CN103471632A - 传感器系统以及用于传感器系统的天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种配置用于射频传感装置的传感器头，所述传感器头包括非平面的天线。所述传感器头可以进一步包括连接装置，所述连接装置用于将所述传感器头连接到数据导管。所述非平面的天线可配置成具有在射频频谱内的预定共振频率。

Description

传感器系统以及用于传感器系统的天线

技术领域

本发明大体上涉及动力系统，并且更为具体地说，涉及一种射频传感器装置以及用于所述装置的天线。

背景技术

已知的机器可能在运行期间表现出振动和/或其他异常行为。一个或多个传感器可以用来测量和/或监控此类行为，并且确定例如在机械驱动轴中表现出的振动的量、所述机械驱动轴的转速和/或运行的机器或电机的任何其他运行特性。通常，此类传感器连接到包括多个监控器的机器监控系统。所述监控系统从一个或多个传感器接收信号，对所述信号执行至少一个处理步骤，并且将修改后的信号传输到诊断平台，以便将测量结果显示给用户。

至少一些已知的机器使用涡流传感器来测量在机器部件中的振动和/或所述机器部件的位置。然而，使用已知的传感器可能受到限制，因为此类传感器的检测范围仅约为涡流传感元件的宽度的一半。其他已知的机器使用光学传感器来测量机器部件的振动和/或位置。然而，已知的光学传感器可能受到污染物污染而提供不准确的测量结果，并且因此，可能并不适合于工业环境。此外，已知的光学传感器可能并不适合于通过液体媒质和/或包括颗粒的媒质来检测机器部件的振动和/或位置。因此，需要这种类型的传感器来提供改进的性能特性。

发明内容

在一方面，本发明描述一种传感器头，所述传感器头经配置用于射频传感装置，所述传感器头包括非平面的天线。所述传感器头可以进一步包括连接装置，所述连接装置用于将所述传感器头连接到数据导管。所述非平面的天线可以经配置具有在射频频谱内的预定共振频率。

在另一方面，本发明描述一种用于感测部件的射频传感装置。所述传感装置可以包括：传感器头，所述传感器头包括非平面的天线，所述非平面的天线从无线信号生成电磁场，其中在所述部件与所述电磁场相互酌时，负载在所述非平面的天线上引起；数据导管，所述数据导管连接到所述传感器头，其中表示所述负载的至少一个负载信号从所述非平面的天线反射在所述数据导管内；以及信号处理装置，所述信号处理装置经配置用于接收所述至少一个负载信号，并且生成电力输出，以便用于监控所述部件。

通过参阅附图或随附权利要求书阅读以下对优选实施例的详细说明，可以清楚地了解本发明的这些和其他特征。

附图说明

图1是根据本发明的各个方面的具有传感器系统的示例性动力系统的方框图。

图2是图1所示传感器系统的更详细的图示。

图3是可以与图2所示传感器系统一起使用的平面天线的正视图。

图4是图3所示平面天线的透视图。

图5是可以与图2所示传感器系统一起使用的示例性非平面的天线的透视图。

图6是图5所示非平面的天线的侧视图。

图7是可以与图2所示传感器系统一起使用的另一示例性非平面的天线的透视图。

图8是图7所示非平面的天线的侧视图。

图9是可以与图2所示传感器系统一起使用的另一示例性非平面的天线的侧视图。

图10是可以与图2所示传感器系统一起使用的另一示例性非平面的天线的透视图。

具体实施方式

图1示出包括机器102的示例性动力系统100。所述机器102可以是但不限于只是风力机、水利涡轮机或压缩机。或者，机器102可以是用于动力系统的任何其他机器。在示例性情况中，机器102旋转连接到负载106的驱动轴104，所述负载如发电机。驱动轴104可以由容纳在机器102内和/或容纳在负载106内的一个或多个轴承（未示出）支撑。作为替代或补充，轴承可以容纳在单独的支撑结构108如齿轮箱中，或容纳在使得动力系统100能够如在本说明书中描述那样运行的任何其他结构或部件中。

