專利名稱：數(shù)字震動(dòng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字震動(dòng)傳感器，它也稱為數(shù)字旋轉(zhuǎn)傳感器。
數(shù)字震動(dòng)傳感器主要檢測(cè)軸頸與軸套兩個(gè)接觸面之間碰撞瞬間所產(chǎn)生的電磁噪聲信號(hào)。該檢測(cè)是一種在線和實(shí)時(shí)方式，它無需將機(jī)械瞬變值轉(zhuǎn)換為模擬電脈沖的能量轉(zhuǎn)換。本發(fā)明中，不僅可以電氣檢測(cè)震動(dòng)，而且可以用數(shù)字表示震動(dòng)強(qiáng)度、頻率和時(shí)間。本發(fā)明可以在每次旋轉(zhuǎn)間隔檢測(cè)震動(dòng)，這是本發(fā)明的一種創(chuàng)意。本發(fā)明具有這樣一種屬生，其中，周期計(jì)數(shù)器內(nèi)所記錄的任何震動(dòng)都將導(dǎo)致立即輸出一個(gè)R/W(讀/寫)無效信號(hào)至硬驅(qū)動(dòng)，并避免偏離磁道寫入；在完成旋轉(zhuǎn)期間，R/W無效信號(hào)將保持有效，直至震動(dòng)消失；所發(fā)生的任何震動(dòng)都保存在地址寄存器內(nèi)，后者提供與磁盤的磁道數(shù)有關(guān)的有價(jià)值的信息，以及在震動(dòng)消失后進(jìn)行數(shù)據(jù)糾正和重寫的其它伺服基準(zhǔn)。數(shù)字震動(dòng)傳感器可以單獨(dú)集成為IC芯片，或者與DSP(數(shù)字信號(hào)處理)結(jié)合起來。本發(fā)明可以廣泛用于各種電動(dòng)機(jī)軸承系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)，諸如空氣軸承、滾珠軸承和流體動(dòng)力軸承電動(dòng)機(jī)。
由于磁道密度，即TPI(每英寸磁道)引人注目地年復(fù)一年增加，為了防止在數(shù)據(jù)讀、寫期間尤其是數(shù)據(jù)寫期間發(fā)生外來震動(dòng)，震動(dòng)傳感器在硬盤驅(qū)動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱硬驅(qū))中已變得非常重要了。硬驅(qū)遭到操作上的和非操作上的兩種震動(dòng)，其中，操作上的震動(dòng)對(duì)用戶數(shù)據(jù)安全具有嚴(yán)重危害。此外，作為對(duì)移動(dòng)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)或臺(tái)式PC(個(gè)人計(jì)算機(jī))的一種特殊考慮，通常需要由震動(dòng)傳感器提供讀/寫數(shù)據(jù)的可靠性。
過去，設(shè)計(jì)工程師的主要精力集中在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配和伺服系統(tǒng)，以在硬驅(qū)操作期間保護(hù)用戶的數(shù)據(jù)。例如，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的臂圍繞其樞軸點(diǎn)取得平衡，使震動(dòng)造成的影響減至最小。再者，減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)之臂包括彎曲部分和滑動(dòng)部分的質(zhì)量，也可以減緩?fù)鈦碚饎?dòng)所造成的影響。
早在1992年就介紹了一種內(nèi)含伺服信息的方法。該方法能達(dá)到更高的數(shù)據(jù)密度，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生其它的技術(shù)問題。內(nèi)含伺服信息的方案，在每條磁軌上用用戶數(shù)據(jù)點(diǎn)綴伺服信息。通常，伺服脈沖串是周期性發(fā)生的，然而，震動(dòng)是隨時(shí)發(fā)生的。如果震動(dòng)發(fā)生在脈沖串之間，它可能使數(shù)據(jù)頭偏離磁道，那么在下一伺服脈沖串發(fā)生前將有一個(gè)未檢測(cè)到的空白情況。如果脈沖串之間的震動(dòng)發(fā)生在寫操作期間，用戶數(shù)據(jù)可能會(huì)偶爾被破壞。
另有一種保護(hù)用戶數(shù)據(jù)免遭操作上震動(dòng)的方法稱為SafeRite，它可以顯著地提高操作數(shù)據(jù)的保護(hù)。SafeRite方法包括將一個(gè)震動(dòng)傳感器加到PC板上檢測(cè)震動(dòng)，并防止因偏離磁道而丟失數(shù)據(jù)。震動(dòng)傳感器檢測(cè)相對(duì)x,y和z軸6個(gè)可能方向(3個(gè)線性方向，3個(gè)旋轉(zhuǎn)方向)上的線性震動(dòng)和轉(zhuǎn)矩震動(dòng)，并保護(hù)驅(qū)動(dòng)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)免遭短時(shí)期震動(dòng)。按傳感器的規(guī)格和安裝，該方法比之現(xiàn)有的方法要復(fù)雜得多。
另一項(xiàng)發(fā)明是將震動(dòng)傳感器安裝在載有芯片的懸臂梁上，設(shè)計(jì)成通過動(dòng)態(tài)響應(yīng)震動(dòng)脈沖的頻率而檢測(cè)機(jī)械震動(dòng)。梁的移動(dòng)在覆蓋梁的壓電膜內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。然后，芯片將機(jī)械震動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓，其幅值與震動(dòng)強(qiáng)度成正比。該方法依賴于梁。然而，梁上的芯片對(duì)熱非常敏感。因此，必須考慮到極其小心地加熱。問題是如何才能獲得廉價(jià)而穩(wěn)定的梁。
第5235472號(hào)和5373213號(hào)美國(guó)專利披露了一種安裝在硬驅(qū)部件上的震動(dòng)量檢測(cè)裝置。該檢測(cè)裝置由一種壓電聚合膜制成。通過電接觸壓電聚合膜，將檢測(cè)到超過預(yù)定閾值的外力。該發(fā)明的缺點(diǎn)是壓電聚合膜需要施加電能，傳感器需要安裝空間。
