CN102538649A - 测量部件对发射器的接近度的传感器组件和方法 - Google Patents

测量部件对发射器的接近度的传感器组件和方法 Download PDF

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CN102538649A CN2011104119675A CN201110411967A CN102538649A CN 102538649 A CN102538649 A CN 102538649A CN 2011104119675 A CN2011104119675 A CN 2011104119675A CN 201110411967 A CN201110411967 A CN 201110411967A CN 102538649 A CN102538649 A CN 102538649A
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S·Y·葛
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Abstract

本发明的名称为“测量部件对发射器的接近度的传感器组件和方法”。提供一种传感器组件(110)，包括至少一个探头(202)，探头包括从具有预定义频率范围内的多个频率分量的至少一个微波信号生成至少一个电磁场(224)的发射器(206)，其中，在部件(104)与至少一个电磁场交互时负载被感应到发射器；耦合到发射器的数据管道(204)，其中表示负载的至少一个负载信号在来自发射器的数据管道内反射；以及配置成接收至少一个负载信号并生成电输出的至少一个信号处理装置(200)。

Description

测量部件对发射器的接近度的传感器组件和方法
技术领域
一般来说，本发明的领域涉及电力系统，并且更具体地说，涉及测量部件相对于在宽频率范围上操作的发射器的接近度的传感器组件和方法。
背景技术
至少一些已知机器(例如，发电系统)包含可能随着时间的过去而损坏或磨损的一个或多个部件。例如，已知发电系统(例如，已知涡轮机)包含诸如轴承、齿轮和/或转子叶片等随着时间的过去而磨损的部件。继续采用磨损的部件进行操作可导致对其它部件的额外损害，或可导致部件或系统的过早故障。
为了检测机器内部件损坏，通过监测系统来监测至少一些已知机器的操作。至少一些已知监测系统包括执行机器的至少一些部件的接近度测量的至少一个传感器组件。可使用涡电流传感器、磁性拾音器传感器或电容传感器来执行接近度测量。但是，因为此类传感器的测量范围有限，因此可使用此类传感器的位置有限。此外，因为此类传感器的频率响应通常低，所以此类传感器的准确度有限。
在单个频率上操作的至少一些已知微波发射器已用于解决此类传感器的一些已知限制。但是，在执行接近度测量时，此类已知微波发射器在它们接近目标对象时可能变得失谐。更具体地说，微波发射器的谐振频率可能会偏移。这样的偏移可导致微波发射器的散射参数(S参数)中不可预测的行为模式。此外，因为S参数可能是不规则的，因此微波发射器的准确度可能有限。
发明内容
在一个实施例中，提供一种用于测量部件相对发射器的接近度的方法。该方法包括将具有预定义频率范围内的多个频率分量的至少一个微波信号传送到发射器。至少一个电磁场由发射器从微波信号生成。然后，通过部件与电磁场之间的交互使负载被感应到发射器，其中表示负载的至少一个负载信号在来自发射器的数据管道内反射。此外，负载信号由至少一个信号处理装置接收。部件相对发射器的接近度由信号处理装置基于负载信号测量。
在另一个实施例中，提供一种传感器组件。该传感器组件包括含发射器的至少一个探头。发射器从具有预定义频率范围内的多个频率分量的至少一个微波信号生成至少一个电磁场，其中在部件与电磁场交互时使负载被感应到发射器。该传感器组件还包括耦合到发射器的数据通道，其中表示负载的至少一个负载信号在来自发射器的数据管道内反射。此外，传感器组件包括配置成接收负载信号并生成电输出的至少一个信号处理装置。
