CN102565785A - 传感器组件和调整传感器的操作的方法 - Google Patents

传感器组件和调整传感器的操作的方法 Download PDF

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CN102565785A CN201110393270XA CN201110393270A CN102565785A CN 102565785 A CN102565785 A CN 102565785A CN 201110393270X A CN201110393270X A CN 201110393270XA CN 201110393270 A CN201110393270 A CN 201110393270A CN 102565785 A CN102565785 A CN 102565785A
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李瑢宰
B·L·谢克曼
高宇轩
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Abstract

本发明名称为“传感器组件和调整传感器的操作的方法”。一种微波传感器探头(202)，包括探头外罩(208)、耦合到探头外罩的发射器本体(300)、和耦合到发射器本体的发射器(206)。该发射器配置成从至少一个微波信号生成电磁场。至少一个电磁吸收构件(302)配置成吸收经发射器传送的电流和由发射器生成的电磁辐射的至少其中之一。

Description

传感器组件和调整传感器的操作的方法
技术领域
本申请一般涉及电力系统，并且更具体来说涉及传感器组件和调整传感器的操作的方法。
背景技术
在操作期间，已知机器可展现振动和/或其它异常行为。可使用一个或多个传感器来测量和/或监测这种行为并确定例如在机器驱动轴中展现的振动量、机器驱动轴的转速、和/或操作中的机器或电机的任何其它操作特性。这类传感器经常耦合到包括多个监测器的机器监测系统。监测系统从一个或多个传感器接收信号、在信号上执行至少一个处理步骤、并将修改的信号传送到向用户显示测量的诊断平台。
至少一些已知机器使用涡电流传感器来测量机器部件中的振动和/或机器部件的位置。然而，使用已知涡电流传感器可能受限，因为这种传感器的检测范围仅仅是涡电流感测元件宽度的约一半。其它已知机器使用光传感器来测量机器部件的振动和/或位置。然而，已知光传感器可由于污染物而变脏及提供不准确的测量，并因此可能不适于工业环境。此外，已知光传感器可能不适于检测通过液体介质和/或包含微粒的介质的机器部件的振动和/或位置。
而且，至少一些已知的传感器包括天线，这些天线具有从天线中心向外辐射的多个天线臂。在此类天线中，天线臂的阻抗可能从每个天线臂的内部向外部增加。此类阻抗变化可能在经天线传送电信号时导致从外部向内部反射的电流。为了降低此类电流反射，将至少一些已知天线耦合到天线内的地平面。但是使用此类地平面可能增加天线的阻尼，从而在天线操作期间损失非期望量的能量。
发明内容
在一个实施例中，提供一种微波传感器探头，其包括探头外罩、耦合到探头外罩的发射器本体、和耦合到发射器本体的发射器。该发射器配置成从至少一个微波信号生成电磁场。至少一个电磁吸收构件配置成吸收经发射器传送的电流和由发射器生成的电磁辐射的至少其中之一。
在另一个实施例中，提供一种微波传感器组件，其包括至少一个探头。该至少一个探头包括探头外罩、耦合到探头外罩的发射器本体、和耦合到发射器本体的发射器。该发射器配置成从至少一个微波信号生成电磁场。至少一个电磁吸收构件配置成吸收经发射器传送的电流和由发射器生成的电磁辐射的至少其中之一。该微波传感器组件还包括耦合到至少一个探头的信号处理装置。该信号处理装置配置成基于被感应到发射器的负载生成接近度测量。
在又一个实施例中，提供一种调整微波传感器探头的操作的方法，该微波传感器探头包括耦合到发射器本体的发射器。该方法包括经发射器传送微波信号，以便由发射器生成电磁场。至少一个电磁吸收构件配置成吸收经发射器传送的电流和由发射器生成的电磁辐射的至少其中之一。
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是可以与图2所示的传感器组件结合使用的示范发射器本体的正视图。
图4是可以与图2所示的传感器组件结合使用的示范微波传感器探头的局部剖视图。
具体实施方式
图1示出示范电力系统100，其包含机器102。在示范实施例中，机器102可以非限定性地是风力涡轮机、水电涡轮机、燃气涡轮机或压缩机。备选地，机器102可以是用于电力系统的任何其它机器。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，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电力系统100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是布设在驱动轴104附近用于测量和/或监测驱动轴104与传感器组件110之间限定的距离(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(MHz)到约300千兆赫(GHz)之间的一个或多个频率的信号的部件或信号。备选地，传感器组件110可测量和/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布设在电力系统100内的任何位置中。此外，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/或分析由传感器组件110生成的一个或多个信号中使用。