第5333138號(hào)美國(guó)專利披露了一種方法，通過感測(cè)其幅值超過預(yù)定閾值的震動(dòng)，可以防止盤上數(shù)據(jù)因?qū)戇^程期間發(fā)生的機(jī)械震動(dòng)而出錯(cuò)。該專利的主要考慮在于預(yù)定閾值。通常，最佳預(yù)定閾值是難以精確獲得的。還要明確考慮設(shè)置震動(dòng)傳感器的幾何位置的各種參數(shù)。此外，任何不精確的預(yù)定閾值將導(dǎo)致非科學(xué)的預(yù)測(cè)。
第5510666號(hào)美國(guó)專利披露了一種震動(dòng)傳感器，它采用一種勵(lì)磁相位躍遷材料，使相位從反鐵電相位變換為鐵電相位，致使勵(lì)磁相位躍遷材料產(chǎn)生變形。顯然，由于不具備使系統(tǒng)集成為硅片的可能性，該震動(dòng)傳感器并不適合于硬盤或其它的盤或非硬驅(qū)。
本發(fā)明的數(shù)字震動(dòng)傳感器是為旋轉(zhuǎn)傳感器所固有的。旋轉(zhuǎn)傳感器的原理簡(jiǎn)單并易于理解。在標(biāo)準(zhǔn)心軸恒速旋轉(zhuǎn)期間，如果心軸的軸承系統(tǒng)呈現(xiàn)好的情況，軸頸與軸套之間將形成一個(gè)氣隙，并與心軸恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的尺寸無關(guān)。軸頸與軸套之間的平衡通過該氣隙而動(dòng)態(tài)保持，或稱為氣流動(dòng)力學(xué)。通常，軸頸與軸套之間的氣隙約有兩個(gè)微米的距離。然而，一旦因任何機(jī)械原因而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)包含了震動(dòng)的產(chǎn)生，軸頸與軸套之間的動(dòng)態(tài)平衡將立即喪失。這將導(dǎo)致軸頸與軸套表面之間的物理接觸。軸頸通常是由金屬制成的，并與電動(dòng)機(jī)的定子聯(lián)接。由于心軸正在運(yùn)轉(zhuǎn)，此意味著存在著動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)，同樣有定子電流傳導(dǎo)。所有這些都可能產(chǎn)生電磁噪聲信號(hào)，并可能通過所接觸的軸套表面?zhèn)鲗?dǎo)到軸頸上。通過檢測(cè)該電磁噪聲信號(hào)就可以獲得在線、實(shí)時(shí)的震動(dòng)發(fā)生信息。因此，在心軸運(yùn)轉(zhuǎn)期間，一旦發(fā)生震動(dòng)，首先感測(cè)到震動(dòng)的是心軸的軸頸。
根據(jù)這一原理，本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字震動(dòng)傳感器，它通過軸頸檢測(cè)電磁噪聲信號(hào)，然后以在線、實(shí)時(shí)感測(cè)震動(dòng)發(fā)生的方式數(shù)字式地對(duì)其進(jìn)行處理和鑒定。
根據(jù)本發(fā)明的一種數(shù)字震動(dòng)傳感器，包括傳感器元件，它設(shè)置在心軸軸頸的幾何中心，用以檢測(cè)震動(dòng)脈沖；初始化裝置，用以預(yù)放大震動(dòng)脈沖，使震動(dòng)脈沖信號(hào)緩沖并等待主軸電動(dòng)機(jī)鎖住信號(hào)；預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置，利用FG信號(hào)作為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)周期信息，所述FG信號(hào)代表心軸的旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速；震動(dòng)強(qiáng)度分析裝置，對(duì)預(yù)放大的震動(dòng)脈沖進(jìn)行模/數(shù)變換和dB變換，其中，震動(dòng)強(qiáng)度的幅值用dB數(shù)值表示；震動(dòng)頻率和時(shí)間確認(rèn)裝置，使震動(dòng)脈沖與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘同步，并使計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為震動(dòng)時(shí)間和震動(dòng)頻率；震動(dòng)事件記錄裝置，記錄心軸每次旋轉(zhuǎn)時(shí)的隨機(jī)震動(dòng)事件。
所述初始化裝置包括對(duì)震動(dòng)脈沖進(jìn)行預(yù)放大的預(yù)放大器，對(duì)預(yù)放大的震動(dòng)脈沖的寬帶進(jìn)行整形并調(diào)節(jié)震動(dòng)脈沖幅值的緩沖器，以及響應(yīng)于一鎖定信號(hào)啟動(dòng)震動(dòng)信號(hào)處理的D鎖存器。
所述震動(dòng)強(qiáng)度分析裝置包括將預(yù)放大的震動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的n位A/D轉(zhuǎn)換器，用以儲(chǔ)存所述數(shù)字信號(hào)并將其送到DSP的n位寄存器，以及用dB數(shù)值表示震動(dòng)強(qiáng)度幅值的dB轉(zhuǎn)換器。
所述震動(dòng)頻率和時(shí)間確認(rèn)裝置包括對(duì)震動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)的n位計(jì)數(shù)器，將n位計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為震動(dòng)時(shí)間和震動(dòng)頻率的T轉(zhuǎn)換器和1/T轉(zhuǎn)換器，以及存儲(chǔ)震動(dòng)時(shí)間和震動(dòng)頻率信息并將所述信息傳送到DSP總線的數(shù)據(jù)寄存器。
