CN102607603A - 传感器组件及组装传感器探头的方法 - Google Patents

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CN102607603A CN2011104621680A CN201110462168A CN102607603A CN 102607603 A CN102607603 A CN 102607603A CN 2011104621680 A CN2011104621680 A CN 2011104621680A CN 201110462168 A CN201110462168 A CN 201110462168A CN 102607603 A CN102607603 A CN 102607603A
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Abstract

本发明涉及传感器组件及组装传感器探头的方法。组装传感器探头的方法(400)包括在探头帽内安置(402)发射器，其中该发射器配置成从至少一个微波信号产生电磁场。内部套筒耦合(406)于探头帽，并且外部套筒耦合(408)于该内部套筒。

Description

传感器组件及组装传感器探头的方法
技术领域
本申请大体上涉及功率系统(power system)，并且更具体地，涉及传感器组件及组装传感器探头的方法。
背景技术
现有机器在操作期间可呈现振动和/或其它异常行为。一个或多个传感器可用来测量和/或监测机器操作，并且用来确定例如机器驱动轴中呈现的振动量、该机器驱动轴的转速和/或操作机器或发动机的任何其他合适的操作特性。通常，现有传感器耦合于包括多个监测器的机器监测系统。该监测系统从一个或多个传感器接收代表测量的信号、对这些信号执行至少一个处理步骤并且然后将修改的信号传送至将测量显示给用户的诊断平台。
至少一些现有的机器使用一个或多个接近度传感器和/或传感器探头来测量机器部件的振动和/或位置。现有的接近度传感器典型地例如使用注射成型工艺制造成单个集成部件。更具体地，在至少一些现有的传感器中，探头尖部是注射成型的使得该尖部包括一个或多个封装在其中的感测元件。然而，这样的制造工艺可能是昂贵的和/或可牵涉复杂的制造步骤和/或机械设备。此外，因为单元是集成部件，如果接近度传感器的一个元件有故障或损坏，可需要更换整个传感器。
发明内容
在一个实施例中，提供了组装传感器探头的方法，其包括在探头帽内安置发射器，其中该发射器配置成从至少一个微波信号产生电磁场。内部套筒耦合于该探头帽并且外部套筒耦合于该内部套筒。
在另一个实施例中，提供了传感器探头，其包括配置成从至少一个微波信号产生电磁场的发射器、大小适于收容该发射器的探头帽、耦合于该探头帽的内部套筒以及耦合于该内部套筒的外部套筒。
在另一个实施例中，提供了传感器组件，其包括至少一个探头。该至少一个探头包括配置成从至少一个微波信号产生电磁场的发射器、大小适于收容该发射器的探头帽，耦合于该探头帽的内部套筒以及耦合于该内部套筒的外部套筒。微波传感器组件还包括耦合于该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对发射器引起的加载而生成接近度测量。
附图说明
图1是示范性功率系统的框图。
图2是可与图1中示出的功率系统一起使用的示范性传感器组件的框图。
图3是可与图2中示出的传感器组件一起使用的示范性探头的横截面图。
图4是组装可与图3中示出的探头一起使用的微波传感器探头的示范性方法的流程图。
具体实施例
图1示出包括机器102的示范性功率系统100。在示范性实施例中，机器102可以是，但不限于只是，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可以是在功率系统中使用的任何其它机器。在示范性实施例中，机器102使耦合于例如发电机等负载106的驱动轴104旋转。
在示范性实施例中，驱动轴104至少部分由一个或多个容置于机器102内和/或负载106内的轴承(未示出)支撑。备选地或另外，这些轴承可容置于单独的支撑结构108(例如齿轮箱)内，或容置于使功率系统100能够如本文描述的那样起作用的任何其它结构或部件内。