在另一个实施例中，提供一种电力系统。该电力系统包括含至少一个部件的机器、放置在部件附近的至少一个传感器组件、以及耦合到传感器组件的诊断系统。该传感器组件包括含发射器的至少一个探头。发射器从具有预定义频率范围内的多个频率分量的至少一个微波信号生成至少一个电磁场，其中在部件与电磁场交互时使负载被感应到发射器。该传感器组件还包括耦合到发射器的数据通道，其中表示负载的至少一个负载信号在来自发射器的数据管道内反射。此外，传感器组件包括配置成接收负载信号并生成电输出的至少一个信号处理装置。
附图说明
图1是示范电力系统的框图；
图2是可与图1所示的电力系统配合使用的示范传感器组件的框图；
图3是可与图2所示的传感器组件配合使用的示范发射器的透视图；
图4是可与图2所示的传感器组件配合使用的示范发射器的透视图；以及
图5是示出用于测量部件相对可与图1所示的电力系统配合使用的发射器的接近度的示范方法的流程图。
具体实施方式
本文所述的示范方法、设备和系统克服了与用于测量机器部件相对发射器的接近度的已知传感器组件或系统关联的至少一些已知缺点。本文所述的实施例提供包含在宽频率范围上操作的发射器(例如，宽带发射器)的传感器组件。更具体地说，在示范实施例中，该发射器具有基本平坦的驻波比，使发射器在发射器的S参数中能具有稳定的行为模式。因此，即使发射器的谐振频率偏移，发射器的S参数保持可用于关联相关距离的规则模式。这样，使本文所述的传感器组件能提供相当准确的测量。
图1示出系统100，例如但不限于包含机器102(例如但不限于风力涡轮机、水电涡轮机、燃气涡轮机和/或压缩机)的示范电力系统100。在示范实施例中，机器102旋转耦合到负载106(例如，发电机)的驱动轴104。应当注意，本文所使用的术语“耦合”不限于部件之间的直接机械连接和/或电连接，而是还可包括多个部件之间的间接机械连接和/或电连接。
在示范实施例中，驱动轴104至少部分由容置在机器102和/或负载106内的一个或多个轴承(未示出)支承。作为备选或补充，轴承可容置在分离的支承结构108(例如，齿轮箱)或使电力系统100能够按照本文所述起作用的任何其它结构中。
在示范实施例中，电力系统100包括至少一个传感器组件110，其测量和/或监测机器102、驱动轴104、负载106和/或使电力系统100能够按照本文所述起作用的任何其它部件的至少一个操作条件。更具体地说，在示范实施例中，传感器组件110是放置在驱动轴104附近用于测量和/或监测驱动轴104与传感器组件110之间的距离(图1中未示出)的接近度传感器组件110。此外，在示范实施例中，传感器组件110使用具有多个频率分量的一个或多个微波信号来测量电力系统100的部件相对传感器组件110的接近度。本文所使用的术语“微波”是接收和/或传送具有约300兆赫兹(MHz)到约300千兆赫(GHz)之间的频率的信号的部件或信号。备选地，传感器组件110可用于测量和/或监测电力系统100的任何其它部件，和/或可以是使电力系统100能够按照本文所述起作用的任何其它传感器组件或换能器组件。
在示范实施例中，每个传感器组件110放置在电力系统100内的任何相关位置。此外，在示范实施例中，电力系统100包括耦合到一个或多个传感器组件110的诊断系统112。诊断系统112处理和/或分析由传感器组件110生成的一个或多个信号。本文所使用的术语“处理”是指对信号的至少一个特性进行操作、调整、滤波、缓冲和/或改变。更具体地说，在示范实施例中，传感器组件110经由数据管道113或数据管道115耦合到诊断系统112。备选地，传感器组件110可无线耦合到诊断系统112。
操作期间，在示范实施例中，例如因为磨损、损坏或振动，电力系统100的一个或多个部件(例如，驱动轴104)可改变相对一个或多个传感器组件110的位置。例如，部件可受到振动和/或部件可随着电力系统100内操作温度的变化而膨胀或收缩。在示范实施例中，传感器组件110测量和/或监测部件相对传感器组件110的接近度(例如，静态接近度和/或振动接近度)和/或相对位置，并将表示部件的测量的接近度和/或相对位置的信号(以下称作“接近度测量信号”)传送到诊断系统112进行处理和/或分析。
图2是可与电力系统100(图1中示出)配合使用的传感器组件110的示意图。在示范实施例中，传感器组件110包括信号处理装置200和经由数据管道204耦合到信号处理装置200的探头202。备选地，探头202可无线耦合到信号处理装置200。
