CN103105628A - 用于传感器组件的感测元件 - Google Patents

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CN103105628A CN2012104454199A CN201210445419A CN103105628A CN 103105628 A CN103105628 A CN 103105628A CN 2012104454199 A CN2012104454199 A CN 2012104454199A CN 201210445419 A CN201210445419 A CN 201210445419A CN 103105628 A CN103105628 A CN 103105628A
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B.L.谢克曼
高宇轩
N.A.韦勒
李瑢宰
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Abstract

本发明涉及用于传感器组件的感测元件。一种用于传感器组件(110)的探头(202)包括：感测元件主体(300)；以及感测元件(206)，其耦合到感测元件主体。感测元件至少部分地电容耦合到信号处理装置(200)。感测元件当接收到至少一个信号时生成电磁场(224)；并且当物体定位于磁场内时将负载感应到感测元件。

Description

用于传感器组件的感测元件
技术领域
本申请大体涉及位置感测系统，且更特定而言，供传感器组件使用的感测元件。
背景技术
已知的机器具有旋转部件。知道在操作期间某些旋转部件的位置和/或行为是重要的。一个或多个传感器可用于测量和/或监测这样的行为且确定例如操作机器或马达的操作特性。通常，这样的传感器耦合到包括多个监测器的监测系统。监测系统从一个或多个传感器接收信号，对这些信号执行至少一个处理步骤且将修改的信号传输到诊断平台，诊断平台向用户显示测量。
至少一些已知的机器使用涡电流传感器来监测机器构件在操作期间的相对位置和/或行为。但是，已知涡电流传感器的使用可有局限性，因为这样的传感器的检测范围通常为涡电流感测元件的直径的大约一半。其它已知的机器使用光学传感器来测量机器构件的位置和/或行为。但是，如果这样的已知的光学传感器由于污染物而弄脏，则这样的传感器可提供不准确的测量。照此，光学传感器可不适合供许多工业环境使用。此外，已知的光学传感器可不适用于通过液体介质和/或包括微粒的介质来检测机器构件的振动和/或位置。
发明内容
在一个实施例中，提供一种供传感器组件使用的探头。探头包括感测元件主体；以及感测元件，其耦合到感测元件主体。感测元件包括第一导体；第二导体；以及连接部分，其能将所述第二导体电容地耦合到接地垫(ground pad)，当感测元件接收到至少一个信号时感测元件生成电磁场。且当物体定位于磁场内时将负载感应到感测元件。
在另一实施例中，提供一种传感器组件，其包括：感测元件主体；以及感测元件，其耦合到感测元件主体。感测元件包括第一导体；第二导体；以及连接部分，其能将所述第二导体电容耦合到接地垫，当感测元件接收到至少一个信号时感测元件生成电磁场。该传感器组件还包括信号处理装置，其耦合到感测元件用于向感测元件传输至少一个信号，且用于基于从感测元件接收的信号来计算接近性(proximity)测量。
在又一实施例中，提供一种测量机器构件相对于感测元件的接近性的方法。该方法包括：向感测元件传输至少一个信号，感测元件包括第一导体、第二导体和连接部分，连接部分允许第二导体电容耦合到接地垫。当感测元件接收到至少一个信号时感测元件生成电磁场。该方法还包括：从至少一个信号生成电磁场；生成表示电磁场破坏的负载信号；以及基于该负载信号来计算机器构件到感测元件的接近性。
附图说明
图1为示例性功率生成系统的框图。
图2为可用于图1中所示的功率生成系统的示例性传感器组件的框图。
图3为可用于图2中所示的传感器组件的示例性感测元件主体的透视图。
图4为图3中所示的示例性感测元件的一部分的放大侧视图。
图5为图3中所示的示例性感测元件的一部分的放大透视图。
部件列表
100   功率生成系统
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   感测元件
208   探头外壳
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(linearizer)
224   电磁场
226   距离
300   感测元件主体
302   前表面
304   后表面