在示范性实施例中，功率系统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/或使功率系统100能够如本文描述的那样起作用的功率系统100的任何其他部件的至少一个操作状况。更具体地，在示范性实施例中，传感器组件110是接近度传感器组件110，其紧密靠近驱动轴104安置用于测量和/或监测在驱动轴104和传感器组件110之间限定的距离(未在图1中示出)。此外，在示范性实施例中，传感器组件110使用微波信号来测量功率系统100的部件关于传感器组件110的接近度。如本文使用的，术语“微波”指具有约300兆赫(MHz)和300千兆赫(GHz)之间的一个或多个频率的信号，或接收和/或传送具有约300兆赫(MHz)和300千兆赫(GHz)之间的一个或多个频率的信号的部件。备选地，传感器组件110可测量和/或监测功率系统100的任何部件，和/或可以是使功率系统100能够如本文描述的那样起作用的任何其它传感器或换能器组件。在示范性实施例中，每个传感器组件110安置在功率系统100内的任何位置。此外，在示范性实施例中，至少一个传感器组件110耦合于诊断系统112用于处理和/或分析由传感器组件110产生的一个或多个信号。
在示范性实施例中，在操作期间，机器102的操作可使功率系统100的一个或多个部件(例如驱动轴104)关于至少一个传感器组件110改变位置。例如，振动可引发至部件，和/或当功率系统100内的工作温度变化时，部件可膨胀或收缩。在示范性实施例中，传感器组件110测量和/或监测部件相对于每个传感器组件110的接近度、位置和/或振动量，并且传送代表所测的部件的接近度、位置和/或振动量的信号(以下称作“接近度测量信号”)至诊断系统112用于处理和/或分析。
图2是可与功率系统100(在图1中示出)一起使用的示范性传感组件110的示意图。在示范性实施例中，传感器组件110包括信号处理装置200和通过数据管道204耦合于信号处理装置200的探头202。此外，在示范性实施例中，探头202包括发射器206，其耦合于探头外壳208和/或安置在探头外壳208内。更具体地，在示范性实施例中，探头202是包括微波发射器206的微波传感器探头202。这样，在示范性实施例中，发射器206具有在微波频率范围内的至少一个谐振频率。
在示范性实施例中，信号处理装置200包括定向耦合装置210，其耦合于传输功率检测器212、接收功率检测器214以及信号调节装置216。此外，在示范性实施例中，信号调节装置216包括信号发生器218、减法器220以及线性化器222。当微波信号传送通过发射器206时，发射器206发射电磁场224。
在示范性实施例中，在操作期间，信号发生器218产生具有等于或约等于发射器206的至少一个谐振频率的微波频率的至少一个电信号(以下称作“微波信号”)。信号发生器218传送微波信号至定向耦合装置210。定向耦合装置210传送微波信号的一部分至传输功率检测器212并且传送微波信号的剩余部分至发射器206。因为微波信号传送通过发射器206，电磁场224从发射器206发射并且发射至探头外壳208外部。如果例如机器102(在图1中示出)和/或功率系统100的驱动轴104或另一个部件等对象进入电磁场224内和/或改变在电磁场224内的相对位置，该对象与磁场224之间可发生电磁耦合。更具体地，由于电磁场224内对象的存在和/或由于这样的对象移动，电磁场224可例如由于在对象内引起的感应和/或电容效应(其可使电磁场224的至少一部分以电流和/或电荷形式感应地和/或电容地耦合于对象)而被扰动。在这样的实例中，发射器206失谐(即，发射器206的谐振频率降低和/或改变)并且加载可引发至发射器206。引发至发射器206的加载使要通过数据导管204传送至定向耦合装置210的微波信号(以下称作“失谐加载信号”)反射。在示范性实施例中，失谐加载信号具有比微波信号的功率幅值更低的功率幅值和/或具有不同于微波信号的相位的相位。此外，在示范性实施例中，失谐加载信号的功率幅值取决于对象到发射器206的接近度。定向耦合装置210传送失谐加载信号至接收功率检测器214。
在示范性实施例中，接收功率检测器214基于失谐加载信号确定功率量和/或确定包含在失谐加载信号内的功率量，并且传送代表失谐加载信号功率的信号至信号调节装置216。此外，传输功率检测器212基于微波信号确定功率量和/或确定包含在微波信号内的功率量，并且传送代表微波信号功率的信号至信号调节装置216。在示范性实施例中，减法器220接收微波信号功率和失谐加载信号功率，并计算微波信号功率和失谐加载信号功率之间的差。减法器220传送代表所计算的差的信号(以下称为“功率差信号”)至线性化器222。在示范性实施例中，功率差值信号的幅值与在电磁场224内的对象(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称为对象接近度)成比例，例如成反比例或指数比例。功率差值信号的幅值可关于对象接近度至少部分呈现非线性关系，这取决于发射器206的特性，例如发射器206的几何结构。
