CN102564284A - 传感器组件和测量机器部件至传感器的接近度的方法 - Google Patents

传感器组件和测量机器部件至传感器的接近度的方法 Download PDF

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CN102564284A CN2011103936490A CN201110393649A CN102564284A CN 102564284 A CN102564284 A CN 102564284A CN 2011103936490 A CN2011103936490 A CN 2011103936490A CN 201110393649 A CN201110393649 A CN 201110393649A CN 102564284 A CN102564284 A CN 102564284A
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D·富尔登
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Abstract

本发明名称为“传感器组件和测量机器部件至传感器的接近度的方法”。微波传感器组件(110)，包括用于生成至少一个微波信号的信号发生器(218)和耦合到该信号发生器的发射器(206)。该发射器配置成从至少一个微波信号生成电磁场，其中当物体位于电磁场内时该发射器失谐，从而生成负载信号。该微波传感器组件还包括耦合到发射器以及耦合到信号发生器的检测器(214)。该检测器配置成计算负载信号在该负载信号的基本频率处的幅度、相位和功率的至少其中之一，以便在测量物体至发射器的接近度时使用。

Description

传感器组件和测量机器部件至传感器的接近度的方法
技术领域
本申请一般涉及电力系统，更具体来说涉及传感器组件和测量机器部件相对于传感器的接近度的方法。
背景技术
公知的机器可能在操作期间呈现振动和/或其他异常行为。可以使用一个或多个传感器来测量和/或监视此类行为并确定例如机器驱动轴中呈现的振动的量、机器驱动轴的转速、和/或操作中的机器或电动机的任何其他操作特征。通常，这些传感器耦合到包括多个监视器的机器监视系统。该监视系统从一个或多个传感器接收表示测量的信号，并对这些信号执行至少一个处理步骤，然后将修改的信号传送到向用户显示测量的诊断平台。
至少一些公知的传感器使用一个或多个功率检测装置来检测和/或确定监视物体时从天线接收的信号内包含的功率量。但是，公知的天线可能从所监视的物体以外的信号源接收到频率。该功率检测装置可能未能将与所监视的物体关联的频率与从其他源接收的频率区分。因此，公知的功率检测装置可能非期望地确定了多个频率内包含的功率量，而非仅确定与所监视的物体关联的一个或多个频率内包含的功率量。因此，基于不精确的功率测量的接近度测量也可能是不精确的。
发明内容
在一个实施例中，提供一种微波传感器组件，其包括用于生成至少一个微波信号的信号发生器和耦合到该信号发生器的发射器。该发射器配置成从至少一个微波信号生成电磁场，其中当物体位于电磁场内时该发射器失谐，从而生成负载信号。该微波传感器组件还包括耦合到发射器以及耦合到信号发生器的检测器。该检测器配置成计算负载信号在该负载信号的基本频率处的幅度、相位和功率的至少其中之一，以便在测量物体至发射器的接近度时使用。
在另一个实施例中，提供一种电力系统，其包括含至少一个部件的机器和设在该至少一个部件的附近的微波传感器组件。该微波传感器组件包括用于生成至少一个微波信号的信号发生器和耦合到信号发生器的发射器。该发射器配置成从至少一个微波信号生成电磁场，其中当物体位于电磁场内时该发射器失谐，从而生成负载信号。该微波传感器组件还包括耦合到发射器以及耦合到信号发生器的检测器。该检测器配置成计算负载信号在该负载信号的基本频率处的幅度、相位和功率的至少其中之一，以便在测量该至少一个部件至发射器的接近度时使用。
在又一个实施例中，提供一种用于测量机器部件的接近度的方法，其包括向发射器传送至少一个微波信号，并从至少一个微波信号生成电磁场。生成表示电磁场扰乱的负载信号。计算负载信号在该负载信号的基本频率处的幅度、相位和功率的至少其中之一。基于计算的负载信号的幅度、相位和功率的至少其中之一，计算机器部件至发射器的接近度。
附图说明
图1是示范电力系统的框图。
图2是可以与图1所示的电力系统结合使用的示范传感器组件的框图。
图3是图2所示的示范传感器组件的局部框图。