306   内导体
308   外导体
310   区域
312   区域
402   第一导体
404   中心通路
406   接地垫
408   外通路
410   第二导体
412   间隙
500   感测元件
502   外通路
504   禁布区(keepout)
506   接地垫。
具体实施方式
图1示出了示例性功率生成系统100，其包括至少一个机器102。在示例性实施例中，机器102可为，但不限于仅为风力涡轮、水力发电涡轮、燃气涡轮或压缩器。备选地，机器102可为在功率生成系统中使用的任何其它机器。在示例性实施例中，机器102使耦合到诸如发电机的负载106的驱动轴104旋转。
在该示例性实施例中，驱动轴104至少部分地由容纳于机器102和/或负载106内的一个或多个支承件(未图示)支承。备选地或作为补充，支承件可容纳于单独支承结构108(诸如齿轮箱)内，或者在允许功率生成系统100如本文所述起作用的任何其它结构或构件内。
在示例性实施例中，功率生成系统100包括至少一个传感器组件100，其测量和/或监测机器102、驱动轴104、负载106和/或允许系统100如本文所述地起作用的功率生成系统100内的任何其它构件的至少一个操作条件。更具体而言，在示例性实施例中，传感器组件100为接近性传感器组件110，其邻近驱动轴104定位用于在驱动轴104旋转时测量和/或监测限定于驱动轴104与传感器组件110之间的距离(在图1中未图示)。
在示例性实施例中，传感器组件110使用微波信号来测量功率生成系统100的构件相对于传感器组件110的相对接近性。如本文所用的术语“微波”指的是具有在大约300兆赫(MHz)与大约300千兆赫(GHz)之间的一个或多个频率的信号或者接收和/或传输具有在大约300兆赫(MHz)与大约300千兆赫(GHz)之间的一个或多个频率的信号的构件。尽管在本文所述的示例性实施例中使用微波范围的信号，但是应意识到任何频率和/或强度的信号可用于传感器组件110以使得组件110如本文所述地起作用。
备选地，传感器组件110可测量和/或监测功率生成系统100的任何其它构件，和/或可为允许功率生成系统100如本文所述地起作用的任何其它传感器或换能器组件。在示例性实施例中，每个传感器组件110可定位于功率生成系统100内的任何位置，其使得功率生成系统100如本文所述地起作用。另外，在示例性实施例中，至少一个传感器组件110耦合到诊断系统112用于处理和/或分析由传感器组件110所生成的一个或多个信号。
在机器102的操作期间，功率生成系统100的一个或多个构件，诸如驱动轴104，可相对于至少一个传感器组件110改变位置。例如，构件可以振动、非同心方式旋转和/或可随着功率生成系统100内的操作温度改变而膨胀或收缩。在示例性实施例中，传感器组件110测量和/或监测构件相对于每个传感器组件110的接近性和/或位置，且传输表示所测量的构件的接近性和/或位置的信号(在下文中被称作“接近性测量信号”)到诊断系统112用于处理和/或分析。
图2为可用于功率生成系统100(在图1中示出)的示例性传感器组件110的示意图。在示例性实施例中，传感器组件110包括信号处理装置200和探头202，探头202经由数据通道204耦合到信号处理装置200。探头202包括感测元件206或发射器，其耦合到和/或定位于探头外壳208内。更具体而言，在示例性实施例中，探头202为包括微波发射器206的微波探头202。照此，感测元件206以在微波频率范围内的至少一个谐振频率操作。备选地，探头202包括能发射允许传感器组件110如本文所述地起作用的至少一个谐振频率的任何感测元件206。
在示例性实施例中，信号处理装置200包括定向耦合装置210，定向耦合装置210耦合到传输功率检测器212、接收功率检测器214和信号调节装置216。在示例性实施例中，信号调节装置216包括信号发生器218、减法器220和线性化电路222。当电信号通过感测元件206传输时，感测元件206发射电磁场224。
在操作期间，在示例性实施例中，信号发生器218生成具有微波频率的至少一个信号(在下文中被称作“微波信号”)，该信号等于或约等于感测元件206的谐振频率。此外，信号发生器218将微波信号传输到定向耦合装置210，定向耦合装置210分开微波信号，使得微波信号的至少一部分导向至传输功率检测器212且使得微波信号的其余部分导向至感测元件206。在微波信号传输通过感测元件206时，电磁场224从感测元件206发射且从探头外壳208出来。如果诸如驱动轴104或者机器102的另一构件(在图1中示出)和/或功率生成系统100的物体进入和/或改变在电磁场224内的相对位置，则可在物体与场224之间发生电磁耦合。更具体而言，在电磁场224内存在物体和/或在电磁场224内存在物体的移动可使得场224遭到破坏。