在示范性实施例中，线性化器222将功率差值信号转化成电压输出信号(即，“接近度测量信号”)，其呈现对象接近度和信号幅值之间的大致上线性关系。此外，示范性实施例中，线性化器222传送具有适合于在诊断系统112内处理和/或分析的比例因子的接近度测量信号至诊断系统112(在图1中示出)。在示范性实施例中，接近度测量信号具有伏特每毫米的比例因子。备选地，接近度测量信号可具有使诊断系统112和/或功率系统100能够如本文描述的那样起作用的任何其他比例因子。
图3是探头202和探头外壳208的横截面图。在示范性实施例中，探头外壳208包括探头帽300、内部套筒302以及外部套筒304。大致上圆柱形的腔306至少部分由帽300、内部套筒302以及外部套筒304限定。更具体地，探头帽300、内部套筒302以及外部套筒304每个是大致上中空的使得当组装探头外壳208时，腔306至少部分由探头帽300、内部套筒302以及外部套筒304限定。
在示范性实施例中，探头帽300包括大致上圆柱形的端壁308，该端壁308具有上游表面310和相对的下游表面312。探头帽300还包括大致上环形的侧壁314，其外切于上游表面310。侧壁314包括外表面316和相对的内表面318，该内表面318至少部分限定腔306。在示范性实施例中，在组装探头外壳208时，探头帽300关于延伸通过探头外壳208的中心线轴320大致上对称。更具体地，侧壁314在中心线轴320周围大致上等距地间隔。
在示范性实施例中，探头帽300包括外切于内表面318的螺纹部分322。在示范性实施例中，探头帽300由聚酮材料制成，例如.聚醚醚酮(PEEK)，和/或使探头帽300能够安置在工业环境内和/或在机器102(均在图1中示出)内而当功率系统100操作时没有大幅降级的任何其他材料和/或化合物。
在示范性实施例中，内部套筒302是环形的并且大小适于至少部分收容在探头帽300内。内部套筒302包括外表面324以及相对的内表面325。在示范性实施例中，内部套筒302包括外切于外表面324的螺纹部分326。螺纹部分326与探头帽螺纹部分322配合以使探头帽300和内部套筒302能够螺纹耦合在一起。在示范性实施例中，内部套筒302由大致上非导电材料制成，例如热塑性材料或任何其它塑料材料。这样，内部套筒302便于使发射器206与外部套筒304和/或邻近探头202的机器102的任何部分电磁隔离。备选地，内部套筒302可由使探头202能够如本文描述的那样起作用的任何材料和/或化合物制成。
在示范性实施例中，外部套筒304是环形的并且大小适于至少部分收容在内部套筒302中。外部套筒304包括内表面328以及相对的外表面330。在示范性实施例中，外部套筒304包括外切于内表面328的内螺纹部分332，以及外切于外表面330的外螺纹部分334。内螺纹部分332与内部套筒螺纹部分326配合使内部套筒302能够至少部分地螺纹耦合在外部套筒304内。外螺纹部分334大小和形状适于与在机器(例如机器102)内形成的螺纹孔(未示出)配合。这样，当组装探头202时，探头202可螺纹耦合在机器102内，使得探头202靠近要测量和/或监测的机器部件安置。备选地，外部套筒304可大致上平滑地制造并且/或可不包括外螺纹部分334使得探头202和/或外部套筒304可通过一个或多个螺栓、支架和/或使功率系统100(在图1中示出)能够如本文描述的那样起作用的任何其他耦合机构耦合于机器102。
在示范性实施例中，发射器组件336安置在探头外壳208内来形成探头202。更具体地，在示范性实施例中，在发射器组件336内，发射器206耦合于发射器实体338。发射器实体338包括上游表面340和相对的下游表面342。在示范性实施例中，发射器实体338是大致上平坦的印刷电路板(PCB)，并且发射器206包括与发射器实体下游表面342一体式形成和/或耦合于发射器实体下游表面342的一个或多个迹线和/或管道(未示出)。备选地，发射器206和/或发射器实体338可具有使探头202能够如本文描述的那样起作用的任何其它构造和/或配置。耦合装置344将发射器实体338和发射器206耦合于数据管道，例如耦合于数据管道204用于传送信号至信号处理装置200(如图2所示)以及从信号处理装置200接收信号。在示范性实施例中，耦合装置344包括一个或多个螺栓、支架、焊接和/或使发射器组件336能够如本文描述的那样起作用的任何耦合机构。备选地，数据管道204可与发射器206、发射器实体338和/或信号处理装置200一体式形成。