此外，在示范实施例中，探头202包括耦合到和/或放置在探头壳体208内的发射器206，发射器206生成电磁场224。发射器206经由数据管道204耦合到信号处理装置200。备选地，发射器206可无线耦合到信号处理装置200。此外，在示范实施例中，探头202是包含宽带发射器206的微波探头202。更具体地说，在示范实施例中，发射器206配置成从具有预定义频率范围内的多个频率分量的至少一个微波信号生成至少一个电磁场224。
此外，在示范实施例中，信号处理装置200包含耦合到传输功率检测器212、接收功率检测器214以及信号调节装置216的定向耦合装置210。此外，在示范实施例中，信号调节装置216包含信号发生器218、减法器220和线性化电路222。
操作期间，在示范实施例中，信号发生器218生成具有多个微波频率分量的至少一个电信号(下文称作“微波信号”)，其中微波信号在谐振操作的范围内。该范围由发射器206的大小规定。信号发生器218将微波信号传送到定向耦合装置210。定向耦合装置210将微波信号传送到传输功率检测器212和发射器206。在通过发射器206传送微波信号时，电磁场224从发射器206发射并发射到探头壳体208外。如果一个对象，例如驱动轴104(图1中示出)或机器102(图1中示出)和/或电力系统100的另一个部件进入电磁场224和/或改变在电磁场224内的相对位置，对象与场224之间可能发生电磁耦合。更具体地说，因为电磁场224内对象的存在和/或因为这种对象移动，电磁场224由于对象内的感应效应和/或电容效应而受到扰乱，这些效应可导致电磁场224的至少一部分作为电流和/或电荷感应地和/或电容地耦合到对象。在这种实例中，发射器206失谐(即，发射器206的谐振响应偏移和/或改变等)并且使负载被感应到发射器206。被感应到发射器206的负载导致微波信号的反射(下文称作“失谐负载信号”)通过数据管道204传送到定向耦合装置210。在示范实施例中，与微波信号的功率幅度和/或相位相比，失谐负载信号具有更低的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示范实施例中，失谐负载信号的功率幅度取决于对象对发射器206的接近度。定向耦合装置210将失谐负载信号传送到接收功率检测器214。
在示范实施例中，接收功率检测器214测量失真信号中包含的功率量并将表示所测量失谐负载信号功率的信号传送到信号调节装置216。此外，传输功率检测器212检测微波信号中包含的功率量并将表示所测量微波信号功率的信号传送到信号调节装置216。在示范实施例中，减法器220接收测量的微波信号功率和测量的失谐负载信号功率，并计算微波信号功率与失谐负载信号功率之间的差值。减法器220将表示所计算差值的信号(下文称作“功率差值信号”)传送到线性化电路222。在示范实施例中，功率差值信号的幅度与电磁场224内的对象(例如，轴104)与发射器206之间定义的距离230(即，对象接近度)基本成比例，例如反比或指数比。
但是，取决于发射器206的几何形状或其他特性，功率差值信号的幅度可至少部分展示相对对象接近度的非线性关系。此外，在示范实施例中，发射器206具有基本平坦的驻波比。因此，当谐振频率因发射器206失谐而偏移时，失谐负载信号在宽广频率范围上保持与距离230基本成比例或指数比。
在示范实施例中，线性化电路222将功率差值信号转换成电输出，例如展示对象接近度与接近度测量信号的幅度之间的基本线性关系的电压输出信号(即“接近度测量信号”)。此外，在示范实施例中，线性化电路222将接近度测量信号传送到诊断系统112(图1中示出)，其中已启用比例因子用于诊断系统112内的处理和/或分析。线性化电路222可使用模拟信号处理技术或数字信号处理技术以及使用两者的混合来利用和驱动发射器206。例如，在示范实施例中，接近度测量信号具有每毫米几伏特的比例因子。备选地，接近度测量信号可具有使诊断系统112和/或电力系统100能够按照本文所述起作用的任何其它比例因子。