例如，在物体的至少一部分(包括，但不限于物体表面)内的电感和/或感应的电容效果可造成电磁场224的至少一部分由电流和/或电荷电感地和/或电容地耦合到物体。在这样的实例中，使感测元件206失谐且将负载感应到感测元件206。使感测元件206失谐的可测量结果包括(但不限于)减小和/或改变感测元件206的谐振频率，和/或感测元件206的功率水平变化(即，返回损失变化)。将负载感应到感测元件206造成微波信号反射(在下文中被称作“失谐负载信号”)以通过数据通道204传输到定向耦合装置210。在示例性实施例中，失谐负载信号具有比微波信号的功率振幅更低的功率振幅和/或比微波信号的相位不同的相位。此外，在示例性实施例中，失谐负载信号的功率振幅取决于物体到感测元件206的接近性。定向耦合装置210分开失谐负载信号，传输或导向失谐负载信号的至少一部分到接收功率检测器214，且传输且导向失谐负载信号的其余部分到信号发生器218。
在该示例性实施例中，接收功率检测器214基于失谐负载信号确定功率量和/或确定包含于失谐负载信号中的功率量且将表示失谐负载信号功率的信号传输到信号调节装置216。传输功率检测器212基于微波信号确定功率量和/或确定包含于微波信号中的功率量且将表示微波信号功率的信号传输到信号调节装置216。在示例性实施例中，减法器220接收微波信号功率和失谐负载信号功率，且计算在微波信号功率与失谐负载信号功率之间的差异。减法器220然后将表示所计算的差异的信号(在下文中被称作“功率差异信号”)传输至线性化电路222。
在示例性实施例中，功率差异信号的振幅与限定于电磁场224内的诸如驱动轴104的物体与探头202和/或感测元件206之间的距离226(即，距离226被称作物体接近性)成比例，诸如成反比或指数级比例。取决于感测元件206的特征，诸如例如，感测元件206的几何形状，功率差异信号的振幅可至少部分地表现出相对于物体接近性的非线性关系。
在示例性实施例中，线性化电路222将功率差异信号转变为电压输出信号(即，“接近性测量信号”)，其表现出在物体接近性与接近性测量信号的振幅之间大致线性的关系。另外，在示例性实施例中，线性化电路222以一定标度因子(scale factor)将接近性测量信号传输到诊断系统112(在图1中示出)，该标度因子适合于允许在诊断系统112内进行处理和/或分析。例如，在一个实施例中，接近性测量信号具有每毫米数伏的标度因子。备选地，接近性测量信号可具有能使得诊断系统112和/或功率生成系统110如本文所述起作用的任何其它标度因子。
图3为可用于传感器组件100(在图1中示出)的示例性感测元件主体300和数据通道204的透视图。在示例性实施例中，感测元件主体300定位于探头外壳208(在图2中示出)内和/或耦合到探头外壳208。另外，感测元件206(在图2中示出)耦合到感测元件主体300。
在该示例性实施例中，感测元件主体300包括前表面302和对立的后表面304。感测元件206耦合到前表面302和/或与前表面302一体地形成。更具体而言，在示例性实施例中，感测元件主体300为大致平面的印刷电路板，且感测元件206包括与感测元件主体前表面302一体地形成和/或耦合到感测元件主体前表面302的一个或多个迹线(trace)或导体(在图3中未图示)。在示例性实施例中，迹线或导体由能使得感测元件206如本文所述起作用的任何导电材料(诸如铜)制成。备选地，感测元件206和/或感测元件主体300可构造和/或构建为能使得传感器组件100如本文所述起作用的任何其它布置。
在示例性实施例中，数据通道204包括内导体306和外导体308，内导体306和外导体308大致封闭内导体306，使得导体306和308相对于彼此同轴对准。在示例性实施例中，数据通道204为半刚性电缆204，该半刚性电缆204将感测元件206耦合到信号处理装置200(在图2中示出)。备选地，数据通道204可为能使得传感器组件110如本文所述起作用的任何其它电缆或通道。在示例性实施例中，内导体306和外导体308各耦合到感测元件主体300和/或感测元件206以使得微波信号从信号处理装置200通过感测元件206传输。
在操作期间，至少一个微波信号通过内导体306和通过外导体308传输到感测元件206。在示例性实施例中，传输到感测元件206的至少一个微波信号等于或约等于感测元件206的谐振。备选地，至少一个微波信号可为使得传感器组件110如本文所述起作用的任何频率。随着微波信号通过感测元件206传播，发射电磁场224(在图2中示出)。基于对感测元件206感应的负载来确定接近性测量，如在本文中更详细描述地。