在示范实施例中，操作期间机器102的操作可引起电力系统100的一个或多个部件(例如，驱动轴104)改变相对至少一个传感器组件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/或监测部件相对每个传感器组件110的接近度、位置和/或振动量，并将表示部件的测量的接近度、位置和/或振动量的信号(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和经由数据管道204耦合到信号处理装置200的探头202。此外，在示范实施例中，探头202包括耦合到探头外罩208和/或布设在探头外罩208内的发射器206。更具体地，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。这样，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。当通过发射器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，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(下文称作“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发射并发射到探头外罩208外。如果一个对象，例如驱动轴104或机器102(图1中示出)的另一个部件和/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例如由于对象内感应的感应效应和/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的谐振频率减小和/或改变)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确定基于失谐负载信号的和/或失谐负载信号内包含的功率量，并将表示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确定基于微波信号的功率量和/或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。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)与探头202和/或发射器206之间限定的距离226(即，距离226被称为对象接近度)成比例，例如反比或指数比。取决于发射器206的特性(例如，发射器206的几何形状)，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。
在示范实施例中，线性化电路222将功率差值信号转换成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)，其中具有适用于诊断系统112内的处理和/或分析的比例因子。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是可以与(图2所示的)传感器组件110结合使用的示范发射器本体300的正视图。在示范实施例中，发射器本体300布设在探头外罩208内和/或耦合到探头外罩208(如图2所示)。而且，在示范实施例中，发射器206耦合到发射器本体300，并且相对于探头202和/或发射器本体300布设至少一个电磁吸收构件302和/或将至少一个电磁吸收构件302耦合到探头202和/或发射器本体300。更确切地来说，在示范实施例中，多个构件302包括第一电磁吸收垫304和第二电磁吸收垫306。
在示范实施例中，发射器本体300包括前表面308和相对的后表面310。在示范实施例中，发射器206耦合到前表面308，并且从前表面308的中心312向外径向延伸。更确切地来说，在示范实施例中，发射器本体300是基本平坦的印刷电路板，而发射器206包括与前表面308整体地形成和/或耦合到前表面308的一个或多个迹线或导体314。作为备选，可以在使传感器组件110能够按照本文所述起作用的任何其他布置中配置和/或构造发射器206和/或发射器本体300。
而且，在示范实施例中，导体314形成各从中心312向外径向延伸的第一臂316和第二臂318。第一臂316包括布设在中心312附近的第一端320和从中心312向外径向布设的第二端322。第二臂318包括布设在中心312附近的第一端324和从中心312向外径向布设的第二端326。而且，在示范实施例中，第一臂316和第二臂318与前表面308基本共平面，以使发射器206不从前表面308向外径向延伸显著距离。作为备选，发射器206和/或发射器本体300可以包括任何数量的发射器臂和/或可以是使微波传感器组件110能够按照本文所述起作用的任何形状。
在示范实施例中，发射器本体300包括第一电磁吸收垫304和第二电磁吸收垫306。在示范实施例中，第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306由具有高磁导率的介电负载材料制成。例如，这种材料可以包括混在树脂、热塑材料和/或基于橡胶的材料内的多个金属纤维。作为备选，第一电磁吸收垫304和/或第二电磁吸收垫306可以由具有分层阻抗结构且具有高介电常数(例如，大于约10)和/或具有高磁导率(例如，大于约1)的任何其他材料制成。而且，在示范实施例中，第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306基本是立方体或矩形立方体。第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306分别耦合到第二端322和326。作为备选，第一和/或第二电磁吸收垫304和/或306可以具有任何形状，并且可以在使发射器206能够按照本文所述起作用的任何其他位置耦合到第一臂316和/或耦合到第二臂318。
在示范实施例中，发射器206靠近中心312具有很低的阻抗，例如约50欧姆。随着第一臂和第二臂316和318从中心312延伸，臂316和318的阻抗递增直到在第二端322和326处达到最大阻抗。在不包括第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306的已知系统中，第二端322和326处的阻抗可能逼近无穷大。由于发射器206内变化的阻抗，经发射器206传送的电流的至少一部分从第二端322和326向第一端320和324反射回去。因此，可能在发射器206内非期望地产生驻波。
在示范实施例中，将第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306耦合到发射器206促进了减少从第二端322和326反射的电流的量。而且，第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306促进了减少发射器206在第二端322和326处的有效阻抗，从而发射器206从第一端320和324到第二端322和326具有更均匀的阻抗。因此，与不包括第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306的系统相比，可以将能量的增加量集中在电磁场224的中心(未示出)。