所述預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置包括將FG信號(hào)除以n的1/n分頻器，其中，n為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，將除以n的FG信號(hào)再除以6或3的1/6分頻器或1/3分頻器，由此，一次獲得每一旋轉(zhuǎn)信號(hào)h/c。
進(jìn)一步，所述預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置還包括將每一旋轉(zhuǎn)信號(hào)h/c除以2的1/2分頻器，由此獲得完整周期信號(hào)H/C。
所述震動(dòng)事件記錄裝置包括當(dāng)心軸每旋轉(zhuǎn)一次即記錄震動(dòng)的發(fā)生的第一1/2n位計(jì)數(shù)器和第二1/2n位計(jì)數(shù)器，分別連接到第一和第二1/2n位計(jì)數(shù)器并在一旦檢測(cè)到震動(dòng)即將一個(gè)R/W禁止信號(hào)輸出到硬驅(qū)并禁止和停止讀/寫的或門，以及存儲(chǔ)第一和第二1/2n位計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)、將所發(fā)生的震動(dòng)歸到一個(gè)地址作為DSP處理的震動(dòng)歷史記錄信息的第一和第二地址寄存器。
其中，所述第一和第二1/2n位計(jì)數(shù)器的每一個(gè)僅跟隨每次旋轉(zhuǎn)的半個(gè)周期，其計(jì)數(shù)序列分別由表示每一旋轉(zhuǎn)周期的邏輯高時(shí)期的h/c信號(hào)以及表示每一旋轉(zhuǎn)周期的邏輯低時(shí)期的h*/c信號(hào)控制。
所述計(jì)數(shù)序列交替地由整個(gè)循環(huán)周期信號(hào)H/C及其反相信號(hào)H*/C實(shí)現(xiàn)，其中，H/C和H*/C信號(hào)的正向沿分別作為第一1/2n位計(jì)數(shù)器和第二1/2n位計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)。
在所述第一1/2n位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，所述第二1/2n位計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)仍保持在同一計(jì)數(shù)器內(nèi)，直至第一1/2n位計(jì)數(shù)器結(jié)束計(jì)數(shù)；在所述第二1/2n位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，所述第一1/2n位計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)仍保持在同一計(jì)數(shù)器內(nèi)，直至第二1/2n位計(jì)數(shù)器結(jié)束計(jì)數(shù)。
在第一1/2n位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)期間保持任何記錄的震動(dòng)數(shù)據(jù)，直至H*/C信號(hào)變?yōu)檎蜓?；而在第?/2n位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)期間保持任何記錄的震動(dòng)數(shù)據(jù)，直至H/C信號(hào)變?yōu)檎蜓亍?br> 根據(jù)本發(fā)明，數(shù)字震動(dòng)傳感器與硬驅(qū)和讀/寫操作結(jié)合。一旦檢測(cè)到震動(dòng)，震動(dòng)傳感器或者立即中斷當(dāng)前的讀-寫，或者使正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)寫操作無效。如果有嚴(yán)重的震動(dòng)發(fā)生，震動(dòng)傳感器甚至可以使讀/寫頭停止操作，待震動(dòng)過去之后再使其重新定位于正確的位置上。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于1．?dāng)?shù)字震動(dòng)傳感器在軸頸與軸套的兩個(gè)接觸表面發(fā)生碰撞時(shí)檢測(cè)電磁噪聲信號(hào)。該電磁噪聲信號(hào)為一種模擬信號(hào)，它具有多函數(shù)的動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)以及傳導(dǎo)線圈電流和感應(yīng)定子電流，并不同于壓力器皿或阻尼振蕩或機(jī)械振動(dòng)。
2．?dāng)?shù)字震動(dòng)傳感器檢測(cè)為直接檢測(cè)，它無需將機(jī)械瞬變值轉(zhuǎn)換為模擬電脈沖的能量轉(zhuǎn)換。這是本發(fā)明一個(gè)顯著的創(chuàng)造性構(gòu)思。在此之前，感測(cè)方法中未出現(xiàn)不用能量轉(zhuǎn)換的震動(dòng)傳感器。嚴(yán)格來說，采用能量轉(zhuǎn)換的震動(dòng)傳感器不是一種實(shí)時(shí)震動(dòng)傳感器。
3．?dāng)?shù)字震動(dòng)傳感器檢測(cè)能在每一旋轉(zhuǎn)間隔內(nèi)檢測(cè)震動(dòng)，這是本發(fā)明的首創(chuàng)。在此之前，沒有一種震動(dòng)檢測(cè)器能夠處理這一函數(shù)特性。
4．?dāng)?shù)字震動(dòng)傳感器可以單獨(dú)集成為IC芯片或與DSP結(jié)合在一起。
為此，本發(fā)明的數(shù)字震動(dòng)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)可以概括如下1．簡(jiǎn)易為最佳。數(shù)字震動(dòng)傳感器的所有成就在于通過心軸的軸頸而不是其它部件檢測(cè)電磁噪聲信號(hào)。震動(dòng)承載了電磁噪聲信號(hào)，故不僅可以在電學(xué)上檢測(cè)震動(dòng)脈沖，而且可以從數(shù)學(xué)上認(rèn)識(shí)它。