图4为沿着区域310(在图3中示出)所取得的感测元件主体300的一部分的放大侧视图。内导体306耦合到第一导体402(在图5中示出)，第一导体402耦合到感测元件500(在图5中示出)。在示例性实施例中，内导体306从后表面304延伸通过中心通路404(即，在感测元件主体300中形成的具有导电镀层的通孔)。备选地，内导体306可耦合到中心通路404，且中心通路404可耦合到第一导体402。外导体308耦合到接地垫406，接地垫406可包括与感测元件主体后表面304一体地形成和/或耦合到感测元件主体后表面304的一个或多个迹线或导体。在示例性实施例中，接地垫406由铜和/或由能使得接地垫406如本文所述起作用的任何其它导电材料制成。接地垫406可具有能使传感器组件110如本文所述起作用的任何大小或几何形状。
外通路408耦合到第二导体410，第二导体410耦合到感测元件500。第二导体410可包括插入于外通路408内的引脚(未图示)。在示例性实施例中，外通路408为盲通路(即，并不完全穿过感测元件主体300的通路)，其从前表面302上的开口(未图示)朝向后表面304延伸。在外通路408与接地垫406之间的连接部分或间隙412便于第二导体410和外通路408电容地耦合到接地垫406。间隙412可包括感测元件主体300的基板材料。备选地，间隙412可包括空气或者能使得传感器组件110如本文所述起作用的任何电介质材料。间隙412可具有能使传感器组件110如本文所述起作用的任何大小或几何形状。
在操作期间，至少一个微波信号通过数据通道204传输到感测元件500。更具体而言，微波信号经由内导体306和第一导体402传播到感测元件500。随着微波信号通过感测元件500和第二导体410传输，在第二导体410与接地垫406之间出现电容耦合。跨间隙412的电容耦合包括经过第二导体410和接地垫406的电流。在接地垫406中的电流通过外导体308返回到信号处理装置200。基于对感测元件500感应的负载来确定接近性测量，如上文中更详细描述地。感测元件500的电容便于提供频率稳定性，使得感测元件500可由于物体的存在和/或物体相对于感测元件500的相对移动而可受控制地和/或可预测地失谐。可通过改变间隙412的大小(即，在外通路408与后表面304之间的距离)或者改变外通路408的直径来调整由间隙412所实现的电容。备选地，可通过向感测元件主体300添加多于一个外通路408来增加电容。此外，可通过改变在中心通路404与外通路408之间的距离来调整电容。
图5为沿着区域312(在图3中示出)所取得的感测元件主体300的一部分的放大透视图，其示出了另一示例性实施例。感测元件500耦合到感测元件主体300的前表面302。尽管图5示出了感测元件500具有大体上螺旋几何形状，但应认识到感测元件500可具有能使传感器组件110如本文所述起作用的任何大小、形状或构造。在示例性实施例中，感测元件500包括多个导体或迹线，其与感测元件主体前表面302一体地形成和/或耦合到感测元件主体前表面302。感测元件500的迹线可具有能使传感器组件110如本文所述起作用的任何宽度和/或间隔。
在该示例性实施例中，感测元件500耦合到第一导体402和第二导体410。内导体306耦合到第一导体402。在示例性实施例中，内导体306从后表面404通过中心通路404延伸到前表面302。备选地，内导体306可耦合到中心通路404，且中心通路404可耦合到第一导体402。在示例性实施例中，第二导体410可包括插入于外通路502内的引脚(未图示)。外通路502可为镀层的通孔，其从前表面302延伸到后表面304。
连接部分或禁布区504大致包围或环绕在后表面304上到外通路502的开口且便于在接地垫506与外通路502和第二导体410二者之间的电容耦合。禁布区504可包括感测元件主体300的基板材料和/或能使传感器组件110如本文所述起作用的任何电介质。在示例性实施例中，接地垫506的一部分大致包围或环绕禁布区504。可通过改变禁布区504的大小或几何形状来调整由禁布区504实现的电容。例如，禁布区504可为具有在1毫米与6毫米之间的直径的圆形、矩形、多边形和/或可允许感测元件500如本文所述起作用的任何大小或几何形状。备选地，可通过调整接地垫506相对于外通路502的大小、几何形状和/或位置，从而调整在接地垫506与外通路502之间的距离和/或关系来调整由禁布区504实现的电容。例如，接地垫506可邻近禁布区504且可不围绕禁布区504。
