谓的焦点轴线，经过阀芯反射回的光经由光谱解析器得到波长，再根据波长计算出位移，即x＝f(λ)。由于传感器探头发出的光经过钢化玻璃和液压油发生两次折射，假设经阀芯反射的光波长为λ1，传感器得到的位移数值为x＝f(λ1)，但是由于折射，实际阀芯位移近似等于传感器测得的阀芯位移数值乘以b2除以b1，即x＝f(λ1)b2/b1，其中，b1为传感器标定的量程，b2为
原有量程内的波长区间的光经过折射后在焦点轴线上形成的焦点的最大轴向距离，之后，上位机对数据进行处理，拟合得到阀芯位移曲线。
49.优选的，底座1上设有用于安装滚珠丝杠17的光孔371，光孔371与滚珠丝杠17同轴心设置。
50.优选地，滚珠丝杠17圆周方向设置有和轴向定位块18配合的槽，用于滚珠丝杠17的轴向固定。
51.优选地，升降连接件10为螺钉，螺钉包括圆柱部分311与锥体部分312，圆柱部分311的外侧面设置有螺纹，上探头夹具11开设有与锥体部分312匹配的凹槽，凹槽的内部尺寸与锥体的外部尺寸相匹配。
52.优选地，支架16内部两侧的槽为燕尾槽，横向导轨15两侧的凸起为燕尾状，燕尾状的尺寸与燕尾槽的尺寸相匹配，横向导轨15借助于燕尾槽能够上下移动从而实现传感器探头12在z方向的位移。
53.优选地，滚珠丝杠17包括第一光轴351、第二光轴352、第三光轴353以及第四光轴354，第一光轴351与底座的光孔371配合，第二光轴352穿过底座1的安装孔372，第三光轴353和第四光轴354分别与轴向定位块18的第一曲面361及第二曲面362配合，第三光轴的直径为第一曲面半径的两倍，第四光轴的直径为第二曲面半径的两倍。
54.优选地，底座1顶面加工有用于固定阀块2的四个螺纹孔，并开设有固定支架16的凹槽，凹槽的开设有通槽(通槽设置在安装孔372上方)，紧固螺钉穿过通槽和支架16侧面的螺纹孔连接从而将支架16和底座1进行固定。
55.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
56.如图1所示，本实施例提供一种基于光谱共焦的非接触式阀芯位移实时测量装置，包括底座1、阀块2和测量三部分，进油口管接头7设置在阀块2的上方，由此将进油口位置由轴向转变为径向，使传感器的光直接透过钢化玻璃6照射在阀芯上。挡板5和阀块2之间通过螺纹连接，挡板5对钢化玻璃6进行轴向固定。阀块2和钢化玻璃6接触处设有矩形槽，用于放置蕾形密封圈4实现径向密封。挡板5借助于挡板紧固用螺钉8进行固定。阀块2借助于阀块紧固用螺钉20固定，上支撑架借助于上支撑架紧固用螺钉21固定，支架16借助于支架紧固螺钉固定。
57.如图3和图4所示，升降连接件10的圆柱部分311加工有螺纹，升降连接件10的锥体部分312和上探头夹具11的槽32相配合，旋转升降连接件10可以实现传感器探头12在z方向的位移。需要说明的是，l1＝l2，d1＝d2，d1＝d2。
58.如图6所示，横向导轨15上设有燕尾，和支架16上加工的燕尾槽配合，实现横向导轨15在z方向的移动。需要说明的是，l3＝l6，l4＝l7，l5＝l8。
59.如图7所示，支架16上的孔34加工有内螺纹，和滚珠丝杠17的第二光轴352上加工的外螺纹相配合。滚珠丝杠17的第二光轴352只在与支架连接的部分设置有螺纹。需要说明的是，d9＝d4。
60.如图9所示，滚珠丝杠17上的第一光轴351和底座1上的光孔371配合，滚珠丝杠17上的第二光轴352和底座1上的安装孔372相配合。需要说明的是，d3＝d10，d11＝d5，d4＞d3，l9≥d4。
61.如图10所示，轴向定位块18的第一曲面361和滚珠丝杠17的第三光轴353相配合，
轴向定位块18的第二曲面362和滚珠丝杠17的第四光轴354相配合，需要说明的是，d5＝2r7，d6＝2r8。
62.如图11所示，底座1顶面加工有四个螺纹孔，用于固定阀块2，侧面加工有槽，紧固螺钉穿过槽和支架侧面的螺纹孔连接。
63.具体工作过程为：
64.将所有零件按图1连接好，液压油进口管接头7和液压泵出口连接，回油口管接头19和油箱连接。旋转滚珠丝杠17，调整支架16y方向的位移，调整到相应位置后拧紧支架紧固螺钉22，由此y方向调整完毕。然后调整探头夹具，调整到相应位置后拧紧紧固螺钉14固定，由此x方向调整完毕。最后旋转升降连接件10调整探头到相应的高度，由此z方向调整完毕。传感器探头12位置调整好后，让传感器处于待测状态，开启液压泵，用溢流阀控制阀块进口处压力，压力逐渐升高，阀芯开始移动，由传感器的光谱解析器和上位机得出阀芯位移数据。
65.本实施例中的优点：
66.本发明一种基于光谱共焦的非接触式阀芯位移实时测量装置，其包括底座、阀块和测量三部分，结构简单、拆装灵活、定位精准，待测电磁阀只需要一次性安装，即可通过对非接触式阀芯位移实时测量装置x、y、z三方向的调整和锁紧功能，保证传感器探头和电磁阀阀芯的同轴度要求。同时，本发明避免了对阀芯的二次加工所造成的破坏，非接触式测量可在不干涉电磁阀工作的情况下，对阀芯的位移进行实时精准测量。本发明的测量方法对于其他阀芯位置符合传感器量程的阀同样适用。
67.最后应说明的是：以上的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。