CN107024418A - 静电颗粒传感器 - Google Patents

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A.S.克西
P.T.史密斯
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J.R.内尔
G.格里芬
J.D.布朗
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Abstract

本公开涉及一种集成多芯片模块(MCM)传感器组件，其具有至少一个静电传感器和电路板。静电传感器包括具有构造在其中的电极和放大器的外壳体。电极包括由预定长度分开的第一端部和第二端部。第二端部包括与外壳体的边缘大致齐平的感测面。此外，电极包含多个电子，其构造成通过朝第二端部或远离第二端部移动而响应于流过感测面的一个或更多个带电颗粒。因此，放大器电耦合于电极，以便检测随电子移动变化的流过感测面的颗粒水平。此外，电路板构造在外壳体内并且电耦合于传感器。

Description

静电颗粒传感器
相关申请的交叉引用
本申请为2016年1月27日提交的U.S.申请No.15/007,282的部分继续申请并且要求其权益，并且为2016年1月27日提交的U.S.申请No.15/007,289的部分继续申请并且要求其权益。这些申请通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
本主题大体上涉及颗粒传感器，并且更具体而言，涉及静电灰尘传感器。
背景技术
许多类型的发动机通常需要清洁空气的大量供应，以确保最大发动机性能和发动机寿命并且减少维护要求。空气清洁系统开发用于一些类型的发动机，其将除去吸入到进气系统中的99％的微粒物质。此类高效率空气清洁系统为多级单元，其包括阻挡类型空气过滤器。然而，空气清洁系统中的简单灰尘泄漏(由例如空气过滤器中的一个的意外穿孔引起)可否定系统的效力。此外，关于过多灰尘的空气的问题可在其它类型的应用中遇到，其中不可采用阻挡过滤器，如燃气涡轮发动机。
典型燃气涡轮发动机大体上包括按串流顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段以及排气区段。在操作中，空气进入压缩机区段的入口，其中一个或更多个轴向或离心压缩机逐渐地压缩空气直到其到达燃烧区段。燃料与压缩的空气混合并且在燃烧区段内焚烧，以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段发送穿过限定在涡轮区段内的热气体路径，并且接着经由排气区段从涡轮区段排出。
此类燃气涡轮发动机通常在飞行器中采用。在飞行器的操作期间，发动机环境微粒和灰尘摄入水平为针对分析过程的关键输入，导致特定的逐个发动机动作。当前环境灰尘/微粒水平数据由与飞行器分离的陆基和遥感系统提供。此类数据具有暂时和特殊变化以及误差，由此使在飞行器的起飞和上升时的发动机条件的准确评估特别困难。在另一方面，如果传感器安装在发动机上，则此类传感器系统的电子设备典型地经由多个长线缆和连接器连接于独立传感器。在该情况下，布线的任何运动或振动可产生比经过感测面的灰尘颗粒更多的信号，由此导致差信噪比。这些乱真信号由于线缆和连接器的摩擦电和压电效应而产生。
因此，本公开涉及解决前面提到的问题的改进的传感器系统。更具体而言，本公开涉及传感器组件，该传感器组件包括具有集成电子设备和/或较短线缆连接的一个或更多个改进的静电传感器，其更准确地检测灰尘颗粒和/或微粒。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本发明的实践学习。
在一个方面中，本公开涉及一种集成传感器组件，其具有电耦合于电路板的至少一个静电传感器。静电传感器包括容纳其中的电极和放大器的外壳体。电极包括由预定长度分开的第一端部和第二端部。第二端部包括与外壳体的边缘大致齐平的感测面。此外，在电极为导体时，其包含多个电子，其构造成通过朝第二端部或远离第二端部移动而响应于流过感测面的一个或更多个带电颗粒。因此，放大器电耦合于电极，以便检测随电子移动变化的流过感测面的颗粒水平。此外，电路板构造在外壳体内并且电耦合于传感器。