在操作期间，至少一个微波信号通过数据通道204传输到感测元件500。微波信号由内导体306和第一导体402传输到感测元件500。随着微波信号通过感测元件500和第二导体410传输，在第二导体410与接地垫506之间出现电容耦合。跨禁布区504的电容耦合包括通过第二导体410和接地垫506的电流。在接地垫506中的电流通过外导体308返回到信号处理装置200。基于对感测元件500感应的负载来确定接近性测量，如上文中更详细描述的那样。感测元件500的电容便于提供频率稳定性，使得感测元件500可由于物体的存在和/或物体相对于感测元件500的相对移动而可受控制地和/或可预测地失谐。
上文所述的实施例提供用于测量机器构件与传感器的接近性的高效且成本节约的传感器组件。传感器组件利用微波信号来激励感测元件。感测元件至少部分地电容耦合到信号处理装置。当诸如机器构件的物体定位于该场内时，由于破坏磁场而将负载感应到感测元件。传感器组件基于对感测元件所感应的负载来计算物体与感测元件的接近性。本文所述的感测元件的电容耦合便于提供频率稳定的电磁场，用于测量在物体与感测元件之间的接近性。应意识到可根据本文所述的原理，通过调整感测元件的迹线的宽度或间隔、盲通路的深度、禁布区间隔、通路数量、通路的间隔和/或传感器组件构件的中任一个的形状、大小、几何形状、位置和/或方位来调整本文所述的感测元件的电容耦合。
传感器组件和感测元件的示例性实施例在上文中详细描述。传感器组件和感测元件并不限于本文所述的具体实施例，而是可独立于和单独于本文所述的其它构件和/或步骤来利用传感器组件的构件和/或感测元件。例如，感测元件还可结合其它测量系统和方法来使用且并不限于仅利用如本文所述的传感器组件或功率生成系统来实践。而是，示例性实施例可结合许多其它测量和/或监测应用来实施和利用。
虽然在某些附图中示出但未在其它附图中示出本发明的各种实施例的具体特征，但这只是出于方便目的。根据本发明的原理，附图的任何特征可组合任何其它附图的任何特征来参考和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果其它示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它示例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，则这些其它示例预期在权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种用于传感器组件(110)的探头(202)，所述探头包括：
感测元件主体(300)；以及
感测元件(206)，其耦合到所述感测元件主体，所述感测元件包括：
第一导体(402)；
第二导体(410)；以及
连接部分，其使所述第二导体能电容地耦合到接地垫(406)，其中，所述感测元件当接收到至少一个信号时生成电磁场(224)，并且其中，当物体定位于所述电磁场内时将负载感应到所述感测元件。
2. 根据权利要求1所述的探头(202)，其特征在于，还包括：耦合到所述第一导体(402)的第一数据通道(204)导体和耦合到所述接地垫(406)的第二数据通道导体。
3. 根据权利要求1所述的探头(202)，其特征在于，所述感测元件(206)大致为螺旋形状。
4. 根据权利要求1所述的探头(202)，其特征在于，所述感测元件主体(300)为大致平面的。
5. 根据权利要求1所述的探头(202)，其特征在于，所述接地垫(406)为大致椭圆形。
6. 根据权利要求1所述的探头(202)，其特征在于，所述连接部分包括在盲通路与所述接地垫(406)之间延伸的基板部分。
7. 根据权利要求1所述的探头(202)，其特征在于，所述连接部分包括禁布区(504)，所述禁布区(504)大致围绕延伸穿过所述感测元件主体(300)的通路。
8. 根据权利要求7所述的探头(202)，其特征在于，所述接地垫(406)大致围绕所述禁布区(504)。
9. 根据权利要求7所述的探头(202)，其特征在于，所述禁布区(504)从所述通路径向延伸。
10. 一种传感器组件(110)，包括：
感测元件主体(300)；以及
感测元件(206)，其耦合到所述感测元件主体，所述感测元件包括：
第一导体(402)；
第二导体(410)；以及
连接部分，其使所述第二导体能够电容地耦合到接地垫(406)，其中，所述感测元件当接收到至少一个信号时生成电磁场(224)；以及
信号处理装置(200)，其耦合到所述感测元件，用于向所述感测元件传输至少一个信号且用于基于从所述感测元件接收的信号来计算接近性测量。
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