在示范性实施例中，在操作期间，安置探头帽300使得下游表面312面向正测量和/或监测的对象。这样，电磁场224(在图2中示出)由发射器206产生，并且电磁场224从下游表面312向外延伸。
在组装期间，通过耦合装置344将数据管道204耦合于发射器实体上游表面340和发射器206以形成发射器组件336。发射组件336至少部分安置在探头帽300内。更具体地，发射器实体338安置在腔306内使得发射器实体下游表面342和发射器实体206面向端壁上游表面310。内部套筒302插入腔306内并且安置在数据管道204周围。此外，内部套筒302通过螺纹部分326和322能螺纹耦合于与探头帽300。当内部套筒302螺纹耦合于探头帽300时，内部套筒302的环形边346接触发射器实体上游表面340并且促使发射器实体338的下游表面342与端壁上游表面310相接触。螺纹部分322和326配合以使内部套筒302在探头202的操作期间能够保持发射器实体338与端壁308相接触。
外部套筒304能螺纹耦合于内部套筒302使得外部套筒304至少部分包围内部套筒302。更具体地，当组装探头202时，探头帽300和外部套筒304包围内部套筒302。此外，探头帽300、外部套筒304以及内部套筒302包围数据管道204的至少一部分。这样，在组装状态中，探头外壳208大致上密封腔306以便于保护发射器206不受破坏。尽管可在图3中图示在探头帽300、内部套筒302、外部套筒304和/或发射器实体338之间限定的一个或多个空隙348，应当意识到在探头202完全组装后，探头帽300、内部套筒302、外部套筒304和/或发射器实体338耦合在一起来形成大致上与外部环境隔绝的探头202。在一个实施例中，腔306可用环氧树脂材料和/或大致上使腔306和/或探头202与外界环境隔绝和/或便于将探头202的部件耦合在一起的任何其他材料填充。在另一个实施例中，密封件(未示出)可耦合于数据管道204、内部套筒302、外部套筒304和/或探头202的任何其它部件以大致上使腔306和/或探头202与外部环境隔绝和/或便于使部件耦合在一起。在示范性实施例中，组装后，探头202通过数据管道204耦合于信号处理装置200。
图4是组装例如探头202(在图2中示出)等微波传感器探头的示范性方法400的流程图。在示范性实施例中，发射器安置402在探头帽内。此外，在示范性实施例中，发射器配置成从由发射器接收的至少一个微波信号产生电磁场。更具体地，在示范性实施例中，在探头帽内安置402发射器包括在探头帽内定安置404大致上平坦的发射器实体，其中发射器耦合于发射器实体和/或在发射器实体内形成。
内部套筒能螺纹耦合406于探头帽，并且外部套筒能螺纹耦合408于内部套筒。当内部套筒耦合406于探头帽时，内部套筒促使410发射器与探头帽接触。在示范性实施例中，内部套筒、外部套筒以及探头帽是大致上中空的使得腔至少部分由内部套筒、外部套筒和探头帽限定。数据管道延伸412通过内部套筒、外部套筒和探头帽的至少一部分(即，通过腔)，并且该数据管道耦合414于发射器。在示范性实施例中，数据管道配置成传送至少一个微波信号至发射器以使发射器能产生电磁场。如上文更充分地描述的，微波探头测量对象(例如机器部件)相对于发射器的接近度。
与现有探头相对比，本文描述的示范性探头可采用更成本有效和可靠的方式制造和/或组装。探头帽、内部套筒、外部套筒和发射器组件可分别制造。这样，用于制造本文描述的探头的机械设备可在复杂性和/或成本方面得到降低。此外，本文描述的示范性探头可用最少的工具快速并且简单地组装和安装在机器中。与制造成单个部件的现有探头相比，如果所述探头的某个部件有故障或损坏，可拆卸该探头并且更换部件。这样，本文描述的探头便于降低传感器组件和使用探头的功率系统的成本和复杂性。