在另一方面中，本公开涉及一种多芯片模块(MCM)传感器组件。MCM传感器组件包括至少一个静电传感器。更具体而言，静电传感器可包括容纳电极和放大器的外壳体。电极包括第一端部和具有感测面的相对的第二端部。此外，电极包含多个电子，其构造成通过朝第二端部或远离第二端部移动而响应于流过感测面的一个或更多个带电颗粒。放大器电耦合于电极，以便检测随电子移动变化的流过感测面的颗粒水平。此外，电路板电耦合于传感器。应当理解的是，MCM传感器组件还可构造有如本文中描述的附加特征中的任一个。
在又一方面中，本公开涉及一种传感器组件，传感器组件包括至少一个静电传感器。更具体而言，静电传感器可包括外壳体，其容纳至少部分地构造在外壳体内的电极。电极包括由预定长度分开的第一端部和第二端部。第一端部装固在外壳体内，并且第二端部包括延伸超过外壳体的边缘的感测面。此外，电极包括多个电子，其构造成通过朝第二端部或远离第二端部移动而响应于流过感测面的一个或更多个带电颗粒。静电传感器还包括放大器，其构造在外壳体内并且电耦合于电极。此外，放大器构造成检测随电子移动变化的流过感测面的颗粒水平。此外，静电传感器包括电路板，其经由线缆电耦合于传感器。应当理解的是，传感器组件还可构造有如本文中描述的附加特征中的任一个。
技术方案1. 一种集成传感器组件，其包括：
至少一个静电传感器，其包括：
外壳体，
电极，其构造在所述外壳体内，所述电极包括由预定长度分开的第一端部和第二端部，所述第二端部包括与所述外壳体的边缘大致齐平的感测面，所述电极包括多个电子，其构造成通过朝所述第二端部或远离所述第二端部移动而响应于流过所述感测面的一个或更多个带电颗粒，以及
放大器，其构造在所述外壳体内并且电耦合于所述电极，所述放大器构造成检测随电子移动变化的流过所述感测面的颗粒水平；以及
电路板，其构造在所述外壳体内并且电耦合于所述传感器。
技术方案2. 根据技术方案1所述的传感器组件，其特征在于，所述电极的所述感测面包括包含预定半径的弯曲表面。
技术方案3. 根据技术方案1所述的传感器组件，其特征在于，所述放大器包括宽带绝缘体上硅(SOI)操作放大器。
技术方案4. 根据技术方案1所述的传感器组件，其特征在于，所述放大器包括从大约1毫微微安培到大约5毫微微安培的泄漏电流，并且其中所述电极包括大于大约1G-Ohm的阻抗。
技术方案5. 根据技术方案1所述的传感器组件，其特征在于，所述放大器包括从大约-55摄氏度(℃)到大约250℃的操作温度范围。
技术方案6. 根据技术方案1所述的传感器组件，所述传感器组件还包括控制器，其构造成从所述电路板接收指示所述颗粒水平的一个或更多个信号。
技术方案7. 根据技术方案1所述的传感器组件，其特征在于，所述静电传感器还包括构造在所述外壳体内的一个或更多个绝缘体。
技术方案8. 根据技术方案1所述的传感器组件，其特征在于，所述静电传感器的所述外壳体包括预定形状，其构造成配合在发动机的一个或更多个现有位置。
技术方案9. 根据技术方案8所述的传感器组件，其特征在于，所述发动机的所述一个或更多个现有位置包括所述发动机的管道镜端口、压缩机入口、压缩机放出管、增压器入口，或涡轮或后焚烧器出口中的至少一个。
技术方案10. 根据技术方案1所述的传感器组件，其特征在于，所述静电传感器构造成检测流体介质内的灰尘、碎片、冰、砂、火山灰，或空气中的微粒中的至少一个，所述流体介质包括空气、水、油或燃料中的至少一个。
技术方案11. 一种集成多芯片模块(MCM)传感器组件，其包括：
至少一个静电传感器，其包括：
外壳体，
电极，其构造在所述外壳体内，所述电极包括第一端部和具有感测面的相对的第二端部，所述电极包括多个电子，其构造成通过朝所述第二端部或远离所述第二端部移动而响应于流过所述感测面的一个或更多个带电颗粒，以及
放大器，其构造在所述外壳体内并且电耦合于所述电极，所述放大器构造成检测随电子移动变化的流过所述感测面的颗粒水平；以及