图4是可以与(图2所示的)传感器组件110结合使用的示范微波传感器探头202的局部剖视图。在示范实施例中，探头202包括发射器本体300和发射器206，发射器206包括第一发射器臂和第二发射器臂316和318(如图3所示)。而且，在示范实施例中，发射器本体300耦合到探头外罩208和/或布设在探头外罩208内。探头外罩208可以由热塑材料和/或使探头202能够按照本文所述起作用的任何其他材料制成。在示范实施例中，相对于探头202和/或发射器本体300布设多个电磁吸收构件302和/或将其耦合到探头202和/或发射器本体300。更确切地来说，构件302包括第一电磁吸收垫304、第二电磁吸收垫306(都在图3中示出)、电磁吸收盘400和/或电磁吸收壳体402。
在示范实施例中，在探头外罩208内限定凹部404。而且，数据管道204基本沿着探头外罩208的中心线406穿过凹部404延伸。数据管道204经后表面310耦合到发射器206以便在向信号处理装置200(如图2所示)传送信号以及从信号处理装置200(如图2所示)接收信号中使用。在示范实施例中，电磁吸收盘400是基本圆形的，并且耦合到后表面310，以便由盘400基本覆盖后表面310。作为备选，盘400可以耦合到使探头202能够按照本文所述起作用的后表面310的任何部分。在示范实施例中，盘400当管道204耦合到发射器206时，至少部分地圈定数据管道204。
在示范实施例中，电磁吸收壳体402是基本圆柱形，并且耦合到探头外罩208的内表面408。在示范实施例中，电磁吸收壳体402围绕着数据管道204布设，以使壳体402圈定凹部404的至少一部分。作为备选，壳体402基本实心的，以使壳体402填充凹部404的至少一部分。而且，在示范实施例中，壳体402的下游环形边缘410耦合到后表面310。作为备选，环形边缘410耦合到电磁吸收盘400的上游表面412。在示范实施例中，盘400和壳402由与第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306相同的材料制成。作为备选，盘400和/或壳体402可以由任何其他介电负载材料和/或具有分层阻抗结构且具有高介电常数(例如，大于约10)和/或具有高磁通量(例如，约大于1)的任何材料制成。
正如本文使用的，术语“上游”是指基本沿着中心线406从发射器206向探头外罩208的后部414的方向。正如本文使用的，术语“下游”是指基本沿着中心线406从后部414向发射器206的方向。
在操作期间，经数据管道204将微波信号传送到发射器206。通过第一臂316和第二臂318传送微波信号，以便发射电磁场224。第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306吸收和/或抑制从第二端322和326向第一端320和324(全部在图3中示出)反射的电流。因此，减少可能其他形式经由数据管道204从发射器206反射和/或传送回信号处理装置200的共模噪声的量。电磁吸收盘400和壳体402促进了减少和/或抑制从发射器206即经凹部404和/或经后表面414沿着上游辐射的电磁场224的一部分(未示出)。因此，基本沿着下游方向从发射器206构形和/或导向电磁场224。因为可以沿着下游方向从发射器206导向增量的微波能量，所以可以增加传感器组件110的检测范围。而且，可以由传感器组件110来确定对象至发射器206的接近度，正如上文更全面描述的。
可以利用电磁吸收构件302对现有传感器组件进行改装来调整传感器组件的操作，正如本文所述。例如，可以相对于发射器本体来布设至少一个电磁吸收构件302。当经发射器传送的微波信号以便由此生成电磁场时，电磁吸收构件302可以吸收经发射器传送反射的电流和/或吸收从发射器向后(即，沿着上游方向)辐射的电磁场的一部分。
因此，本文描述的实施例通过提供更鲁棒的接近度传感器来克服现有技术的缺点。探头202包括第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306，第一电磁吸收垫和第二电磁吸收垫304和306促进了减少和/或抑制经发射器206反射的电流。因此，发射器本体300无需包括地平面来吸收反射的电流。因此，与现有技术系统相比，使更多能量能够传送到电磁场224。而且，探头202包括电磁吸收盘400和壳体402，电磁吸收盘400和壳体402促进了减少和/或抑制可能至少部分地沿着上游从发射器本体300导向的电磁场224的部分。因此，可以将增量的能量集中在朝测量的对象导向的电磁场224的下游部分中。因此，较之现有技术系统，促进了增加传感器组件110的检测范围。
上述实施例提供在测量机器部件至发射器的接近度中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驱动发射器以生成电磁场。当对象(例如，机器部件)布设在该电磁场内时，由于场的扰乱，负载被感应到发射器。该传感器组件基于被感应到发射器的负载来计算对象至发射器的接近度。相对于容置发射器的探头布设多个电磁吸收构件或将其耦合到容置发射器的探头。这些电磁吸收构件促进了减少经发射器反射的电流，并且促进了减少可能沿着上游方向从发射器辐射的电磁场的一部分。因此，可以增加传感器组件的检测范围和测量精度。
上文详细地描述了传感器组件和用于调整传感器的操作的方法的示范实施例。传感器组件和方法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离地利用。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，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。
部件列表
  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   数据管道
  206   发射器
  208   探头外罩
  210   定向耦合装置
  212   传输功率检测器
  214   接收功率检测器
  216   信号调节装置
  218   信号发生器
  220   减法器
  222   线性化电路
  224   电磁场
  226   距离
  300   发射器本体
  302   电磁吸收构件
  304   第一电磁吸收垫
  306   第二电磁吸收垫
  308   前表面
  310   后表面
  312   中心
  314   迹线或导体
  316   第一臂
  318   第二臂
  320   第一端
  322   第二端
  324   第一端
  326   第二端
  400   电磁吸收盘
  402   电磁吸收壳体
  404   凹部
  406   中心线
  408   内表面
  410   环形边缘
  412   上游表面
  414   后部