动力系统100进一步包括至少一个传感器系统110，以便测量和/或监控机器102、驱动轴104、负载106和/或所述动力系统100的任何其他合适的部件的至少一个运行状态。如图所示，传感器系统110可以包括信号处理装置200以及远离所述信号处理装置的传感器头202，例如，所述传感器头可以经由数据导管204连接到所述信号处理装置200。传感器系统110是接近度传感器，其具有定位在驱动轴104附近的传感器头202，所述传感器头经配置用于测量和/或监控界定在所述驱动轴104与所述传感器头202之间的距离。根据本发明的一方面，传感器系统110是射频传感装置。在本说明书中所用术语“射频传感装置”被定义为在本说明书中以及在共同转让的美国专利申请案第12/252435号（通用电气档案号229509）、美国专利申请案第12/388088号（通用电气档案号229666）和美国专利申请案第12/951432号（通用电气档案号246112）中描述的那些接近度传感装置，所有上述专利申请案在此以其全文明确并入本发明中。一般来说，射频传感装置使用射频信号或无线信号来测量动力系统100的部件相对于传感装置或传感装置的传感器头的接近度，如静态和/或振动接近度，所述射频信号或无线信号可以包括微波。在本说明书中所用术语“射频”是指无线或电气信号，或者接收和/或传输具有在约300兆赫（MHz）与约300吉赫（GHz）之间的一个或多个频率的信号的部件，并且“微波”是指在所述射频内的波，其具有范围在0.001米至1米的波长。

应了解，传感器系统110可以测量和/或监控动力系统100的任何其他部件的位置，具体可以根据需要。在图1所示示例性情况中，传感器头202定位在动力系统100内的所需位置中，处于驱动轴104附近。在运行期间，机器102可以使得动力系统100的一个或多个部件如驱动轴104相对于至少一个传感器系统110改变位置。例如，当在动力系统100内的运行温度改变时，在部件上可以引起振动，及/或所述部件可以膨胀或收缩。在图1所示示例性情况中，传感器系统110测量和/或监控部件相对于每个传感器头202的接近度和/或位置。

图2提供在图1中示意性地示出的传感器系统110的更详细的图示。如图所示，传感器系统110包括信号处理装置200以及远离所述信号处理装置的传感器头202。传感器头202可以经由数据导管204连接到信号处理装置200。如下文更详细地讨论，传感器头202包括用于发射射频信号的结构，所述结构在本说明书中将被称为“天线”或“天线206”。天线206可以连接到传感器头外壳208上和/或定位在所述传感器头外壳内。应了解，天线206经配置具有在射频范围内的至少一个共振频率。

在示例性情况下，如在上文并入的申请案中更详细地讨论，信号处理装置200包括定向连接装置210，所述定向连接装置连接到传输功率检测器212、连接到接收功率检测器214并且连接到信号调节装置216。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。应了解，在射频信号通过天线206传输时，所述天线206发射电磁场224。

在运行期间，信号发生器218可以生成具有某个射频的至少一个电气信号（以下称为“无线信号”），所述射频等于或大致等于天线206的共振频率。信号发生器218将无线信号传输到定向连接装置210。随后，定向连接装置210将无线信号传输到传输功率检测器212并且传输到天线206。应了解，在无线信号通过天线206传输时，电磁场224从天线206中发射。如果物体如驱动轴104或者机器102或动力系统100的另一部件进入和/或改变在电磁场224内的相对位置，那么在所述物体与场224之间可以发生电磁连接。更具体地说，由于物体存在于电磁场224内和/或由于这种物体移动，电磁场224可能例如因为在所述物体内引起的感应和/或电容效应而受到干扰，所述感应和/或电容效应可能导致电磁场224的至少一部分感应耦合和/或电容耦合到所述物体以作为电流和/或电荷。在此项实例中，天线206失调（即天线206的共振频率降低和/或改变并且负载被感应到天线206。感应到天线206的负载导致要通过数据导管204传输到定向连接装置210的无线信号（以下称为“失调负载信号”）进行反射。在示例性实施例中，与无线信号的功率幅度和/或相位相比，失调负载信号具有较低功率幅度和/或不同相位。此外，在示例性实施例中，失调负载信号的功率幅度取决于物体与天线206的接近度。定向连接装置210将失调负载信号传输到接收功率检测器214。