电路板，其电耦合于所述传感器。
技术方案12. 一种传感器组件，其包括：
至少一个静电传感器，其包括：
外壳体，
电极，其至少部分地构造在所述外壳体内，所述电极包括由预定长度分开的第一端部和第二端部，所述第一端部装固在所述外壳体内，所述第二端部包括延伸超过所述外壳体的边缘的感测面，所述电极包括多个电子，其构造成通过朝所述第二端部或远离所述第二端部移动而响应于流过所述感测面的一个或更多个带电颗粒，以及
放大器，其构造在所述外壳体内并且电耦合于所述电极，所述放大器构造成检测随电子移动变化的流过所述感测面的颗粒水平；以及
电路板，其经由线缆电耦合于所述传感器。
技术方案13. 根据技术方案12所述的传感器组件，其特征在于，所述电极的所述第二端部包括包含预定半径的弯曲表面。
技术方案14. 根据技术方案13所述的传感器组件，其特征在于，所述弯曲表面包括一个或更多个突起。
技术方案15. 根据技术方案12所述的传感器组件，其特征在于，所述放大器包括宽带绝缘体上硅(SOI)操作放大器，所述放大器包括从大约1毫微微安培到大约5毫微微安培的泄漏电流。
技术方案16. 根据技术方案12所述的传感器组件，其特征在于，所述电极包括大于大约1G-Ohm的阻抗，所述放大器包括从大约-55摄氏度(℃)到大约250℃的操作温度范围，并且所述感测面包括从大约-55摄氏度(℃)到大约550℃的操作温度范围。
技术方案17. 根据技术方案12所述的传感器组件，其特征在于，所述静电传感器还包括构造在所述外壳体内的一个或更多个绝缘体。
技术方案18. 根据技术方案17所述的传感器组件，其特征在于，所述静电传感器还包括一个或更多个机械紧固件，其在所述外壳体内构造在所述一个或更多个绝缘体与所述线缆之间。
技术方案19. 根据技术方案18所述的传感器组件，其特征在于，所述一个或更多个机械紧固件包括平垫圈，斜面垫圈，螺母，螺钉或螺纹中的至少一个。
技术方案20. 根据技术方案12所述的传感器组件，其特征在于，所述静电传感器构造成检测流体介质内的灰尘、碎片、冰、砂、火山灰，或空气中的微粒中的至少一个，所述流体介质包括空气、水、油或燃料中的至少一个。
本发明的这些及其它的特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
包括针对本领域技术人员的其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照附图的说明书中阐述，在该附图中：
图1示出根据本公开的MCM传感器组件的一个实施例的透视图，特别地示出具有构造在其中的集成电子设备的其静电传感器；
图2示出图1的静电传感器的截面图；
图3示出图1的静电传感器的俯视图；
图4示出根据本公开的MCM传感器组件的另一实施例的透视图，特别地示出经由线缆耦合于电子设备壳体的其静电传感器；
图5示出图4的MCM传感器组件的静电传感器的一个实施例的详细透视图；
图6示出图5的MCM传感器组件的静电传感器的截面图；
图7示出图6的MCM传感器组件的静电传感器的详细截面图；
图8示出图4的MCM传感器组件的电子设备壳体的正视图；
图9示出图4的MCM传感器组件的电子设备壳体的侧视透视图；
图10示出根据本公开的MCM传感器组件的电路拓扑的一个实施例的示意图；
图11示出根据本公开的燃气涡轮发动机的一个实施例的示意性截面图；
图12示出图11的燃气涡轮发动机的简化示意图，特别地示出用于根据本公开的MCM传感器组件的一个实施例的传感器位置；
图13示出图11的燃气涡轮发动机的透视图，特别地示出用于根据本公开的MCM传感器组件的另一实施例的附加传感器位置；
图14示出根据本公开的MCM传感器组件的一个实施例的截面透视图，特别地示出安装在燃气涡轮发动机的压缩机放出管上的传感器组件；
图15示出根据本公开的可包括在发动机的控制器中的适合构件的一个实施例的框图；以及
图16示出根据本公开的用于检测发动机中的颗粒的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释本发明提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。