图3是可与传感器组件110(图1和2中示出)配合使用的发射器300的透视图。更具体地说，发射器300是可用作宽带发射器206(图2中示出)的特定类型的宽带发射器。在示范实施例中，发射器300是对数螺旋线发射器300，具有由发射器300的形状和/或尺寸定义的宽广频率范围。更具体地说，在示范实施例中，发射器300可接收和/或传送频率介于约2GHz到约800MHz之间的信号。
在示范实施例中，发射器300使用印刷电路板301制造，并且以基本二维平面形状构成。更具体地说，发射器300使用由第一表面302和第二表面304定义的基本圆截面形状构成。第一表面包括管道306，在示范实施例中，它具有基本螺旋形状并由金属线构成。信号(例如微波信号)可通过管道306传送，并且更具体地说，经由所需的螺旋长度307传送。备选地，管道306可由大小经调整以接受管道306并使发射器300能够按照本文所述起作用的任何其它物质或复合物来制造。
发射器300的第二表面304经由数据管道204耦合到信号处理装置200(图2中示出)。具体地说，数据管道204具有第一端308和第二端310。第一端308耦合到发射器第二表面304，并且在示范实施例中，第二端310耦合到信号处理装置200。在示范实施例中，发射器第二表面304包括从第二表面304延伸到第一表面302的连接装置312。数据管道204经由连接装置312耦合第二表面304。
操作期间，信号发生器218(图2中示出)生成具有多个频率分量的微波信号并将微波信号传送到定向耦合装置210(图2中示出)。定向耦合装置210(图2中示出)将微波信号传送到传输功率检测器212(图2中示出)和发射器300。在通过发射器300传送微波信号时，电磁场224(图2中示出)从发射器300发射并发射到探头壳体208(图2中示出)外。更具体地说，微波信号通过管道306传送。如果一个对象，例如驱动轴104(图1中示出)或机器102(图1中示出)和/或电力系统100(图1中示出)的另一个部件进入电磁场224和/或改变在电磁场224内的相对位置，对象与场224之间可能发生电磁耦合。更具体地说，因为电磁场224内对象的存在和/或因为这种对象移动，电磁场224由于对象内的感应效应和/或电容效应而受到扰乱，这些效应可导致电磁场224的至少一部分作为电流和/或电荷感应地和/或电容地耦合到对象。在这种实例中，发射器300失谐(即，发射器206的谐振频率减小和/或改变等)并且使负载被感应到发射器300。感应到发射器300的负载导致失谐负载信号通过数据管道204(图2中示出)传送到定向耦合装置210。在示范实施例中，与微波信号的功率幅度和/或相位相比，失谐负载信号具有更低的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示范实施例中，失谐负载信号的功率幅度取决于对象(例如，轴104)对发射器300的接近度。定向耦合装置210将失谐负载信号传送到接收功率检测器214(图2中示出)。
此外，接收功率检测器214测量失真信号中包含的功率量并将表示测量的失谐负载信号功率的信号传送到信号调节装置216(图2中示出)。此外，传输功率检测器212检测微波信号中包含的功率量并将表示测量的微波信号功率的信号传送到信号调节装置216。在示范实施例中，减法器220(图2中示出)接收测量的微波信号功率和测量的失谐负载信号功率，并计算微波信号功率与失谐负载信号功率之间的差值。减法器220将表示计算的差值的信号(下文称作“功率差值信号”)传送到线性化电路222(图2中示出)。在示范实施例中，功率差值信号的幅度与电磁场224内的对象(例如，轴104)与发射器300之间定义的距离230(即，对象接近度)基本成比例，例如反比或指数比。
在示范实施例中，发射器300具有平坦的驻波比。因此，当谐振频率因发射器300失谐而偏移时，失谐负载信号在宽广频率范围上保持与距离230(图2中示出)基本成比例或指数比。
图4是可与传感器组件110(图1和2中示出)配合使用的发射器400的透视图。更具体地说，发射器400是可用作宽带发射器206(图2中示出)的特定类型的宽带发射器。在示范实施例中，发射器400是对数周期发射器400，具有由发射器400的形状和/或尺寸定义的宽广频率范围。更具体地说，在示范实施例中，发射器400可接收和/或传送频率介于约300MHz到约1600MHz之间的信号。
