CN102565786A - 传感器组件及测量机器部件对传感器的接近度的方法 - Google Patents

传感器组件及测量机器部件对传感器的接近度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明传感器组件及测量机器部件对传感器的接近度的方法。一种微波传感器组件(110)，包括用于生成包括频率图样的至少一个微波信号的信号处理装置(200)和耦合到信号处理装置的至少一个探头(202)。探头包括发射器(206)，其配置成从至少一个微波信号生成电磁场，其中，当对象布设在电磁场内时发射器失谐，以使得负载信号从发射器反射到信号处理装置。

Description

传感器组件及测量机器部件对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，并且更具体地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
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。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种微波传感器组件，其包括：用于生成包括频率图样的至少一个微波信号的信号处理装置和耦合到信号处理装置的至少一个探头。探头包括：配置成从至少一个微波信号生成电磁场的发射器，其中，当对象布设在所述电磁场内时发射器失谐，以使得负载信号从发射器反射到信号处理装置。
在另一个实施例中，提供了一种电力系统，其包括含有至少一个部件的机器和布设在至少一个部件附近的微波传感器组件。微波传感器组件包括：用于生成包括频率图样的至少一个微波信号的信号处理装置和耦合到信号处理装置的至少一个探头。探头包括配置成从至少一个微波信号生成电磁场的发射器，其中，当对象布设在电磁场内时发射器失谐，以使得负载信号从发射器反射到信号处理装置。
在又一个实施例中，提供了一种用于测量机器部件对发射器的接近度的方法。方法包括：向发射器传送包括频率图样的至少一个微波信号以及从至少一个微波信号生成电磁场。生成代表电磁场扰乱的负载信号，并且基于该负载信号来计算机器部件到发射器的接近度。
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是可以与图2所示的传感器组件结合使用的示范微波信号的视图。
图4是图3所示的微波信号的示范功率分布的视图。
图5是图2所示的传感器组件的示例接近度响应的视图。
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系统100的任何其它部件的至少一个操作条件。更具体地，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”是指接收和/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的接近度和/或位置，并将表示部件的测量的接近度和/或位置的信号(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，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，非限定性地例如反比、指数比、和/或对数比。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是可由信号发生器218(图2中示出)生成的示范微波信号300的视图。图4是微波信号300的示范功率分布400的视图。更具体地，功率分布400是在特定频率404处(图4的横轴上示出)微波信号300内包含的功率量402(图4的纵轴上示出)的表示。在示范实施例中，信号发生器218生成包括至少一个频率图样的微波信号。更具体地，在示范实施例中，信号发生器218生成的微波信号300是或包括粉红噪声信号。备选地，信号发生器218生成的微波信号300是或包括具有预定幅度和/或频率图样的任何信号。本文所使用的术语“粉红噪声”是指这样的信号：其在预定频带406上具有的功率分布400与频带406内的频率成反比。此外，在倍频程、部分倍频程、和/或彼此与2的幂相关联和/或成比例的类似频带406之间，粉红噪声信号具有的功率分布400基本相同。
在示范实施例中，微波信号300包括一个或多个预定频带406内的多个频率。这些频带406可包括第一频带408、第二频带410、和/或第三频带412。更具体地，在示范实施例中，第二频带410以2的幂与第一频带408成比例。例如，第一频带408可包括约1千兆赫(GHz)到约2GHz之间的频率，而第二频带410可包括约2GHz到约4GHz之间的频率。此外，第三频带412可包括约4GHz到约8GHz之间的频率。这样，在示范实施例中，微波信号300的功率分布400在第一频带408、第二频带410、和/或第三频带412上基本相等。在一个实施例中，微波信号300可具有约3GHz和约5GHz之间的中心频率，并且可具有包括第一频带408、第二频带410、和/或第三频带412的带宽。例如，在这个实施例中，微波信号300的带宽在约100千赫(KHz)和约1兆赫(MHz)之间。备选地，微波信号300、第一频带408、第二频带410、和/或第三频带412可包括使传感器组件110(图1中示出)能够按照本文所述起作用的任何频率和/或频率范围。
图5是可生成为由微波信号300(图3中示出)驱动的传感器组件110的传感器组件110(图1中示出)的示范接近度响应500的视图。在示范实施例中，接近度响应500是上文参考图2描述的被感应到发射器206的负载(未示出)的说明。此外，在示范实施例中，接近度响应500示出了被感应到发射器206(均在图2中示出)的、作为电磁场224内对象相对发射器206改变的距离226(在横轴上示出)的失谐负载信号(未示出)的功率的幅度量502(在纵轴上示出)。
在示范实施例中，由于发射器206接收第一频带408、第二频带410、和/或第三频带412(均在图4中示出)内的多个频率的微波信号300和/或由第一频带408、第二频带410、和/或第三频带412内的多个频率的微波信号300驱动，因此传感器组件110促进了生成基本线性的接近度响应500。此外，在示范实施例中，与发射器206由仅包括单个频率的微波信号(未示出)来驱动时的传感器组件110的接近度响应504相比，接近度响应500更加线性。本文所使用的术语“线性”是指两个数量(例如，在对象和发射器206之间的距离226和失谐负载信号功率的幅度量502)之间基本成比例的关系。此外，在示范实施例中，调谐发射器206以促进使传感器组件110能在诸如第一频带408、第二频带410、和/或第三频带412的频率范围上生成基本线性的接近度响应500。而且，通过基于粉红噪声的微波信号300来驱动发射器206促进了增加传感器组件110的检测范围(即，使接近度响应500能够保持基本线性的、对象和发射器206之间的最大距离226)。
此外，向发射器206提供基于粉红噪声的微波信号300可促进调谐传感器组件110。例如，在传感器组件110操作期间，微波信号300可通过多个频率和/或频带406偏移或“扫动”，以促进调谐发射器206和/或传感器组件110，从而提供最优的接近度响应500。此外，可通过选择提供接近度响应500的一个或多个所需特性(例如，最大检测范围、频率稳定性、和/或任何所需特性)的一个或多个频率和/或频带406，来优化接近度响应500。
上述实施例提供了在测量机器部件的接近度中使用的、具有效率且节省成本的传感器组件。该传感器组件利用基于粉红噪声的微波信号来驱动发射器以生成电磁场。当对象(例如，机器部件)布设在该场内时，对象引起电磁场的扰乱。该扰乱使发射器失谐，并且生成代表被感应到发射器的负载的负载信号，或者该信号从微波信号通过数据管道反射到信号处理装置。传感器组件基于负载信号来计算对象的接近度。与通过仅单个频率来驱动发射器的已知传感器形成对比的是，本文描述的传感器组件通过包括一种或多个频率图样的基于粉红噪声的微波信号来驱动优化的发射器。该微波信号促进了调谐发射器和/或传感器组件，并促进了从发射器生成基本线性的接近度响应信号。这样，基于粉红噪声的微波信号促进了提供稳定和鲁棒的接近度测量，其在对象和发射器之间的距离改变时是基本线性的。
上文详细地描述了传感器组件和用于测量机器部件对发射器的接近度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   微波信号
  400   功率分布
  402   功率
  404   频率
  406   频带
  408   第一频带
  410   第二频带
  412   第三频带
  500   接近度响应
  502   幅度量
  504   接近度响应