如本文中使用的，用语"第一"、"第二"和"第三"可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，并且不旨在表示独立构件的位置或重要性。
用语"上游"和"下游"是指相对于流体通道中的流体流的相对方向。例如，"上游"是指流体流自的方向，而"下游"是指流体流至的方向。
大体上，本公开涉及具有电耦合于电路板的至少一个静电传感器的传感器组件。在某些实施例中，传感器组件设计为随应用环境的温度变化。例如，在一个实施例中，静电传感器的位置可足够冷，使得传感器电路可利用电路板上的低温分立电子零件来实施。作为备选，在另外的实施例(其中温度为更高的)中，传感器组件可包括集成MCM传感器组件。就此而言，本公开的MCM传感器组件可用于多个应用中，如飞行器燃气涡轮动机，以及任何其它适合的发动机类型。例如，应当理解的是，MCM传感器组件和相关方法还适合于任何其它类型的发动机，其包括但不限于工业发动机、发电发动机、陆基发动机、船用发动机，或类似物。更具体而言，静电传感器包括外壳体，其容纳至少部分地构造在其中的电极和放大器。此外，电极包括由预定长度分开的第一端部和第二端部。第一端部可装固在外壳体内，然而第二端部可包括与外壳体的边缘齐平或者可在外壳体的边缘内或经过其延伸的感测面。此外，在电极为导体时，其包含多个电子，该多个电子构造成通过朝第二端部或远离第二端部移动而响应于流过感测面的一个或更多个带电颗粒。因此，放大器电耦合于电极，以便检测随电子移动变化的流过感测面的颗粒水平。此外，电路板通过收纳在外壳体内或经由缩短线缆连接于传感器来电耦合于传感器。
因此，传感器和电子构造的外壳体最小化传感器输入与电极之间的距离，由此增加传感器的灵敏度。就此而言，本公开提供不存在于现有技术中的各种优点。例如，本公开的静电传感器提供更准确的颗粒检测，其为稳健且可靠的。此外，由于电子设备集成在传感器内或者紧密地耦合于传感器，故本设计相比于现有技术设计需要更少的维护并且遭受更少的操作问题。此外，放大器低泄漏电流便于放大器的直流(DC)耦合，这允许待捕获的颗粒水平的低频变化。此外，电极的高输入阻抗将传感器的灵敏度提高至感测面中的电荷的小变化。此外，电极的高输入阻抗还通过防止由感测的颗粒引起的电极内的电荷再分布泄漏掉使得不可产生输出信号而改进传感器的低频响应。因此，本公开的静电传感器能够从七(7)百万质量份颗粒中的大约一(1)份检测。就此而言，本公开的静电传感器构造成检测流体介质(如空气、水、油、燃料和/或类似物)内的灰尘、碎片、空气中的微粒、冰(即，非常精细的冰晶体)、砂、火山灰和/或任何其它颗粒。此外，静电传感器在位于发动机排气喷嘴中时还可检测来自导致碎片的释放的内部发动机零件的摩擦和/或发动机零件的退化的内部生成的颗粒。例如，此类检测通过感测在颗粒穿过发动机时的关于颗粒的“自然电荷”累积来完成。因此，集成电子设备/集成线缆连接将传感器灵敏度增加至相比于现有技术的颗粒的非常小的“自然电荷”。
现在参照附图，图1-9和图13-14示出根据本公开的MCM传感器组件10的各种实施例。如本文中使用的，MCM大体上是指电子组件(如具有一定数量的导体终端或“销”的组件)，其中多个集成电路(IC)、半导体管芯(die)，和/或其它分立管芯构件通常集成到一体化基底上，以使在使用中，将其视为如同其为单个部件。更具体而言，如图1-3中示出的，示出了集成MCM组件10的一个实施例。例如，图1示出集成MCM组件10的透视图；图2示出集成MCM组件10的截面图；并且图3示出集成MCM组件10的俯视图。图4-9示出MCM传感器组件10的另一实施例，其中电子设备经由缩短线缆25紧密地耦合在一起，但不集成。