在示范实施例中，发射器400使用印刷电路板401制造，并且以基本二维平面形状构成。更具体地说，发射器400使用由第一表面402和第二表面404定义的基本圆截面形状构成。第一表面402包括管道406，在示范实施例中，它具有包含第一端405和第二端407的基本非线性形状。信号(例如，微波信号)可通过管道406传送，并且更具体地说，传送到第一端405或第二端407。
在示范实施例中，管道406由金属线构成。备选地，管道406可由大小和形状经调整以接受管道406并使发射器400能够按照本文所述起作用的任何物质或复合物来构成。
发射器第二表面404经由数据管道204耦合到信号处理装置200(图2中示出)。具体地说，数据管道204具有第一端308和第二端310。第一端308耦合到发射器第二表面404。更具体地说，发射器第二表面404包括从第二表面404延伸到第一表面402的连接装置412。数据管道204经由连接装置412耦合到第二表面404。
操作期间，信号发生器218(图2中示出)生成具有多个频率分量的微波信号并将微波信号传送到定向耦合装置210(图2中示出)。定向耦合装置210(图2中示出)将微波信号传送到传输功率检测器212和发射器300。在通过发射器400传送微波信号时，电磁场224(图2中示出)从发射器400发射并发射到探头壳体208(图2中示出)外。更具体地说，微波信号通过管道406传送。如果一对象，例如驱动轴104(图1中示出)或机器102(图1中示出)和/或电力系统100(图1中示出)的另一个部件进入电磁场224和/或改变在电磁场224内的相对位置，对象与场224之间可能发生电磁耦合。更具体地说，因为电磁场224内对象的存在和/或因为这种对象移动，电磁场224由于对象内的感应效应和/或电容效应而受到扰乱，这些效应可导致电磁场224的至少一部分作为电流和/或电荷感应地和/或电容地耦合到对象。在这种实例中，发射器400失谐(即，发射器206的谐振频率减小和/或改变等)并且使负载被感应到发射器400。感应到发射器400的负载导致失谐负载信号通过数据管道204(图2中示出)传送到定向耦合装置210。在示范实施例中，与微波信号的功率幅度和/或相位相比，失谐负载信号具有更低的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示范实施例中，失谐负载信号的功率幅度取决于对象对发射器400的接近度。定向耦合装置210将失谐负载信号传送到接收功率检测器214(图2中示出)。
此外，接收功率检测器214测量失真信号中包含的功率量并将表示测量的失谐负载信号功率的信号传送到信号调节装置216(图2中示出)。此外，传输功率检测器212检测微波信号中包含的功率量并将表示测量的微波信号功率的信号传送到信号调节装置216。在示范实施例中，减法器220(图2中示出)接收测量的微波信号功率和测量的失谐负载信号功率，并计算微波信号功率与失谐负载信号功率之间的差值。减法器220将表示计算的差值的信号(下文称作“功率差值信号”)传送到线性化电路222(图2中示出)。在示范实施例中，功率差值信号的幅度与电磁场224内的对象(例如，轴104)与发射器400之间定义的距离230(即，对象接近度)基本成比例，例如反比或指数比。
在示范实施例中，发射器400具有平坦的驻波比。因此，当谐振频率因发射器400失谐而偏移时，失谐负载信号在宽广频率范围上保持与距离230(图2中示出)基本成比例或指数比。
图5是示出用于测量部件相对与电力系统(例如图1中的系统100)配合使用的发射器的接近度的示范方法500的流程图。在示范实施例中，具有预定义频率范围内的多个频率分量的至少一个微波信号传送502到发射器206(图2中示出)。由发射器206从微波信号生成504至少一个电磁场224(图2中示出)。通过机器部件(例如图1所示的驱动轴104)与电磁场224之间的交互使负载被感应506到发射器206，其中表示负载的至少一个失谐负载信号在来自发射器206的数据管道204(图2中示出)中反射。由至少一个信号处理装置200(图2中示出)接收508负载信号。