2．震動(dòng)傳感器最基本的方案是硬驅(qū)應(yīng)用，因?yàn)橛豺?qū)應(yīng)用中所產(chǎn)生的任何震動(dòng)都將導(dǎo)致動(dòng)態(tài)氣流失衡，并導(dǎo)致軸頸表面與軸套表面之間接觸形成的震動(dòng)脈沖與電磁噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換有關(guān)。
3．由于可以數(shù)字測(cè)量、計(jì)數(shù)和計(jì)算震動(dòng)脈沖的幅值、持續(xù)時(shí)間和頻率，最精確的方法就是檢測(cè)該震動(dòng)，無論何時(shí)，數(shù)字震動(dòng)傳感器都能檢測(cè)出現(xiàn)的震動(dòng)，故可以觀察震動(dòng)的行為并可以檢查震動(dòng)脈沖的頻譜。
4．由于氣隙的距離為微米數(shù)量級(jí)，故可以獲得高的震動(dòng)靈敏度。此外，如震動(dòng)能明顯打破軸頸表面與軸套表面之間的空氣平衡，甚至震動(dòng)的強(qiáng)度也可以預(yù)先確定。實(shí)際上，在空間有限的硬驅(qū)組件內(nèi)無需再安裝位移傳感器、電接觸的壓電聚合薄膜以及安裝芯片的懸臂梁。
5．對(duì)于震動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)臨界閾值，應(yīng)考慮其強(qiáng)度能夠打破空氣平衡的這種震動(dòng)。這是因?yàn)樵谡饎?dòng)傳感器能夠通過軸頸接收電磁噪聲之前，該震動(dòng)必須打破以微米級(jí)計(jì)算的軸頸表面與軸套表面之間的空氣平衡。如果震動(dòng)可以打破這種空氣平衡，它因此可引起偏離磁道寫入。
6．由于數(shù)字震動(dòng)傳感器通過動(dòng)態(tài)信號(hào)處理震動(dòng)事件，故它在整個(gè)硬盤操作期間是一種在線和實(shí)時(shí)檢測(cè)和確認(rèn)，由震動(dòng)本身產(chǎn)生的震動(dòng)脈沖作為一種能源與任何幾何尺寸無關(guān)。
7．它不僅適用于操作震動(dòng)而且適用于非操作震動(dòng)，因?yàn)楫?dāng)心軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，非操作震動(dòng)將對(duì)空氣平衡產(chǎn)生直接影響，如果非操作震動(dòng)的強(qiáng)度超出某一不可恢復(fù)的危險(xiǎn)程度，非操作震動(dòng)將再繼續(xù)。
8．本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于各種電動(dòng)機(jī)軸承的震動(dòng)或旋轉(zhuǎn)檢測(cè)，諸如空氣軸承電動(dòng)機(jī)、滾珠軸承電動(dòng)機(jī)和流體動(dòng)力軸承電動(dòng)機(jī)。
9．當(dāng)然，根據(jù)同樣的機(jī)理，數(shù)字震動(dòng)傳感器可以用來檢測(cè)和鑒定有缺陷的軸承系統(tǒng)，諸如軸承旋轉(zhuǎn)診斷。有兩種不同性能的震動(dòng)脈沖一種是隨機(jī)的，另一種是非線性或離散的。然而，如果相對(duì)心軸的每次旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)周期性連續(xù)的震動(dòng)脈沖，可以考慮心軸的軸承系統(tǒng)或被破壞或有缺陷的可能。


圖1是表示本發(fā)明的集成數(shù)字震動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是表示圖1中預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置的方框圖。
圖3是表示圖1中震動(dòng)強(qiáng)度分析裝置的方框圖。
圖4是表示圖1中震動(dòng)頻率和時(shí)間確認(rèn)裝置的方框圖。
圖5是表示圖1中震動(dòng)事件記錄裝置的方框圖。
圖6A至6C是表示震動(dòng)傳感器、檢測(cè)點(diǎn)、電線及其布局的示意圖，它表示數(shù)字震動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以及一種機(jī)械裝配、電線及其在硬驅(qū)實(shí)例中的布局。
以下將參照附圖對(duì)本發(fā)明的數(shù)字震動(dòng)傳感器作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和效果將在以下的描述中變得更加清楚。
參見圖1，本發(fā)明中，數(shù)字震動(dòng)傳感器包括若干功能裝置，諸如初始化裝置，用以預(yù)放大震動(dòng)脈沖，使震動(dòng)脈沖信號(hào)緩沖到D鎖存器并等待主軸電動(dòng)機(jī)鎖住信號(hào)。在硬驅(qū)應(yīng)用中，震動(dòng)傳感器僅在心軸達(dá)到穩(wěn)定的恒速旋轉(zhuǎn)(鎖定信號(hào)輸出)后才開始震動(dòng)檢測(cè)；預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置，利用FG(函數(shù)發(fā)生)信號(hào)或稱為零交叉信號(hào)作為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)周期信息；震動(dòng)強(qiáng)度分析裝置，由n位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)合dB轉(zhuǎn)換構(gòu)成；震動(dòng)頻率和時(shí)間確認(rèn)裝置，由n位計(jì)數(shù)器結(jié)合T和1/T轉(zhuǎn)換器構(gòu)成；震動(dòng)事件記錄裝置，通過兩個(gè)半周期計(jì)數(shù)器記錄心軸旋轉(zhuǎn)每次旋轉(zhuǎn)時(shí)的隨機(jī)震動(dòng)事件。