在示例性实施例中接收功率检测器214确定基于失调负载信号和/或包含在失调负载信号内的功率量，并且将表示失调负载信号功率的信号传输到信号调节装置216。此外，传输功率检测器212确定基于无线信号和/或包含在无线信号内的功率量，并且将表示无线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接收无线信号功率和失调负载信号功率，并且计算无线信号功率与失调负载信号功率之间的差值。减法器220将表示计算出的差值的信号（以下称为“功率差值信号”）传输到线性化器222。在示例性实施例中，功率差值信号幅度与在电磁场224内的物体如驱动轴104与传感器头202和/或天线206之间的距离226（即所述距离226被称为物体接近度）成比例，如成反比或正比。根据天线206的特性，例如，如所述天线206的几何形状、功率差值信号的幅度，可以相对于物体接近度至少部分地呈现非线性关系。

在示例性实施例中，线性化器222将功率差值信号转变成电压输出信号（即接近度测量信号），以便呈现在物体接近度与接近度测量信号的幅度之间大体线性的关系。此外，在示例性实施例中，线性化器222以适合于在诊断系统中处理和/或分析的比例因子将接近度测量信号传输到所述诊断系统（未示出）。在示例性实施例中，接近度测量信号具有伏/毫米的比例因子。或者，接近度测量信号可以具有使得诊断系统和/或动力系统100如在本说明书中描述那样运行的任何其他比例因子。

图3是可以用于传感器头202内的示例性平面天线206和主体300的正视图。图4是可以用于传感器头202的示例性主体300和数据导管204的透视图。在示例性实施例中，主体300定位在传感器头外壳208（如图2所示）内和/或连接到所述传感器头外壳。平面天线206可以连接到主体300。

如图3和图4所示，在示例性实施例中，主体300包括前表面302和相反后表面304。在图3和图4所示示例性实施例中，天线206连接到前表面302并且从前表面302的中心306径向向外延伸。更确切地说，在示例性实施例中，主体300是大体平整的印刷电路，而且天线206包括一个或多个迹线或导体308，所述迹线或导体与所述主体300的正表面302一体地形成和/或连接到所述正表面。或者，天线206和/或主体300可以经配置和/或经构造成使得传感器系统110如在说明书中描述那样运行的任何其他布置。在示例性实施例中，如图所示，天线206的导体308形成第一臂310和第二臂312，所述臂各自从中心306径向向外延伸。第一臂310包括定位在中心306附近的第一端314和定位在所述中心306径向向外方向的第二端316。第二臂312包括定位在中心306附近的第一端318和定位在所述中心306径向向外方向的第二端320。在图3所示示例性实施例中，第一臂310和第二臂312与正表面302大体共平面，这样，天线206就不从所述正表面302轴向向外延伸任何距离。或者，天线206和/或主体300可以包括任何数量的臂和/或可以具有使得传感器系统110能够如在说明书中描述那样允许的任何形状。在示例性实施例中，第一臂310和第二臂312彼此径向交错。更确切地说，第一臂310和第二臂312围绕中心306彼此交错。因此，第一臂310的径向外缘322由第二臂312的径向内缘324大体限定，而且第二臂312的径向外缘326由第一臂310的径向内缘328大体限定。

如图所示，当臂310和312在逆时针方向上从中心306径向向外延伸时，所述臂310和312具有围绕中心306的大体盘旋的形状。或者，第一臂310和/或第二臂312可以具有使得天线206能够如在本说明中描述那样运行的任何形状和/或配置。在示例性实施例中，当臂310和312从中心306向外延伸时，第一臂310的宽度和第二臂312的宽度大体彼此相等并且大体恒定。或者，当臂310和312从中心306向外延伸时，宽度彼此不同和/或宽度改变。在一个实施例中，当臂310和312从中心306向外延伸时，宽度增加。第一臂310和第二臂312各自可以包括至少一个峰334和至少一个谷336。更确切地说，第一臂310包括连接部分338和盘旋部分340，所述盘旋部分围绕中心306径向向外旋转，其中在从所述中心306到内缘328的半径增加时，交替的所述峰334和所述谷336幅度递加。第二臂312包括连接部分344和盘旋部分346，所述盘旋部分围绕中心306径向向外旋转，其中在从所述中心306到内缘324的半径增加时，交替的峰334和谷336幅度递加。因此，第一臂310和第二臂312各自形成有盘旋“Z型”模型，或具有叠加在其上的“Z型”模型的大体盘旋的形状，与不具有盘旋Z型模型的天线相比，这种模型在紧凑的主体300内实现电气长度增加。在示例性实施例中，第一臂310的峰334和谷336并未对齐第二臂312的峰334和谷336。更确切地说，从中心306延伸并平分第二臂312的径向外峰的半径与从中心306延伸并平分第一臂310的径向内峰的半径偏移一定角距离。因此，与可以包括彼此对齐的峰334和/或谷336的天线相比，电容耦合量减少出现在第一臂310与第二臂312之间，并且能量减少被限制在主体300内和/或在第一臂310和第二臂312内。因此，与现有技术天线相比，来自无线信号的增加能量可以传输到电磁场224。