具体实施方式
图1示出包括机器102的示范电力系统100。在示范实施例中，机器102可以是(但不限于仅是)风力涡轮、水电涡轮、燃气涡轮或压缩机。或者，机器102可以是电力系统中使用的任何其他机器。在示范实施例中，机器102使耦合到负载106(例如发电机)的驱动轴104旋转。
在示范实施例中，驱动轴104是至少部分地由容置在机器102内和/或负载106内的一个或多个轴承(未示出)支承。作为备选或附加，这些轴承可以容置在单独的支承结构108(例如齿轮箱)内或装在使电力系统100能够按本文描述起作用的任何其他结构或部件内。
在示范实施例中，电力系统100包括至少一个传感器组件110，至少一个传感器组件110测量和/或监视机器102的、驱动轴104的、负载106的和/或使系统100能够按本文描述起作用的电力系统100的任何其他部件的至少一个操作条件。更确切来说，在示范实施例中，传感器组件110是设在紧靠驱动轴104附近的接近度传感器组件110，用于测量和/或监视驱动轴104与传感器组件110之间限定的距离(图1中未示出)。而且，在示范实施例中，传感器组件110使用微波信号来测量电力系统100的组件相对于传感器组件100的接近度。正如本文所使用的，术语“微波”是指具有介于约300兆赫(MHz)与约300千兆赫(GHz)之间的一个或多个频率的信号和接收和/或传送具有介于约300MHz与约300GHz之间的一个或多个频率的信号的部件。作为备选，传感器组件110可以测量和/或监视电力系统100的任何其他部件，和/或可以是使电力系统100能够按本文描述起作用的任何其他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设在电力系统100内的任何位置中。而且，在示范实施例中，至少一个传感器组件110耦合到诊断系统112，诊断系统112用于在处理和/或分析电传感器组件110生成的一个或多个信号时使用。
在示范实施例中，在操作期间，机器102的操作可能导致电力系统100的一个或多个部件(例如，驱动轴104)相对于至少一个传感器组件110改变位置。例如，可能将振动引入这些部件和/或这些部件可能因电力系统100内的操作温度变化而膨胀或收缩。在示范实施例中，传感器组件110测量和/或监视部件相对于每个传感器组件110的接近度和/或位置，并将表示部件的测量的接近度和/或位置的信号(下文称为“接近度测量信号”)传送到诊断系统112以用于处理和/或分析。
图2是可以与(图1所示的)电力系统100结合使用的示范传感器组件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和探头202，探头202经数据通道204耦合到信号处理装置200。而且，在示范实施例中，探头202包括耦合到探头外罩208和/或设在探头外罩208内的发射器206。更确切来说，在示范实施例中，探头202是包括微波发射器206的微波探头202。因此，在示范实施例中，发射器206具有微波频率范围内的至少一个谐振频率。
在示范实施例中，信号处理装置200包括耦合到传输信号检测器212、耦合到接收信号检测器214和耦合到信号调节装置216的定向耦合装置210。而且，在示范实施例中，信号调节装置216包括信号发生器218、减法器220和线性化器222。当经发射器206传送微波信号时，发射器206发射电磁场224。
在示范实施例中，在操作期间，信号发生器218生成具有等于或近似等于发射器206的谐振频率的微波频率的至少一个电信号(下文称为“微波信号”)。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信号检测器212和传送到发射器206。随着经发射器206传送微波信号，从发射器206发射电磁场224并从探头外罩208发射出去。如果诸如驱动轴104的物体或机器102(如图1所示)和/或电力系统100的另一个部件进入和/或改变电磁场224内的相对位置，则物体与电磁场224之间可能产生电磁耦合。更确切来说，由于电磁场224内存在物体和/或此物体移动，电磁场224可能被扰乱，例如由于物体内感应的电感效应和/或电容效应，这可能以电流和/或电荷形式导致电磁场224的至少一个部分电感和/或电容耦合到物体。在此情况中，使得发射器206失谐(即，发射器206的谐振频率被降低和/或改变)，并且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(下文称为“失谐的负载信号”)经数据通道204传送到定向耦合装置210。在示范实施例中，失谐的负载信号具有比微波信号的功率幅度更低的功率幅度和/或与微波信号的相位不同的相位。而且，在示范实施例中，失谐的负载信号的功率幅度取决于物体至发射器206的接近度。定向耦合装置210将失谐的负载信号传送到接收信号检测器214。