特别是参照图1-3，集成MCM组件10包括具有外壳体14或壳的至少一个静电传感器12。更具体而言，如所示，外壳体14可包括基部或安装部分17，其构造用于将传感器12安装或以其它方式装固到期望位置中。例如，如图1和图3中示出的，传感器12的安装部分17可包括一个或更多个通孔19，其构造用于将(多个)静电传感器12安装在(多个)期望位置处。更具体而言，在某些实施例中，通孔19中的各个可构造成接收紧固件(例如，螺纹螺栓)，以便将传感器12装固在(多个)期望位置处。作为备选，(多个)静电传感器12可经由任何其它适合的方法(包括但不限于金属夹、夹具、焊接的镍铬合金箔、焊接或类似物)装固或安装。
此外，如所示，静电传感器12包含构造在外壳体14内的电极16。电极16包括由预定长度L分开的第一端部18和第二端部20。在某些实施例中，预定长度L可由发动机安装的几何约束设定。例如，在一个实施例中，预定长度L可为从大约一英寸到大约三英寸，以允许电子26在电极16中迁移，并且因此能够由放大器28(其在下面论述)检测。此外，如所示，电极16包括多个电子26，其构造成在带电颗粒流过感测面22(如由箭头30指示的)时移动。就此而言，预定长度L允许电子26朝感测面22和/或远离其容易地流动(取决于由此流动的颗粒的电荷)。此外，电极16的第一端部18大体上装固在外壳体14内，然而包括感测面22的第二端部20可与外壳体14的边缘24齐平。此外，如图1和图2中示出的，电极16的感测面22可包括具有预定半径的弯曲表面。
此外，如在示出的实施例中显示的，静电传感器12可包括构造在外壳体14内的至少一个放大器28，其电耦合于电极16。在此类实施例中，放大器28可具有从大约-55摄氏度(℃)到大约250℃，更优选从大约150℃到大约230℃的操作温度范围。更具体而言，放大器28可包括绝缘体上硅(SOI)操作放大器。例如，在某些实施例中，本公开的放大器28可包括由Plymouth, Minnesota, USA的Honeywell公司制造的宽带SOI操作放大器。此类放大器具有极其低泄漏电流，并且能够在高温度下操作。就此而言，本公开的放大器28构造成检测或测量随电子移动变化的经过感测面22的颗粒水平。
此外，MCM组件10可包括集成电路板32，其构造在外壳体14内并且例如经由放大器28电耦合于传感器12。更具体而言，如所示，电路板32可构造成邻近于电极16并且与感测面22相对。在附加的实施例中，电路板32可在传感器12的外壳体14内位于任何适合的位置处。此外，如本文中描述的电路板32可包括任何适合的电路板，其机械地支承并且电连接(多个)传感器12的外壳体14内的电子构件。更具体而言，本公开的某些电路板可包括传导轨道、焊盘，和/或由层压到非传导基底上的金属(如，铜)的薄片蚀刻的其它特征。此外，本公开的电路板32可为单面的、双面的，或多层的。因此，如本文中描述的电路板32可构造成将指示经过感测面22的颗粒水平的一个或更多个信号发送至控制器182，这在下面更详细地描述。
特别是参照图2，(多个)静电传感器12还可包括一个或更多个绝缘体或绝缘层34。例如，如所示，(多个)静电传感器12可包括构造在电极16与外壳体14之间的一个或更多个绝缘层34。此外，(多个)静电传感器12可包括在其安装部分17内的一个或更多个绝缘层34，以便使传感器构件与操作环境绝缘。还应当理解的是，任意数量的绝缘层可在传感器12内的任何适合的位置处采用。
现在参照图4-9，示出本公开的MCM传感器组件10的另一实施例。更具体而言，如图4中示出的，MCM组件10包括至少一个静电传感器12，其经由线缆25耦合于电子设备壳体15。此外，如图4-7中示出的，静电传感器12具有外壳体14或壳。更具体而言，如所示，外壳体14可包括安装部分17，其构造用于将传感器12安装或以其它方式装固到期望位置中。例如，如图5-7中示出的，传感器12的安装部分17可包括螺纹外表面或B螺母，其构造用于将(多个)静电传感器12装固或安装在期望位置。此外，如图5和图6中示出的，传感器12的外壳体14还可包括构造成有助于传感器组装和/或拆卸以及安装的一个或更多个扳紧平面21。此外，如图6中示出的，传感器12的各种构件可经由一个或更多个螺纹接头23容易地装固在一起。