震動(dòng)傳感器處理作為一種多函數(shù)動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)的電磁噪聲、勵(lì)磁線圈電流和感應(yīng)定子電流。該電磁噪聲可以被視為震動(dòng)脈沖，即模擬信號(hào)。
通常，該震動(dòng)脈沖是一種小的模擬信號(hào)，因此，為了獲得正常的模擬信號(hào)需要進(jìn)行預(yù)放大。無論何時(shí)，一旦感應(yīng)到震動(dòng)脈沖首先將其送到高輸入阻抗的放大器11。預(yù)放大后將震動(dòng)脈沖送到緩沖器12。緩沖器12將對(duì)震動(dòng)脈沖的寬度進(jìn)行整形并調(diào)節(jié)震動(dòng)脈沖的幅值。然后，震動(dòng)脈沖將緩沖至D鎖存器13。當(dāng)數(shù)字震動(dòng)傳感器將開始處理感應(yīng)的震動(dòng)脈沖信號(hào)時(shí)即確定D鎖存器13。其理由如下1．硬盤控制方面，在心軸達(dá)到所需的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速前或鎖定信號(hào)出現(xiàn)前，所有的讀寫頭仍處于停頓位置，沒有任何允許的讀或?qū)懖僮?。硬盤寫入僅當(dāng)鎖定信號(hào)為有效的邏輯高時(shí)才可能執(zhí)行。
2．心軸的軸承系統(tǒng)方面，在心軸啟動(dòng)周期期間，軸承系統(tǒng)需要一定量的時(shí)期建立動(dòng)態(tài)軸承系統(tǒng)的幾何中心，其中在軸頸與軸套之間將產(chǎn)生一個(gè)氣隙，它與拿掉心軸后的尺寸無關(guān)。
3．操作期間，在軸頸表面與軸套表面之間將頻繁地發(fā)生物理接觸，它將產(chǎn)生一種偽震動(dòng)脈沖。為了避免檢測(cè)該偽震動(dòng)脈沖，在遇到鎖定信號(hào)之前(邏輯高)，不啟動(dòng)震動(dòng)信號(hào)處理。
4．出于同樣原因，在心軸停頓期間，動(dòng)態(tài)空氣平衡將不復(fù)存在，并將出現(xiàn)偽震動(dòng)脈沖。因此，如果鎖定信號(hào)未出現(xiàn)(邏輯低)，應(yīng)當(dāng)結(jié)束震動(dòng)信號(hào)處理。
這樣，本發(fā)明中，數(shù)字震動(dòng)邏輯上應(yīng)結(jié)合表示心軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的硬驅(qū)控制信號(hào)-鎖定信號(hào)，并給出震動(dòng)檢測(cè)的時(shí)間表或定時(shí)。
參見圖3，在震動(dòng)強(qiáng)度分析裝置中，震動(dòng)強(qiáng)度通過n位A/D轉(zhuǎn)換器31結(jié)合dB轉(zhuǎn)換器32進(jìn)行分析。震動(dòng)脈沖經(jīng)預(yù)放大后送到n位A/D轉(zhuǎn)換器31。如果鎖定信號(hào)為邏輯高，n位A/D轉(zhuǎn)換器31將啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果將進(jìn)一步由dB轉(zhuǎn)換器32處理，其中，震動(dòng)強(qiáng)度的幅值將用dB數(shù)值表示。A/D轉(zhuǎn)換器31結(jié)果還將存儲(chǔ)在n位寄存器33內(nèi)并送到DSP總線34。
參見圖4，在震動(dòng)頻率和時(shí)間確認(rèn)裝置中，對(duì)震動(dòng)頻率和時(shí)間的確認(rèn)是由n位計(jì)數(shù)器41結(jié)合T和1/T轉(zhuǎn)換器42,43實(shí)現(xiàn)的。如果D鎖存器13由邏輯高的鎖定信號(hào)激活，震動(dòng)脈沖將由結(jié)合計(jì)數(shù)器時(shí)鐘的D-FF(D觸發(fā)器)44對(duì)準(zhǔn)。計(jì)數(shù)器時(shí)鐘可以由硬驅(qū)的CPU時(shí)鐘輸入。D-FF44使震動(dòng)脈沖與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘同步以避免遺漏任何計(jì)數(shù)。當(dāng)震動(dòng)脈沖發(fā)生時(shí)，一個(gè)與門45同時(shí)在線將計(jì)數(shù)時(shí)鐘送到n位計(jì)數(shù)器41。
計(jì)數(shù)分辨率將取決于計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率。如果計(jì)數(shù)器采用20MG的時(shí)鐘頻率，則將獲得50毫微秒的分辨率。計(jì)數(shù)分辨率必須考慮邏輯門的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，它們因各自的處理工藝而有差異。
然后，存儲(chǔ)在n位計(jì)數(shù)器41內(nèi)的計(jì)數(shù)結(jié)果可以分別通過T和1/T轉(zhuǎn)換器42,43表示為震動(dòng)時(shí)間和震動(dòng)頻率。此外，震動(dòng)時(shí)間和震動(dòng)頻率信息可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器46內(nèi)并送到DSP34總線作震動(dòng)確認(rèn)以及傳送信號(hào)處理。
n位計(jì)數(shù)器41對(duì)震動(dòng)脈沖每次計(jì)1。在下一震動(dòng)脈沖到達(dá)之前，計(jì)數(shù)器必須清零。本發(fā)明利用輸入震動(dòng)脈沖的正向沿作為計(jì)數(shù)器清零信號(hào)。施加輸入震動(dòng)脈沖的正向沿使計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)由計(jì)數(shù)器時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)。然后，該對(duì)準(zhǔn)的震動(dòng)脈沖同時(shí)與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘傳送到與門45。這樣，在清除先前的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)后，可以確保計(jì)數(shù)器準(zhǔn)備好對(duì)輸入的震動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)。通常只需40毫微秒不到(約兩個(gè)門選通時(shí)間間隔)即可完成。