在示范实施例中，接收信号检测器214确定基于失谐的负载信号的功率量和/或确定失谐的负载信号内包含的功率量，并将表示失谐的负载信号功率的信号传送到信号调节装置216。而且，传输信号检测器212确定基于微波信号的功率量和/或确定微波信号内包含的功率量，并将表示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接收微波信号功率和失谐的负载信号功率，并计算微波信号功率与失谐的负载信号功率之差。减法器220将表示计算的差的信号(下文称为“功率差信号”)传送到线性化器222。在示范实施例中，功率差信号的幅度与电磁场224内物体(例如，驱动轴104)与探头202和/或发射器206之间限定的距离226(即，距离226称之为物体接近度)成比例，例如成反比或指数比例。根据发射器206的特征，例如发射器的几何形状206，功率差信号的幅度可以至少部分地呈现相对于物体接近度的非线性关系。
在示范实施例中，线性化器222将功率差信号转换成呈现物体接近度与接近度测量信号的幅度之间的基本线性的关系的电压输出信号(即“接近度测量信号”)。而且，在示范实施例中，线性化器222按适于在诊断系统112内进行处理和/或分析的比例因子将接近度测量信号传送到诊断系统112(如图1所示)。在示范实施例中，该接近度测量信号具有每毫米几伏特的比例因子。作为备选，该接近度测量信号可以具有使诊断系统112和/或电力系统100能够按本文描述起作用的任何其他比例因子。
图3是包括示范信号发生器218和示范接收信号检测器214的传感器组件110的局部框图。在示范实施例中，信号发生器218包括耦合到电压源开关302的电压源300。电压源开关302耦合到压控振荡器304以及耦合到频率至电压(F-V)转换器306。而且，在示范实施例中，压控振荡器304经由定向耦合装置210耦合到发射器206，以及锁相环(PLL)308耦合到定向耦合装置210和F-V转换器306。
在示范实施例中，接收信号检测器214包括耦合在一起的信号解调器310和功率计算器312。而且，信号解调器310经由定向耦合装置210耦合到发射器206，以及耦合到PLL 308。在示范实施例中，功率计算器312耦合到减法器220。
在示范实施例中，在操作期间，电压源300向电压源开关302传送第一电压信号，第一电压信号具有预定义的幅度。电压源开关302从电压源300接收第一电压信号以及从F-V转换器306接收第二电压信号，以及正如下文更详细描述的，选择性地将第一电压信号或第二电压信号传送到压控振荡器304。更确切来说，在示范实施例中，使用来自电压源300的第一电压信号启动信号发生器218和/或传感器组件110的操作。因此，电压源开关302在传感器组件110启动期间将第一电压信号从电压源300传送到压控振荡器304。在F-V转换器306输出第二电压信号之后，电压源开关302将第二电压信号从F-V转换器306传送到压控振荡器304。而且，在F-V转换器306将第二电压信号输出到电压源开关302之后，可以将电压源300禁用和/或撤销赋能，以便仅F-V转换器306向电压源开关302以及压控振荡器304提供电压信号。
在示范实施例中，压控振荡器304生成微波信号，该微波信号具有基于从电压源开关302接收的电压信号和/或与之成比例的频率。因此，压控振荡器304将期望频率的微波信号传送到发射器206。正如本文描述的，发射器206接收微波信号，并响应与电磁场224(如图2所示)相干涉的物体，将失谐的负载信号传送到定向耦合装置210，正如本文更全面地描述的。定向耦合装置210将失谐的负载信号传送到PLL 308和传送到信号解调器310。而且，在示范实施例中，失谐的负载信号可能包含多个频率分量，如表示由于物体而被感应到电磁场224(如图2所示)的负载的频率(下文称为“负载频率”)、一个或多个噪声频率和/或可能被发射器206接收的任何其他频率。
在示范实施例中，PLL 308检测和/或提取失谐的负载信号的基本频率，并将表示失谐的负载信号基本频率的信号(下文称为“基本频率信号”)传送到F-V转换器306和传送到信号解调器310。正如本文所使用的，术语“基本频率”是指幅度和/或功率上比信号内的任何其他频率高的频率。在示范实施例中，该基本频率等于或约等于负载频率。而且，在示范实施例中，PLL 308“跟踪”基本频率信号，以便由PLL308检测发射器206的谐振频率偏移，并将其并入到基本频率信号中。