此外，如图4-7中大体上示出的，静电传感器12具有电极16，其至少部分地构造在外壳体14内。更具体而言，如7中示出的，电极16包括由预定长度L分开的第一端部18和第二端部20。就此而言，电极16构造成用作“电子湖”，关于该“电子湖”，经过的带电颗粒基于它们的电荷使“湖中”的电子朝电极第二端部20或远离其移动。电极16内的电子分布的该转移由放大器28检测。此类特征因此构造成使传感器12的低频带宽在一(1)赫兹(Hz)以下延伸。更具体而言，第一端部18装固在外壳体14内，然而第二端部20包括感测面22，其延伸超过外壳体14的边缘24。例如，如所示，第一端部18经由至少一个紧固件(例如，螺母41)装固在外壳体14内。应当理解的是，电极16的第一端部18还可使用任何其它适合的手段装固。此外，如图6和图7中示出的，线缆25可延伸到传感器12中穿过开口腔45，并且经由紧固件36装固和/或电耦合于传感器12。更具体而言，线缆25的外护套可经由焊接的镍铬合金带接地(ground)至传感器12的本体，然而线缆25的内导体可经由紧固件36附接于传感器12。
此外，如图5-7中示出的，电极16的感测面22可包括具有预定半径的弯曲表面。在某些实施例中，引入预定半径，以增大感测面22的表面面积和/或以增大传感器增益。因此，在特定实施例中，半径可取决于传感器组件10将安装在其中的可用空间。在一个实施例中，例如，引入半径可为合乎需要的，该半径如果可能相比于平坦的感测面将感测面22的表面面积增大大约50％。此类传感器需要更多的安装体积，但是将能够检测较低浓度水平处的颗粒。
此外，如所示，感测面22的弯曲表面可具有雕刻轮廓，其具有一个或更多个突起38。例如，如所示，突起38对应于将感测面22的表面面积增大大约50％的弓形脊。在另外的实施例中，应当理解的是，弯曲表面和/或突起38可构造成将感测面22的表面面积增大小于50%或大于50%。就此而言，弯曲表面和/或突起38构造成最大化对传感器12的流动流呈现的面积，以便增加传感器12的灵敏度。应当理解的是，本文中描述的感测面22的突起38还可具有任何适合形状和/或大小，以便增加传感器12的灵敏度。
此外，如图6和图7中示出的，传感器12的电极16包括多个电子26，其构造成在带电颗粒流过感测面22时移动。因此，电子26构造成在带电灰尘颗粒流过感测面22时移动或流动。更具体而言，电子26基于经过的颗粒的电荷朝感测面22或远离感测面22在电极16内移动。
特别是参照图4和图8-9，MCM传感器组件10的电子设备壳体15与静电传感器12分离，但是仍经由线缆25紧密地耦合于其。更具体而言，在某些实施例中，线缆25长度可范围从大约10英寸到大约48英寸，更优选地从大约12英寸到大约24英寸。就此而言，即使当电子设备不集成在外壳体14内时，它们仍紧密地耦合于传感器构件，以便向传感器12提供增加的灵敏度。此外，线缆25可为任何适合的电线缆，其构造用于将传感器12电耦合于电子设备壳体15内的适合电子设备。例如，在某些实施例中，线缆25为同轴线缆。更具体而言，在某些实施例中，线缆25可包括集成的矿物绝缘硬线线缆。在此类实施例中，电子设备壳体15可定路线至远离传感器12的较冷位置，这将在下面更详细地论述。
此外，电子设备壳体15可具有任何适合形状。例如，如所示，电子设备壳体15具有大体圆柱形形状。此外，如所示，电子设备壳体15可由经由多个紧固件35装固在一起的两个半部33形成。就此而言，线缆25可通过将线缆25放置在半部33之间并且将半部33装固在一起来电耦合于电路板32。此外，如图8-9中示出的，电子设备壳体15还可包括销连接器37，其电耦合于电路板32，例如，与线缆连接相对。
特别是参照图4和图8-9，电子设备壳体15构造成收纳至少一个放大器28，其电耦合于电极16。由于图4-9的放大器28(和剩余电子设备)与传感器12分离，故MCM传感器组件10可具有比图1-3的集成传感器组件更高的操作温度范围，其从大约250摄氏度(℃)到大约550℃，更优选从大约370℃到大约538℃。此外，应当理解的是，放大器28可包括如本文中描述的放大器中的任一种，使得放大器28构造成检测或测量随电子移动变化的经过传感器12的感测面22的颗粒水平。此外，如所示，电子设备壳体15还收纳电路板32，其经由线缆25电耦合于传感器12。如提到的，如本文中描述的电路板32可包括任何适合的电路板，其机械地支承电子构件(如放大器28)并且将其电连接于(多个)传感器12。更具体而言，本公开的某些电路板可包括传导轨道、焊盘，和/或由层压到非传导基底上的金属(如，铜)的薄片蚀刻的其它特征。