如图4所示，在示例性实施例中，数据导管204包括内导体360和外导体362，所述外导体大体包围内导体360以使导体360和362共轴。此外，在示例性实施例中，数据导管204是半刚性线缆364，用以将天线206连接到信号处理装置200（如图2所示）。或者，数据导管204是使得传感器系统110能够如在本说明书中描述那样运行的任何其他线缆或导管或者连接装置。在图3所示示例性实施例中，例如，第一臂310经由连接部分338连接到内导体360，第二臂312经由连接部分344连接到外导体362。

在运行期间，经由数据导管204将至少一个无线信号传输到天线206。无线信号分别经由内导体360和外导体362传输到第一臂310和第二臂312。当无线信号传输通过第一臂310和第二臂312时，发射电磁场224（如图2所示）。接近度测量结果基于感应到天线206的负载确定，如上文更完整地描述。与现有技术天线相比，天线206的大体的盘旋Z形模型在紧凑的主体300内实现电气长度增加。此外，现有技术天线相比，天线206的盘旋Z形模型以及第一臂310和第二臂312的未对齐的峰334和谷336促使将增加的电磁能量发射到电磁场224。

如所属领域的普通技术人员应了解，具有如图3和图4所示示例性平面天线206那样大体平面的配置的天线的传感器头202具有某些性能特性，从而使其非常适合于特定应用，但在其他应用中并不理想。已发现，某些3维或非平面的天线具有的性能特性被证明在某些类型的应用上是有优势的。如以下更为详细地讨论，非平面的天线的这些有利性能特性包括：1）使用较低共振频率，从而能够使用较低成本的系统部件；2）较薄轮廓，从而允许实现更小探针主体；3）制造成本较低；以及4）与平面天线结构相比，测量范围因较低共振频率而扩展。

在本说明书中所用术语“平面天线”用于描述并不从主体300（或者，更确切地说，天线连接到数据导管的位置）轴向延伸的天线结构，如图3和图4所示天线结构。例如图3和图4所示天线实施例被分类为具有平面配置，因为发射器或天线结构限制在主体300的平整正表面302，并且导管204的导体穿过主体300延伸到其中限制天线206的平面的轴向位置。关于图5至图10，以下讨论的是若干类型的非平面的天线，所述非平面的天线可以用于下述接近度传感器系统110且更确切地说是传感器头202，以便可以实现某些性能和制造优势。应了解，使用术语“非平面”描述此类天线是因为每个天线具有从主体300轴向延伸或在所述主体300不存在时从天线连接到导管204的位置轴向延伸的非平面的天线结构。确切地说由于非平面的天线向外延伸并且远离传感器202的主体部分，那么无法描述成包含在平面中，例如，所述平面如图4所知主体300的平整前表面302。因此，以下在图5至图10中提供的是非平面的天线的若干示例性实施例，所述非平面的天线能够以特定效果用于传感器头202以及通常用于上述传感器系统110。在描述这些天线时，要注意，上文提到的“主体”可以仅为连接件或连接器，用以将非平面的天线结构连接到信号运载导管，并且术语“轴向”、“径向”以及“周向”由附图所示柱形数据导管204界定。此外，鉴于以下讨论的示例性天线的非平面特性，针对与导管204的端点的距离界定相对轴向位置。因此，如在本说明书中所用，部件的“近端”或“近侧”是接近或朝向数据导管204的端接点的那端或那侧，并且部件的“远端”或“远侧”是远离或背向数据导管204的端接点的那端或那侧。在此一致的是，“轴向向外”移动是远离数据导管204的端接点移动，并且“轴向向内”移动是朝向数据导管204的端接点移动。