參見圖2，在預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置中，每一旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)由FG(函數(shù)發(fā)生)信號(hào)或所謂的零交叉信號(hào)產(chǎn)生。該零交叉信號(hào)代表心軸的旋轉(zhuǎn)或心軸的轉(zhuǎn)速。在預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置2，首先通過1/分頻器24將FG信號(hào)除以n。其中，n稱為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。然后通過1/6分頻器22或1/3分頻器23，將它除以6或3，因?yàn)椴捎玫哪Ｊ椒謩e為六態(tài)全輪驅(qū)動(dòng)或三態(tài)半輪驅(qū)動(dòng)。如此，一次可以獲得每一旋轉(zhuǎn)信號(hào)，h/c。如果每一旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)一步通過1/2分頻器24除以2，則產(chǎn)生完整周期信號(hào)，H/C。當(dāng)然，這里所用的FG信號(hào)稱為所需速度或鎖定心軸轉(zhuǎn)速。
參見圖5，在震動(dòng)事件記錄裝置5中，心軸每旋轉(zhuǎn)一次即通過兩個(gè)半n位周期計(jì)數(shù)器記錄震動(dòng)的發(fā)生。震動(dòng)發(fā)生次數(shù)由兩個(gè)1/2n位計(jì)數(shù)器51計(jì)數(shù)，其中每個(gè)1/2n位計(jì)數(shù)器51僅跟隨每次旋轉(zhuǎn)的半個(gè)周期。
該計(jì)數(shù)序列由h/c和h*/c信號(hào)控制。h/c表示每一旋轉(zhuǎn)周期的邏輯高時(shí)期。h*/c表示每一旋轉(zhuǎn)周期的邏輯低時(shí)期。假如高端1/2n位計(jì)數(shù)器51在旋轉(zhuǎn)的前半個(gè)周期開始計(jì)數(shù)，則由h/c使能信號(hào)使能。然后，低端1/2n位計(jì)數(shù)器51從旋轉(zhuǎn)的后半個(gè)周期開始計(jì)數(shù)。
一旦檢測(cè)到震動(dòng)，將立即通過或門52將一個(gè)R/W禁止信號(hào)輸出到硬驅(qū)并禁止和停止讀/寫。這是通過將每個(gè)1/2n位計(jì)數(shù)器的(N0-位)連接到或門實(shí)現(xiàn)的。
在低端1/2n位計(jì)數(shù)期間，高端1/2位計(jì)數(shù)器51內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)仍保持在同一計(jì)數(shù)器內(nèi)，直至低端1/2n位計(jì)數(shù)器51結(jié)束計(jì)數(shù)。同樣，在高端1/2n位計(jì)數(shù)期間，低端1/2位內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)仍保持在同一計(jì)數(shù)器內(nèi)，直至高端1/2n位計(jì)數(shù)器結(jié)束計(jì)數(shù)。
該計(jì)數(shù)序列是交替地由整個(gè)循環(huán)周期信號(hào)H/C和H*/C實(shí)現(xiàn)的。這里，H/C和H*/C的正向沿作為兩個(gè)周期計(jì)數(shù)器清零信號(hào)。假如高端1/2n位計(jì)數(shù)器開始對(duì)旋轉(zhuǎn)的前半個(gè)周期計(jì)數(shù)，它由h/c使能信號(hào)使能。然而，在高端1/2n位計(jì)數(shù)器51的計(jì)數(shù)期間將保持任何記錄的震動(dòng)數(shù)據(jù)，直至H*/C變?yōu)檎蜓亍７催^來低端1/2n位計(jì)數(shù)器51也一樣，即在低端1/2n位計(jì)數(shù)器51的計(jì)數(shù)期間將保持任何記錄的震動(dòng)數(shù)據(jù)，直至H/C變?yōu)檎蜓亍?br> 每個(gè)周期計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)將送到兩個(gè)單獨(dú)的地址寄存器53內(nèi)。所發(fā)生的震動(dòng)將歸到一個(gè)地址。它可以作為以后DSP處理的震動(dòng)歷史記錄信息。
該計(jì)數(shù)序列具有重大意義，它可以概括為1．周期計(jì)數(shù)器內(nèi)記錄的任何震動(dòng)將導(dǎo)致向硬驅(qū)立即輸出一個(gè)R/W禁止信號(hào)，并避免偏離磁道寫入。
2．在通過完全的旋轉(zhuǎn)時(shí)期，將保持輸出的R/W信號(hào)有效，直至震動(dòng)已經(jīng)消失。這可以防止在嚴(yán)重或頻繁的震動(dòng)發(fā)生期間或使軸承旋轉(zhuǎn)情況下發(fā)生偏離磁道的寫入。
3．由于任何震動(dòng)的產(chǎn)生都是在每次旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)檢測(cè)的，并歸入一個(gè)地址寄存器，這樣將提供了與硬盤的磁道數(shù)和其它伺服參數(shù)有關(guān)的有價(jià)值的信息。對(duì)于震動(dòng)過去后的數(shù)據(jù)校正和重寫，該技術(shù)是極其有用的。