本公开的放大器28极其灵敏并且能够更准确地检测颗粒水平。更具体而言，在某些实施例中，放大器28可包括从大约1毫微微安培到大约5毫微微安培，更优选大约3毫微微安培的泄漏电流。因此。低泄漏电流便于放大器28的DC耦合，这允许待捕获的颗粒水平的低频变化。此外，本公开的电极16可具有大于大约1G-Ohm(例如大约10 G-Ohm)的阻抗。就此而言，电极16的高输入阻抗构造成将传感器灵敏度提高至感测面22中的电荷的小变化。此外，高输入阻抗还构造成通过阻止感测的电荷泄漏掉使得不可产生输出电压而改进静电传感器12的低频响应。因此，本公开的(多个)静电传感器12能够从七(7)百万质量份颗粒中的大约一(1)份检测。
特别是参照图6和图7，(多个)静电传感器12还可包括一个或更多个绝缘体或绝缘层34。例如，如图6和图7中示出的，(多个)静电传感器12可包括电极16与外壳体14之间的陶瓷绝缘体34(如氧化铝)。还应当理解的是，任意数量的绝缘层可在传感器12内的任何适合的位置处采用。
此外，如所示，静电传感器12还可包括一个或更多个机械紧固件，其在陶瓷绝缘体34与线缆25之间构造在外壳体14内。(多个)机械紧固件可包括平垫圈，斜面垫圈，螺母，螺钉或螺纹。更具体而言，如图7中示出的，传感器12包括两个内平垫圈40，其具有构造在其间的内斜面垫圈42。此外，如所示，传感器12还包括两个外平垫圈，其具有构造在其间的外斜面垫圈46。就此而言，斜面垫圈42,46构造成用作传感器12内的弹簧，以当在高温下操作时，释放热应力和/或以允许传感器12的各种构件的膨胀。此外，内和外垫圈叠堆可经由间隙48与彼此分离或隔离，以允许在高温下移动而不使陶瓷绝缘体34开裂。类似地，另一间隙49可存在于陶瓷绝缘体34与电极16之间，以进一步释放其间的热应力。仍参照图7，如提到的，(多个)机械紧固件还可包括邻近于内垫圈40,42的螺母41，其构造用于将电极16装固在外壳体14内。
现在参照图10，示出了根据本公开的适合于静电传感器12的电路拓扑50的一个实施例的示意图。如所示，电路50从静电传感器12接收一个或更多个传感器输入。例如，传感器输入可从传感器12的电极16接收。输入接着传递至第一放大器52。更具体而言，传感器输入可首先穿过电阻器R1，以便防止和/或减少信号中的静电放电(ESD)。此外，如所示，大电阻电阻器R2(例如，大约10G-ohms)设在输入路径(指定为插脚1)上，以绕过放大器泄漏电流至地面。从插脚2，输入信号的副本传递至插脚1处的第二放大器54。如所示，信号行进穿过电阻器R3和R4，这设定信号的增益。R5将放大器54的插脚1的输入电容与输入信号隔离。电阻器中的至少一个(例如，R3)还可包括与其并联构造的电容器C1，以限制放大器52的带宽。电容器C2, C3, C4和C5用作用于放大器52和54的去耦电容器。电阻器R6和R7保护放大器输出免受ESD并且还将电路与长外部线缆隔离。第二放大器54的目的在于守护(guard)微小的传感器信号。例如，第二放大器54可构造有与至第一放大器52的输入相同的电压和幅度，但是提供低阻抗源电流。就此而言，如在插脚3处示出的，第二放大器54通过追踪传感器输入电压并且将外来电荷远离传感器输入转移来守护传感器信号。因此，本发明的放大器构造包括具有增益的电压跟随器，其由追踪传感器输入电压的第二放大器54守护，以便守护该传感器输入电压并且产生更好的信噪比。