图5和图6示出根据本发明的一方面的具有非平面的天线404的传感器头202。应了解，这种类型的传感器头202可以用于上述传感器系统110（即，射频传感装置）。传感器头202包括连接器405（在此实例中，所述连接器仅由在传感器头202与导管204之间的结点表示）。在此实例中，非平面的天线404是轴向延伸的非平面单级天线（以下称作“非平面单级天线404”）。如图所示，非平面单极天线404从连接器轴向延伸。在形状和配置上，可以将非平面单极天线404描述成窄线性天线，其与通常用作机动车辆上的无线天线的那些天线类似。非平面单极天线404具有两端，所述两端可以是指邻近连接器405的近端，以及以对应于非平面单极天线404的长度的距离轴向远离导管204的端接点的远端。

在优选实施例中，某些其他特征也包括在图5和图6所示传感器头202中。例如，传感器头202包括接地平面406，所述接地平面位于非平面单极天线404的近端上或接近所述近端。在某些实施例中，接地平面406形成在非平面单极天线404与导管204之间的连接件处，并且因此，可以集成到传感器头202的连接器405中。如图所示，接地平面406可以配置成圆形形状的盘，但其他变体也是可能的。接地平面406可以由金属材料制成。在某些实施例中，还包括寄生元件408。寄生元件408可以配置成圆形形状的盘，并且类似但小于形成接地平面406的盘。如图所示，寄生元件408可以位于非平面单极天线404上，并且定位成朝向所述非平面单极天线404的近端。在优选实施例中，寄生元件408经过定位以便维持在所述寄生元件与接地平面406之间的较窄轴向偏移，如图所示，其中寄生元件408定位成比接地平面406更为接近非平面单极天线404的远端。接地平面406和寄生元件408的盘可以对齐，这样，所述接地平面和寄生元件就大体平行。

图7和图8示出根据本发明的另一方面的具有替代非平面的天线404的传感器头202。在此情况下，传感器头202包括连接器405，所述连接器将传感器头202连接到导管204。非平面的天线404包括轴向延伸的接地平面412，并且轴向远离所述接地平面412的盘旋平面天线结构414。在优选实施例中，轴向延伸的接地平面412具有柱形形状，所述柱形形状与导管204轴向对齐。可以将轴向延伸的接地平面412描述成具有：近侧415，所述近侧是定位在连接器405或导管204的端接点上或附近的平整表面；以及远侧416，所述远侧是与所述近侧415相对的平整表面。轴向延伸的接地平面412从近侧415轴向向外延伸至其端接在远侧416上的位置处。通过从轴向延伸的接地平面412的平整远侧416跨轴向偏移或间隙定位，盘旋平面天线414可以经配置以使其平整盘形形状大致平行于所述轴向延伸的接地平面412的所述平整远侧416。

如图所示，轴向延伸的接地平面412可以具有大体上盘形的柱形形状，这个形状类似于关于图5和图6讨论的接地平面406，但在轴向尺寸在明显较厚。应了解，轴向延伸的接地平面412如能量带隙结构或频率选择表面那样运行，从而导致两层接地平面。确切地说，轴向延伸的接地平面412的近侧415可以包括固体金属接地平面，在本说明书中，所述固体金属接地平面被称为全接地417。不同于全接地平面，远侧表面416包括多个离散补片418，所述补片之间形成有间隙，从而共同形成不连续接地平面，在本说明书中，所述不连续表面被称为“补片接地419”。如图所示，每个补片418连接由过孔420连接到全接地417，所述过孔可以描述为形成在远侧416上的补片418与轴向延伸的接地平面412的近侧415上的全接地417之间的轴架状结构。补片418可以具有矩形形状，但应了解，所述补片的形状和大小可以进行更改，以便符合所需运行频率。