參見圖6A至6C，其中圖6A表示心軸的軸頸/軸套中心位置，圖6B表示硬驅(qū)殼體的頂/底部和震動(dòng)傳感器的安裝位置，圖6C表示震動(dòng)傳感器元件。數(shù)字震動(dòng)傳感器有獨(dú)特的震動(dòng)傳感器元件。該傳感器元件包括3個(gè)部分1．可以由尖狀金屬制成的針尖65。與硬盤組件的幾何空間相比，該針尖的長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)?shù)囟桃恍?br> 2．由金屬制成的彈簧線66，它連接到針尖65的一側(cè)并固定在傳感器元件內(nèi)部。
3．薄膜電纜67，它與傳感器元件的頂側(cè)連接并埋入硬盤組件或頂部或底部殼體中帶凹槽的管子內(nèi)。
4．該針尖65被支承位于軸頸任一側(cè)的幾何中心。
5．如果測(cè)量點(diǎn)來自心軸61的底部，該針尖被支承附到軸頸的幾何中心。
6．然而，如果測(cè)量點(diǎn)來自心軸61的頂部，軸頸幾何中心的頂部與針尖之間最好保持幾微米的距離。因?yàn)楫?dāng)心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)速度不同，心軸的轉(zhuǎn)子將偏離微米級(jí)的某一距離。這將導(dǎo)致軸頸幾何中心的頂部與針尖之間發(fā)生表面接觸。
7．必須確保針尖較佳地位于軸頸的幾何中心。心軸旋轉(zhuǎn)期間，任何偏離幾何中心都將產(chǎn)生摩擦和偽振動(dòng)脈沖。針尖表面與軸頸中心之間的接觸壓力必須相對(duì)合理。
以上所述僅僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的上述構(gòu)思，本領(lǐng)域的熟練人員還可對(duì)此作出種種變換和修改，但這些變換和修改均屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于包括傳感器元件，它設(shè)置在心軸軸頸的幾何中心，用以檢測(cè)震動(dòng)脈沖；初始化裝置，用以預(yù)放大震動(dòng)脈沖，使震動(dòng)脈沖信號(hào)緩沖并等待主軸電動(dòng)機(jī)鎖住信號(hào)；預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置，利用FG信號(hào)作為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)周期信息，所述FG信號(hào)代表心軸的旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速；震動(dòng)強(qiáng)度分析裝置，對(duì)預(yù)放大的震動(dòng)脈沖進(jìn)行模/數(shù)變換和dB變換，其中，震動(dòng)強(qiáng)度的幅值用dB數(shù)值表示；震動(dòng)頻率和時(shí)間確認(rèn)裝置，使震動(dòng)脈沖與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘同步，并使計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為震動(dòng)時(shí)間和震動(dòng)頻率；震動(dòng)事件記錄裝置，記錄心軸每次旋轉(zhuǎn)時(shí)的隨機(jī)震動(dòng)事件。
2．如權(quán)利要求1所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述初始化裝置包括對(duì)震動(dòng)脈沖進(jìn)行預(yù)放大的預(yù)放大器，對(duì)預(yù)放大的震動(dòng)脈沖的寬帶進(jìn)行整形并調(diào)節(jié)震動(dòng)脈沖幅值的緩沖器，以及響應(yīng)于一鎖定信號(hào)啟動(dòng)震動(dòng)信號(hào)處理的D鎖存器。
3．如權(quán)利要求1所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述震動(dòng)強(qiáng)度分析裝置包括將預(yù)放大的震動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的n位A/D轉(zhuǎn)換器，用以儲(chǔ)存所述數(shù)字信號(hào)并將其送到DSP的n位寄存器，以及用dB數(shù)值表示震動(dòng)強(qiáng)度幅值的dB轉(zhuǎn)換器。
4．如權(quán)利要求1所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述震動(dòng)頻率和時(shí)間確認(rèn)裝置包括對(duì)震動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)的n位計(jì)數(shù)器，將n位計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為震動(dòng)時(shí)間和震動(dòng)頻率的T轉(zhuǎn)換器和1/T轉(zhuǎn)換器，以及存儲(chǔ)震動(dòng)時(shí)間和震動(dòng)頻率信息并將所述信息傳送到DSP總線的數(shù)據(jù)寄存器。
5．如權(quán)利要求1所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置包括將FG信號(hào)除以n的1/n分頻器，其中，n為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，將除以n的FG信號(hào)再除以6或3的1/6分頻器或1/3分頻器，由此，一次獲得每一旋轉(zhuǎn)信號(hào)h/c。
6．如權(quán)利要求5所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置還包括將每一旋轉(zhuǎn)信號(hào)h/c除以2的1/2分頻器，由此獲得完整周期信號(hào)H/C。