此外，在示范实施例中，信号处理装置200基于失谐负载信号测量509轴104对发射器206的接近度。然后，信号处理装置200生成510电输出。电输出传送512到诊断系统112(图1中示出)。
上述实施例提供了高效和相当准确的传感器组件，其可用于测量部件相对发射器的接近度。具体地说，本文所述的实施例提供使用在宽频率范围上操作的发射器执行接近度测量的传感器组件。更具体地说，这种发射器具有基本平坦的驻波比，使发射器在发射器的S参数中具有稳定的行为模式。结果，即使发射器的谐振频率偏移，发射器的S参数保持可用于关联相关距离的规则模式。这样，使本文所述的传感器组件能提供相当准确的测量。
上文详细描述了用于测量机器部件相对发射器的接近度的传感器组件和方法的示范实施例。该方法和传感器组件并不局限于本文所述的具体实施例，而是可独立且分离于本文所述的其它部件和/或步骤来使用传感器组件的部件和/或方法的步骤。例如，传感器组件还可与其它测量系统和方法组合使用，而并不局限于仅与本文所述的电力系统一起实践。更确切地，示范实施例可与许多其它测量和/或监测应用结合实现和使用。
虽然本发明的多种实施例的特定特征可在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但是这只是为了方便起见。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合引用和/或要求其权益。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们具有与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
配件表
Figure BSA00000633945300121
Figure BSA00000633945300131

Claims (10)

1.一种传感器组件(110)，包括：
至少一个探头(202)，包括从具有预定义频率范围内的多个频率分量的至少一个微波信号生成至少一个电磁场(224)的发射器(206)，其中，在部件(104)与所述至少一个电磁场交互时负载被感应到所述发射器；
耦合到所述发射器的数据管道(204)，其中，表示所述负载的至少一个负载信号在来自所述发射器的所述数据管道内反射；以及
至少一个信号处理装置(200)，配置成接收所述至少一个负载信号并生成电输出。
2.如权利要求1所述的传感器组件(110)，其中，所述至少一个信号处理装置(200)还配置成：基于所述至少一个负载信号计算所述部件(104)对所述发射器(206)的接近度。
3.如权利要求1所述的传感器组件(110)，其中，所述电输出与所述部件(104)的接近度测量基本成比例。
4.如权利要求1所述的传感器组件(110)，其中，所述发射器(206)包括基本二维平面形状。
5.如权利要求1所述的传感器组件(110)，其中，所述发射器(206)是宽带发射器。
6.如权利要求5所述的传感器组件(110)，其中，所述宽带发射器是对数螺旋线发射器。
7.如权利要求5所述的传感器组件(110)，其中，所述宽带发射器是对数周期发射器。
8.一种电力系统(100)，包括：
包含至少一个部件(104)的机器(102)；
放置在所述至少一个部件附近的至少一个传感器组件(110)，其中，所述至少一个传感器组件包括：
至少一个探头(202)，包括从具有预定义频率范围内的多个频率分量的至少一个微波信号生成至少一个电磁场(224)的发射器(206)，其中，在所述至少一个部件与所述至少一个电磁场交互时负载被感应到所述发射器；
耦合到所述发射器的数据管道(204)，其中，表示所述负载的至少一个负载信号在来自所述发射器的所述数据管道内反射；和至少一个信号处理装置(200)，配置成接收所述至少一个负载信号并生成电输出；以及
耦合到所述至少一个传感器组件的诊断系统(112)。
9.如权利要求8所述的电力系统，其中，所述至少一个信号处理装置(200)还配置成：基于所述至少一个负载信号计算所述至少一个部件(104)对所述发射器的接近度。
10.如权利要求8所述的电力系统，其中，所述发射器(206)包括基本二维平面形状。
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