螺旋平面天线414由结构支撑，以使所述盘旋平面天线位维持处于从轴向延伸的接地平面412的远表面416轴向偏移的位置。应了解，补片418之间的距离、平面盘旋天线414以及电介质特性、轴向偏移距离、下层基底以及其他特性可以适当地调谐或优化以实现所需RF响应。然而，还应了解，补片接地419在全接地417与平面盘旋天线414之间形成（经由多个补片418/成对过孔420）以使传感器系统110具有某些天线性能优势，包括（但不限于）测量灵敏度增加。

图9提供具有替代非平面的天线424的传感器头202的透视图，所述替代非平面的天线可以用于上述传感器系统110，从而实现某些增强的性能。在此情况下，传感器头202包括连接器405，所述连接器将传感器头202连接到导管204、与关于图5和图6所述接地平面类似的接地平面406以及具有螺旋结构的非平面的天线404（以下称为“非平面螺旋天线404）。在优选实施例中，如图所示，非平面螺旋天线404包括轴向延伸远离连接器405的螺旋形状，在此情况下，所述连接器同样是在传感器头202与导管204之间的结点或连接点。就轮廓而言，非平面螺旋天线404可以具有圆形截面形状，在所述圆形截面形状内，具有柱形形状的基底424可以用来支撑所述非平面螺旋天线404的结构。如图所示，非平面螺旋天线404可以包括多个隔开的箍，就外貌而言，所述箍合起来可以描述为“弹簧状”。应了解，箍的数量、补片、金属宽度以及类似物是可以进行优化以满足具体应用的参数。

此外，在优选实施例中，非平面螺旋天线404可以从导管204径向偏移，如图9所示配置。如文所述，可以包括接地平面406。接地平面406的大小也是可以进行优化以获得合理的线性性能的另一参数。在非平面螺旋天线404从导管204径向偏移的情况下，应了解，接地平面406也可以径向偏移，以便所述接地平面径向对齐所述非平面螺旋天线404。如图所示，接地平面406可以包括较薄盘状结构，所述较薄盘状结构的径向轮廓在直径上类似于非平面螺旋天线404的径向轮廓。

图10提供具有替代非平面的天线404的另一示例性传感器头202的透视图，所述替代非平面的天线同样可以有效用于上述传感器系统110。在此情况下，传感器头202可以配置成与图5和图6所示实施例类似，但并非包括非平面单极天线，而是多个单极天线组合在一起，从而形成在本说明书中称为“非平面多极天线404”的配置。确切地说，图10的实施例包括连接器405，所述连接器同样具有将传感器头202连接到导管204、可与上文关于图5和图6所述的接地平面类似的接地平面406、单极结构或将所述接地平面406连接到寄生元件408的桥436的装置。寄生元件408可以具有盘形配置，而且布置成平行于接地平面406并从所述接地平面轴向偏移，如图所示。就此而言，图10的示例性实施例偏离针对图5和图6描述的单极实施例。也就是说，替代仅一个极天线，图10的实施例具有从寄生元件408的远侧延伸的多极天线。确切地说，非平面多极天线404包括各自从寄生元件408的远侧轴向延伸的多个笔直柱形极，其中每个笔直柱形极类似于之前描述的单极天线。在所示优选实施例中，非平面多极天线404包括5极天线，所述5极天线布置有中间极和四个周围极，所述周围极围绕所述中间极隔开。如图所示，所述极可以具有类似长度并且大体平行于彼此。应了解，这些特性可以修改，以便适于特定应用。已发现，若干单极组合在一起以形成多极天线404允许在回波损耗改变上实现更大范围的线性和动态响应。而且，尽管设计示出相邻盖罩元件之间存在强力连接，但获得的较大线性范围是在产生较高回波损耗时所处的频率以下。

应了解，上文关于图5至图10所述类型的非平面的天线可以方便地配置或调谐成在较大所需共振范围上运行，并且在上述类型的传感器系统（即射频传感器装置）中，可以有效地用于检测接近度或在物体附近的改变。此外，如所述领域的普通技术人员应了解，由于所述天线的大小按比例缩小，因此，平面天线难以通过传统的蚀刻技术制造，所述平面天线的实例根据图3和图4进行描述。也就是说，当前技术限制了平面天线的必要特征可以构造成多小，因此，限制此类天线可以制造成多小。尽管可以对模型进行掺杂，但这种工艺成本较高而且速度较慢。然而，已发现，非平面的天线制造成本较低，但同样产生较长电气长度。较长电气长度使得天线共振降低，从而简化用于驱动系统的RF部件。降低共振频率也增加测量范围，因为所述测量范围典型地是共振频率的波长。也就是说，使用非平面的天线提供某些技术优势，其中包括能够实现较低共振频率以允许使用较低成本的系统部件、能够构造具有较薄轮廓的探针，以及测量范围与平面天线结构的测量范围相比得到扩展。