7．如權(quán)利要求1所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述震動(dòng)事件記錄裝置包括當(dāng)心軸每旋轉(zhuǎn)一次即記錄震動(dòng)的發(fā)生的第一1/2n位計(jì)數(shù)器和第二1/2n位計(jì)數(shù)器，分別連接到第一和第二1/2n位計(jì)數(shù)器并在一旦檢測(cè)到震動(dòng)即將一個(gè)R/W禁止信號(hào)輸出到硬驅(qū)并禁止和停止讀/寫的或門，以及存儲(chǔ)第一和第二1/2n位計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)、將所發(fā)生的震動(dòng)歸到一個(gè)地址作為DSP處理的震動(dòng)歷史記錄信息的第一和第二地址寄存器。
8．如權(quán)利要求7所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述第一和第二1/2n位計(jì)數(shù)器的每一個(gè)僅跟隨每次旋轉(zhuǎn)的半個(gè)周期，其計(jì)數(shù)序列分別由表示每一旋轉(zhuǎn)周期的邏輯高時(shí)期的h/c信號(hào)以及表示每一旋轉(zhuǎn)周期的邏輯低時(shí)期的h*/c信號(hào)控制。
9．如權(quán)利要求7所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述計(jì)數(shù)序列交替地由整個(gè)循環(huán)周期信號(hào)H/C及其反相信號(hào)H*/C實(shí)現(xiàn)，其中，H/C和H*/C信號(hào)的正向沿分別作為第一1/2n位計(jì)數(shù)器和第二1/2n位計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)。
10．如權(quán)利要求7所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，在所述第一1/2n位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，所述第二1/2n位計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)仍保持在同一計(jì)數(shù)器內(nèi)，直至第一1/2n位計(jì)數(shù)器結(jié)束計(jì)數(shù)；在所述第二1/2n位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，所述第一1/2n位計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)仍保持在同一計(jì)數(shù)器內(nèi)，直至第二1/2n位計(jì)數(shù)器結(jié)束計(jì)數(shù)。
11．如權(quán)利要求9所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，在第一1/2n位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)期間保持任何記錄的震動(dòng)數(shù)據(jù)，直至H*/C信號(hào)變?yōu)檎蜓?；而在第?/2n位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)期間保持任何記錄的震動(dòng)數(shù)據(jù)，直至H/C信號(hào)變?yōu)檎蜓亍?br> 12．如權(quán)利要求4所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于所述所述震動(dòng)頻率和時(shí)間確認(rèn)裝置進(jìn)一步包括D觸發(fā)器和連接在D觸發(fā)器與n位計(jì)數(shù)器之間的與門電路，所述n位計(jì)數(shù)器時(shí)鐘由硬驅(qū)的CPU時(shí)鐘輸入，所述D觸發(fā)器使震動(dòng)脈沖與n位計(jì)數(shù)器時(shí)鐘同步。
13．如權(quán)利要求4所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于所述n位計(jì)數(shù)器對(duì)震動(dòng)脈沖每次計(jì)1并在下一震動(dòng)脈沖到達(dá)之前清零。
14．如權(quán)利要求1所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述傳感器元件包括由尖狀金屬制成的針尖；由金屬制成的彈簧線，它連接到針尖的一側(cè)并固定在傳感器元件的內(nèi)部；薄膜電纜，它與傳感器元件的頂側(cè)連接并埋人硬盤組件或頂部或底部殼體中帶凹槽的管子內(nèi)。
15．如權(quán)利要求14所述的數(shù)字震動(dòng)傳感器，其特征在于，所述針尖被支承位于所述軸頸任一側(cè)的幾何中心，所述針尖或與軸頸的幾何中心接觸，或與軸頸的幾何中心的頂部保持幾微米的距離。
全文摘要
一種數(shù)字震動(dòng)傳感器，包括設(shè)置在心軸軸頸的幾何中心，檢測(cè)震動(dòng)脈沖的傳感器元件；預(yù)放大震動(dòng)脈沖使震動(dòng)脈沖信號(hào)緩沖的初始化裝置；利用FG信號(hào)作為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)周期信息的預(yù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)發(fā)生裝置；對(duì)預(yù)放大的震動(dòng)脈沖進(jìn)行模/數(shù)變換和dB變換的震動(dòng)強(qiáng)度分析裝置；使震動(dòng)脈沖與計(jì)數(shù)器時(shí)鐘同步，并使計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為震動(dòng)時(shí)間和震動(dòng)頻率的震動(dòng)頻率和時(shí)間確認(rèn)裝置；以及記錄心軸每次旋轉(zhuǎn)時(shí)的隨機(jī)震動(dòng)事件的震動(dòng)事件記錄裝置。
文檔編號(hào)G01M13/00GK1237703SQ9810950
公開日1999年12月8日 申請(qǐng)日期1998年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月29日
發(fā)明者湯士明 申請(qǐng)人:湯士明