在示范实施例中，F-V转换器306将基本频率信号转换成成比例的电压信号，并将该电压信号传送到电压源开关302，以用于对压控振荡器304赋能。而且，在示范实施例中，在F-V转换器306将电压信号传送到电压源开关302之后，将电压源300撤销赋能以降低功耗，并仅由来自F-V转换器306的电压信号对压控振荡器304赋能。因此，经由压控振荡器304将基本频率信号反馈回以对发射器206赋能，从而保持发射器频率的闭环控制。
在示范实施例中，信号解调器310相对于从PLL 308接收的基本频率信号同步地将失谐的负载信号解调。换言之，信号解调器310使用从PLL 308接收的基本频率信号提取和/或检测基本频率处失谐的负载信号的峰值幅度和/或幅度包络。作为备选，信号解调器310通过滤掉或以其他方式移除如噪声的不等于基本频率和/或不等于以基本频率为中心的预定义频带内的频率的信号频率，来检测约等于基本频率信号的频率处的峰值幅度。因此，在示范实施例中，信号解调器310有助于检测和/或测量基本频率处的失谐的负载信号的幅度(下文称为“解调的负载信号”)，以便可以精确地确定基本频率的功率电平。
而且，信号解调器310将表示解调的负载信号的信号传送到功率计算器312。在示范实施例中，功率计算器312测量和/或量化解调的负载信号中包含的功率量，并将表示测量和/或量化的功率量的信号传送到减法器220。在示范实施例中，减法器220将解调的负载信号的功率与传送的微波信号的功率比较，并基于比较生成接近度测量，正如上文更全面地描述的。在备选实施例中，功率计算器312还可以包括峰值检测器、均方根(RMS)检测器、相位检测器、谐振宽度检测器和/或测量解调的负载信号的幅度(例如基本频率处的解调的负载信号的电压幅度和/或电流幅度和/或解调的负载信号的相位)的任何其他检测器，或可以被它们替代。在此类示范实施例中，传输信号检测器212(如图2所示)测量传送的微波信号的幅度和/或相位，并且减法器220将传送的微波信号的幅度和/或相位与解调的负载信号的幅度和/或相位比较以便在测量物体至发射器206的接近度时使用。
正如本文描述的，传感器组件110通过从表示物体至发射器的接近度的发射器负载信号中移除噪声和/或其他非期望的频率分量来克服现有技术的缺点。与公知的微波传感器相比，传感器组件110检测从发射器接收的失谐的负载信号的基本频率的幅度，并计算仅在基本频率处的失谐的负载信号中包含的功率量。因此，未将其他非期望的频率包含在功率计算中。而且，基于功率计算来计算接近度测量。因此，传感器组件110能够较现有技术的传感器进行更精确的接近度测量。
本文描述的系统和设备的技术效果包括如下的至少其中之一：(a)将至少一个微波信号传送到发射器；(b)从至少一个微波信号生成电磁场；(c)生成表示电磁场扰乱的负载信号；(d)计算负载信号在负载信号的基本频率处的幅度、相位和功率的至少其中之一；以及(e)基于负载信号在负载信号的基本频率处的幅度、相位和功率的至少其中之一来计算机器部件至发射器的接近度。
上述实施例提供在测量如机器部件的物体的接近度时使用的具有效率且节省成本的传感器组件。该传感器组件利用微波信号对发射器以生成电磁场。当机器部件位于该场内时，负载被感应到发射器。将表示发射器负载的信号传送到信号处理装置。从该信号移除非期望的频率分量，并计算信号中包含的功率量。而且，该传感器组件基于从发射器接收的负载信号中所包含的功率量和基于传送到发射器的微波信号中包含的功率量来计算部件的接近度。因此，本文描述的传感器组件有助于提供稳定且鲁棒的接近度测量。
上文详细地描述了传感器组件和用于测量机器部件相对于传感器的接近度的方法的示范实施例。该方法和传感器组件不限于本文描述的特定实施例，相反，可以将本文描述的传感器组件的部件和/或这些方法的步骤彼此独立地且分开来利用。例如，还可以将传感器组件与其他测量系统和方法组合来使用，且该传感器组件不限于仅结合本文描述的电力系统来实践。相反，该示范实施例可以结合许多其他测量和/或监视应用来实现和利用。
虽然一些附图可能示出而另一些未示出本发明的多种实施例的特定特征，但是这仅是出于方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征组合来引用和/或要求专利保护。