Claims (10)

1.一种微波传感器组件(110)，包括：
信号处理装置(200)，用于生成包括频率图样的至少一个微波信号；以及
耦合到所述信号处理装置的至少一个探头(202)，所述至少一个探头(202)包括配置成从所述至少一个微波信号生成电磁场的发射器(206)，其中，当对象布设在所述电磁场内时所述发射器失谐，以使得负载信号从所述发射器反射到所述信号处理装置。
2.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其中，所述信号处理装置(200)配置成：
计算所述至少一个微波信号中包含的功率量；
计算所述负载信号中包含的功率量；以及
基于所述微波信号功率和所述负载信号功率之间的差值来计算对象对所述发射器的接近度。
3.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其中，所述信号处理装置生成的微波信号包括的频率图样与所述频率图样的功率分布成比例。
4.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其中，所述信号处理装置(200)生成的微波信号包括的频率图样与所述频率图样的功率分布成反比。
5.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其中，所述信号处理装置(200)生成包括多个频带内的频率图样的微波信号，其中，所述多个频带的第一频带的功率分布基本等于所述多个频带的第二频带的功率分布。
6.如权利要求5所述的微波传感器组件(110)，其中，所述信号处理装置(200)生成所述微波信号，以使得所述第一频带的频率范围与所述第二频带的频率范围成比例。
7.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其中，所述发射器(206)配置成在由所述微波信号驱动所述发射器时，生成与对象对所述发射器(206)的距离有关的基本线性输出。
8.如权利要求7所述的微波传感器组件(110)，其中，所述发射器(206)还配置成在由所述微波信号驱动所述发射器时，生成与对象对所述发射器(206)的距离有关的基本线性输出，所述微波信号包括与所述频率的功率谱密度成反比的频率图样。
9.一种电力系统(100)，包括：
包括至少一个部件(104)的机器(102)；以及
布设在所述至少一个部件附近的微波传感器组件(110)，所述微波传感器组件包括：
信号处理装置(200)，用于生成包括频率图样的至少一个微波信号；以及
耦合到所述信号处理装置的至少一个探头(202)，所述至少一个探头(202)包括配置成从所述至少一个微波信号生成电磁场的发射器(206)，其中，当对象布设在所述电磁场内时所述发射器失谐，以使得负载信号从所述发射器反射到所述信号处理装置。
10.如权利要求9所述的电力系统(100)，其中，所述信号处理装置(200)配置成：
计算所述至少一个微波信号中包含的功率量；
计算所述负载信号中包含的功率量；以及
基于所述微波信号功率和所述负载信号功率之间的差值来计算所述至少一个部件(104)对所述发射器的接近度。
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