在运行过程中，本发明的传感器头的非平面的天线通过等于或几乎等于天线共振频率的电气无线信号激发，所述非平面的天线例如可以是单极天线、带有平面盘旋天线的径向延伸的接地平面、非平面螺旋天线、多极天线或类似非平面的天线。也就是说，传感器系统通过无线信号激活相应非平面的天线。当物体如机器部件定位在形成的电磁场内时，负载因所述场受到干扰而感应到非平面的天线上。传感器系统基于感应到非平面的天线上的负载来计算物体与所述天线的接近度。与许多已知的平面天线相反，在本说明书中描述的非平面的天线使得增加的能量能够朝物体发射。因此，非平面的天线方便提供稳定的电磁场以用于测量物体与所述天线之间的接近度，同时也提供已讨论的其他优势。

在一些实施例中，非平面的天线结构可以填充有电介质，以便帮助调谐共振频率和电磁场型。此外，多次共振可以设计用于非平面的天线，以便抵消噪音或源自温度和湿度的影响。如上所述，天线结构可以通过接地平面支撑，但一些天线结构也可以用于一种调谐空腔方法。

上述实施例提供一种高效并且具有成本效益的传感器系统，以便用于测量机械部件的接近度。上文详细描述了传感器系统和非平面的天线的各项示例性实施例。所述传感系统和非平面的天线并不限于在本说明书中描述的具体实施例，相反，所述传感器系统的部件和/或非平面的天线可以独立于在本说明书中描述的其他部件和/或步骤单独地并分开地使用。例如，所述非平面的天线还可以与其他测量系统和方法组合使用，并且并不限于仅通过在本说明书中描述的传感器系统或动力系统进行实践。相反，各项示例性实施例可以结合许多其他测量和/或监控应用来实施并使用。

尽管本发明的各项实施例的具体特征可以在一些附图中示出，而不在其他附图中示出，但这仅是为了方便起见。根据本发明的原则，附图的任何特征可以组合任何其他任何附图的任何特征来参照和/或提出权利主张。

本说明书使用各个实例来公开本发明，其中包括最佳模式，并且还使得所属领域的任何技术人员能够实践本发明，其中包括制造并使用任何装置或系统，并且执行任何所涵盖的方法。本发明的专利保护范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果这些其他实例具有的结构元素与权利要求书的字面意义相同，或如果这些其他实例包括的等效结构元素与权利要求书的字面意义并无实质差别，那么这些其他实例预期也在权利要求书的范围内。

Claims (22)