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。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括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
  100   电力系统
  102   机器
  104   驱动轴
  106   负载
  108   支承结构
  110   传感器组件
  112   诊断系统
  200   信号处理装置
  202   探头
  204   数据通道
  206   发射器
  208   探头外罩
  210   定向耦合装置
  212   传输信号检测器
  214   接收信号检测器
  216   信号调节装置
  218   信号发生器
  220   减法器
  222   线性化器
  224   电磁场
  226   距离
  300   电压源
  302   电压源开关
  304   压控振荡器
  306   频率至电压转换器
  308   锁相环
  310   信号解调器
  312   功率计算器

Claims (10)

1.一种微波传感器组件(110)，包括：
信号发生器(218)，其用于生成至少一个微波信号；以及
耦合到所述信号发生器的发射器(206)，所述发射器配置成从所述至少一个微波信号生成电磁场，其中当物体位于所述电磁场内时所述发射器失谐，从而生成负载信号；以及
耦合到所述发射器和耦合到所述信号发生器的检测器(214)，所述检测器配置成计算所述负载信号在所述负载信号的基本频率处的幅度、相位和功率的至少其中之一，以便在测量物体至所述发射器的接近度时使用。
2.根据权利要求1所述的微波传感器组件(110)，还包括锁相环(308)，其配置成接收所述负载信号，并生成约等于所述负载信号的所述基本频率的负载频率信号。
3.根据权利要求2所述的微波传感器组件(110)，还包括耦合到所述锁相环(308)的频率至电压转换器(306)，所述频率至电压转换器配置成接收所述负载频率信号，并将所述负载频率信号转换成第一电压信号，以便在生成所述微波信号时使用。
4.根据权利要求3所述的微波传感器组件(110)，还包括：
电压源(300)，其配置成生成第二电压信号；以及
耦合到所述电压源和耦合到所述频率至电压转换器(306)的电压源开关(302)，所述电压源开关选择性地传送所述第一电压信号和所述第二电压信号，以便在生成所述微波信号时使用。
5.根据权利要求4所述的微波传感器组件(110)，其中，当所述频率至电压转换器(306)将所述第一电压信号传送到所述电压源开关(302)时，对所述电压源(300)撤销赋能。
6.根据权利要求2所述的微波传感器组件(110)，其中，所述信号解调器(310)接收所述负载频率信号，并确定所述负载信号在所述基本频率处的峰值幅度。
7.根据权利要求6所述的微波传感器组件(110)，还包括耦合到所述信号解调器(310)的功率计算器(312)，所述功率计算器配置成：
接收表示所述负载信号的所述峰值幅度的信号；以及
计算所述峰值幅度信号中包含的功率量，以便在确定所述物体至所述发射器(206)的所述接近度时使用。
8.一种电力系统(100)，包括：
机器(102)，其包括至少一个部件(104)；以及
设在所述至少一个部件附近的微波传感器组件(110)，并且所述微波传感器组件(110)包括：
信号发生器(218)，其用于生成至少一个微波信号；以及
耦合到所述信号发生器的发射器(206)，所述发射器配置成从所述至少一个微波信号生成电磁场，其中当物体位于所述电磁场内时所述发射器失谐，从而生成负载信号；以及
耦合到所述发射器和耦合到所述信号发生器的检测器(214)，所述检测器配置成计算所述负载信号在所述负载信号的基本频率处的幅度、相位和功率的至少其中之一，以便在测量所述至少一个部件至所述发射器的接近度时使用。
9.根据权利要求8所述的电力系统(100)，还包括锁相环(308)，其配置成接收所述负载信号，并生成约等于所述负载信号的所述基本频率的负载频率信号。
10.根据权利要求9所述的电力系统(100)，还包括耦合到所述锁相环(308)的频率至电压转换器(306)，所述频率至电压转换器配置成接收所述负载频率信号，并将所述负载频率信号转换成第一电压信号，以便在生成所述微波信号时使用。
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