在上文详细描述了传感器组件和用于组装传感器探头的方法的示范性实施例。方法和传感器组件不限于本文描述的具体实施例，相反地，传感器组件的部件和/或方法的步骤可独立并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。例如，传感器组件还可结合其他测量系统和方法使用，并且不限于只用本文描述的功率系统实践。相反，示范性实施例可以连同许多其他测量和/或监测应用实现和使用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可在一些图中而不在其他图中示出，这仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其他图的任何特征来参考和/或要求权利。
该书面描述使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。
部件列表
100功率系统        220减法器
102机器            222线性化器
104驱动轴          224电磁场
106负载            226距离
108支撑结构        300探头帽
110传感器组件      302内部套筒
112诊断系统        304外部套筒
200信号处理装置    306腔
202探头            308端壁
204数据管道        310上游表面
206发射器          312下游表面
208探头外壳        314侧壁
210定向耦合装置    316外表面
212传输功率检测器  318内表面
214接收功率检测器  320中心线轴
216信号调节装置    322螺纹部分
218信号发生器      324外表面
325内表面          340上游表面
326螺纹部分      342下游表面
328内表面        344耦合装置
330外表面        346环形边
332内螺纹部分    348空隙
334外螺纹部分    400方法
336发射器组件    338发射器实体
402在探头帽内安置发射器
404在探头帽内安置大致上平坦的发射器实体，其中发射器耦合于该发射器实体和/或在该发射器实体内形成
406使内部套筒能螺纹耦合于探头帽
408使外部套筒能螺纹耦合于内部套筒
410促使发射器与探头帽接触
412使数据管道延伸通过至少部分由内部套筒、外部套筒和探头帽限定的腔
414将数据管道耦合于发射器

Claims (10)

1.一种组装传感器探头的方法(400)，所述方法包括：
在探头帽内安置(402)发射器，其中所述发射器配置成从至少一个微波信号产生电磁场；
将内部套筒耦合(406)于探头帽；以及
将外部套筒耦合(408)于内部套筒。
2.如权利要求1所述的方法(400)，其中将内部套筒耦合(406)于所述探头帽包括使所述内部套筒能螺纹耦合于所述探头帽。
3.如权利要求2所述的方法(400)，其中使所述内部套筒能螺纹耦合(406)于所述探头帽促使所述发射器与所述探头帽接触。
4.如权利要求1所述的方法(400)，其中将所述外部套筒耦合(408)于内部套筒包括使所述外部套筒能螺纹耦合于所述内部套筒。
5.如权利要求1所述的方法(400)，其中在探头帽内安置(402)发射器包括在所述探头帽内安置(404)大致上平坦的发射器实体，其中所述发射器耦合于所述发射器实体。
6.如权利要求1所述的方法(400)，其进一步包括将数据管道耦合(414)于发射器，其中所述数据管道配置成传送所述至少一个微波信号至所述发射器。
7.如权利要求6所述的方法(400)，其中所述内部套筒、所述外部套筒和所述探头帽的每个是大致上中空的，并且其中将数据管道耦合(414)于发射器包括使所述数据管道延伸(412)通过所述外部套筒、所述内部套筒和所述探头帽的至少一部分以将所述数据管道耦合于所述发射器。
8.一种传感器探头(202)包括：
发射器(206)，其配置成从至少一个微波信号产生电磁场；
探头帽(300)，其大小适于收容所述发射器；
内部套筒(302)，其耦合于所述探头帽；以及
外部套筒(304)，其耦合于所述内部套筒。
9.如权利要求8所述的传感器探头(202)，其中所述内部套筒(302)能螺纹耦合于所述探头帽(300)。
10.如权利要求9所述的传感器探头(202)，所述内部套筒(302)促使所述发射器(206)与所述探头帽(300)相接触。
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