1.一种传感器头，所述传感器头配置用于射频传感装置，所述传感器头包括非平面的天线。

2.如权利要求1所述的传感器头，进一步包括连接装置，所述连接装置用于将所述传感器头连接到数据导管；

其中所述非平面的天线配置成具有在射频频谱内的预定共振频率。

3.如权利要求2所述的传感器头，进一步包括接地平面；

其中所述连接装置包括连接器，所述连接器配置用于将所述非平面的天线电气连接到所述数据导管；以及

其中所述非平面的天线包括从所述连接器轴向延伸有效距离的天线。

4.如权利要求2所述的传感器头，其中所述非平面的天线包括轴向延伸超过所述数据导管的端接点的非平面的天线。

5.如权利要求2所述的传感器头，其中所述非平面的天线包括单极天线。

6.如权利要求5所述的传感器头，其中所述单极天线包括极结构，所述极结构沿着大体线性的路径从所述连接器轴向延伸。

7.如权利要求6所述的传感器头，其中所述单极天线包括：近端，所述近端邻近所述连接器；以及远端，所述远端与所述近端相对；

其中接地平面设置在所述单极天线的所述近端上。

8.如权利要求7所述的传感器头，其中所述接地平面包括圆形盘，所述圆形盘与所述单极天线径向对准；

进一步包括寄生元件；所述寄生元件包括圆形盘，所述圆形盘小于所述接地平面的所述圆形盘；

其中所述寄生元件与所述单极天线和所述接地平面径向对准；以及

其中所述寄生元件从所述接地平面朝所述单极天线的所述远端轴向偏移较短的距离。

9.如权利要求2所述的传感器头，其中所述非平面的天线包括轴向延伸的接地平面和盘旋平面天线，所述盘旋平面天线从所述轴向延伸的接地平面的远表面轴向偏移预定距离。

10.如权利要求9所述的传感器头，其中：

所述轴向延伸的接地平面包括柱形形状，所述柱形形状与所述导管径向对准；

所述轴向延伸的接地平面包括：近侧，所述近侧是设置在所述连接器附近的平整表面；以及远侧，所述远侧是与所述柱形形状上的所述近侧相对的平整表面；以及

所述轴向延伸的接地平面从所述近侧轴向向外延伸到其端接在所述远侧上的位置。

11.如权利要求10所述的传感器头，其中：

所述盘旋平面天线包括平整盘形形状，所述平整盘形形状具有一对离散的盘旋臂；

所述盘旋平面天线布置成大致平行于所述轴向延伸的接地平面的所述远侧；以及

所述轴向延伸的接地平面配置成能量带隙结构。

12.如权利要求10所述的传感器头，其中所述轴向延伸的接地平面包括设置在所述近侧的连续接地平面，以及设置在所述远侧的不连续接地平面；

其中所述连续接地平面包括金属片，所述金属片大体覆盖所述轴向延伸的接地平面的所述近侧全部；

其中所述不连续接地平面包括多个离散的补片，所述补片收纳在所述远侧的所述平面内，并且具有间隙，以使每个补片与每个所述其它部件分开；以及

其中所述多个补片中的每个补片通过在所述连续接地平面与所述补片之间轴向延伸的过孔来连接到所述连续接地平面。

13.如权利要求2所述的传感器头，其中所述非平面的天线包括螺旋天线。

14.如权利要求13所述的传感器头，其中所述螺旋天线包括螺旋形状，所述螺旋形状从所述连接器轴向延伸。

15.如权利要求14所述的传感器头，其中所述螺旋天线包括大致圆形的截面形状和预定数量的箍，所述箍具有对应于所需共振频率的预定节距。

16.如权利要求14所述的传感器头，其中所述螺旋天线从所述导管径向偏移；

进一步包括接地平面，所述接地平面从所述导管径向偏移，以便所述接地平面与所述螺旋天线对准。

17.如权利要求2所述的传感器头，其中所述非平面的天线包括多极天线，所述多极天线包括多个极天线。

18.如权利要求17所述的传感器头，其中所述接地平面设置在所述连接器附近；

进一步包括寄生元件，其中所述寄生元件通过支撑结构从所述接地平面轴向向外偏移较短的距离；

其中所述多个极天线中的每个极天线从所述寄生元件的远侧轴向向外延伸。

19.如权利要求18所述的传感器头，其中所述多个极天线包括三个以上的极，所述极布置成中间极和围绕所述中间极隔开的周围极；

其中所述多个极天线中的每个极天线具有大致相同的长度，并且大体彼此平行。

20.一种用于感测部件的射频传感装置，所述传感装置包括：

传感器头，所述传感器头包括非平面的天线，所述非平面的天线从无线电信号生成电磁场，其中在所述部件与所述电磁场相互作用时，所述非平面的天线上将感应负载；

数据导管，所述数据导管连接到所述传感器头，其中表示所述负载的至少一个负载信号从所述非平面的天线反射在所述数据导管内；

以及信号处理装置，所述信号处理装置配置用于接收所述至少一个负载信号，并且生成电力输出，以便用于监控所述部件。

21.根据权利要求20所述的射频传感装置，其中所述信号处理装置经进一步配置用于基于所述负载信号测量所述部件到所述非平面的天线的接近度；以及

其中所述电力输出与所述部件的接近度测量结果大体成比例。

22.根据权利要求21所述的射频传感装置，其中所述非平面的天线包括在射频频谱内的共振频率；以及

其中所述无线信号大体等于所述非平面的天线的所述共振频率。

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