Claims (10)

1.一种微波传感器探头(202)，包括：
探头外罩(208)；
耦合到所述探头外罩的发射器本体(300)；
耦合到所述发射器本体的发射器(206)，所述发射器配置成从至少一个微波信号生成电磁场；以及
至少一个电磁吸收构件(302)，配置成吸收经所述发射器传送的电流和由所述发射器生成的电磁辐射的至少其中之一。
2.根据权利要求1所述的微波传感器探头(202)，其中，所述至少一个电磁吸收构件(302)包括耦合到所述发射器(206)的至少一个电磁吸收垫(304)。
3.根据权利要求1所述的微波传感器探头(202)，其中，所述发射器(206)包括至少一个发射器臂(316)，所述至少一个发射器臂(316)包括第一端(320)和从所述第一端向外径向延伸的第二端(322)，所述至少一个电磁吸收构件(302)耦合到所述第二端。
4.根据权利要求1所述的微波传感器探头(202)，其中，所述发射器(206)包括：
第一发射器臂(316)，包括第一端(320)和从所述第一发射器臂第一端向外径向延伸的第二端(322)；以及
第二发射器臂(318)，包括第一端(324)和从所述第二发射器臂第一端向外径向延伸的第二端(326)。
5.根据权利要求4所述的微波传感器探头(202)，其中，所述至少一个电磁吸收构件(302)包括：
耦合到所述第一发射器臂第二端(322)的第一电磁吸收垫(304)；以及
耦合到所述第二发射器臂第二端(326)的第二电磁吸收垫(306)。
6.根据权利要求1所述的微波传感器探头(202)，其中，所述发射器本体(300)包括前表面(308)和后表面(310)，所述至少一个电磁吸收构件(302)包括耦合到所述后表面的至少一个电磁吸收盘(400)。
7.根据权利要求1所述的微波传感器探头(202)，其中，所述至少一个电磁吸收构件(302)包括至少一个电磁吸收壳体(402)，所述至少一个电磁吸收壳体(402)至少部分地圈定在所述微波传感器探头内限定的凹部(404)。
8.一种微波传感器组件(110)，包括：
至少一个探头(202)，其包括：
探头外罩(208)；
耦合到所述探头外罩的发射器本体(300)；
耦合到所述发射器本体的发射器(206)，所述发射器配置成从至少一个微波信号生成电磁场；以及
至少一个电磁吸收构件(302)，配置成吸收经所述发射器传送的电流和由所述发射器生成的电磁辐射的至少其中之一；以及
耦合到所述至少一个探头的信号处理装置(200)，所述信号处理装置配置成基于被感应到所述发射器的负载生成接近度测量。
9.根据权利要求8所述的微波传感器组件(110)，其中，所述至少一个电磁吸收构件(302)包括耦合到所述发射器(206)的至少一个电磁吸收垫(304)。
10.根据权利要求8所述的微波传感器组件(110)，其中，所述发射器(206)包括至少一个发射器臂(316)，所述至少一个发射器臂(316)包括第一端(320)和从所述第一端向外径向延伸的第二端(322)，所述至少一个电磁吸收构件(302)耦合到所述第二端。
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