本文中描述的静电传感器12可具有任何适合的应用。例如，在某些实施例中，本公开的静电传感器12可用于航空工业中，如飞行器燃气涡轮发动机以及任何其它适合发动机类型中。更具体而言，图11示出燃气涡轮发动机100(高旁通类型)的一个实施例的示意性截面图，其可受益于如本文中描述的静电传感器12。就此而言，燃气涡轮发动机100具有用于参考目的的穿过其的轴向纵向中心线轴线102。此外，如所示，燃气涡轮发动机100优选包括大体上由数字104标识的芯部燃气涡轮发动机区段，以及定位在其上游的风扇区段106。芯部发动机104典型地包括大体上管状的外壳108，其限定环形入口120。外壳108还包封和支承增压器122，增压器122用于将进入芯部发动机104的空气的压力提高至第一压力水平。高压、多级、轴流式的压缩机124从增压器122接收加压的空气，并且进一步增大空气的压力。压缩机124包括具有指引和压缩涡轮发动机100内的空气的功能的旋转叶片和静止导叶。加压的空气流动至燃烧器126，其中燃料喷射到加压的空气流中并且点燃，以升高加压的空气的温度和能量水平。高能燃烧产物从燃烧器126流动至第一(高压)涡轮128，用于通过第一(高压)驱动轴130驱动高压压缩机124，并且接着流动至第二(低压)涡轮132，用于通过与第一驱动轴130同轴的第二(低压)驱动轴134驱动增压器122和风扇区段106。在驱动涡轮128和132中的各个之后，燃烧产物通过排气喷嘴136离开芯部发动机104，以提供发动机100的喷射推进推力的至少一部分。
风扇区段106包括由环形风扇壳140包绕的可旋转的、轴流式的风扇转子138。将认识到的是，风扇壳140由多个大致径向延伸的、周向间隔的出口导叶142从芯部发动机104支承。以该方式，风扇壳体140包封风扇转子138和风扇转子叶片144。风扇壳体140的下游区段146在芯部发动机104的外部分之上延伸，以限定提供附加的喷射推进推力的第二或旁通气流导管148。
从流动角度来看，将认识到的是，由箭头150表示的初始气流通过入口152进入燃气涡轮发动机100至风扇壳140。气流穿过风扇叶片144，并且分成移动穿过导管148的第一空气流(由箭头154表示)以及进入增压器122的第二空气流(由箭头156表示)。
第二压缩气流156的压力增大并且进入高压压缩机124，如由箭头158表示的。在与燃料混合并且在燃烧器126中燃烧之后，燃烧产物160离开燃烧器126并且流动穿过第一涡轮128。燃烧产物160接着流动穿过第二涡轮132，并且离开排气喷嘴136，以提供用于燃气涡轮发动机110的推力的至少一部分。
仍参照图11，燃烧器126包括与纵向中心线轴线102同轴的环形燃烧室162，以及入口164和出口166。如以上提到的，燃烧器126从高压压缩机排放出口169接收环形的加压空气流。该压缩机排放空气的一部分流动到混合器(未示出)中。燃料从燃料喷嘴180喷射，以与空气混合并且形成燃料空气混合物，其提供至燃烧室162用于燃烧。燃料空气混合物的点燃由适合的点火器完成，并且导致的燃烧气体160沿轴向方向朝环形的第一级涡轮喷嘴172流动并且流动到其中。喷嘴172由包括多个径向延伸的、周向间隔的喷嘴导叶174的环形流动通道限定，多个径向延伸的、周向间隔的喷嘴导叶174使气体转向以使它们成角度地流动并且冲击第一涡轮128的第一级涡轮叶片。第一涡轮128优选经由第一驱动轴130旋转高压压缩机124，然而低压涡轮132优选经由第二驱动轴134驱动增压器122和风扇转子138。
燃烧室162收纳在发动机外壳108内，并且燃料由一个或更多个燃料喷嘴180供应到燃烧室162中。更具体而言，液体燃料输送穿过燃料喷嘴180的杆内的一个或更多个通路或导管。
在操作期间，灰尘和其它类型的颗粒可由燃气涡轮发动机100摄入，例如，从进入入口152的空气。灰尘和颗粒积聚为针对发动机分析的关键输入，因为这些水平在评估发动机服务时间、磨损和/或其它维护计划时为重要的。因此，如提到的，本公开的静电传感器12对于检测此类发动机100中的灰尘和/或碎片而言为特别有用的。就此而言，本公开的静电传感器12可位于燃气涡轮发动机100的任何适合位置处。例如，本公开的静电传感器12可位于发动机100的发动机的管道镜端口、压缩机入口167(图12)、压缩机放出管170(图13)、增压器入口165(图12)，或涡轮或后焚烧器出口内。更具体而言，静电传感器12能够检测非常精细的冰晶体，如可由在地球的赤道附近的高海拔处的客机遇到的。对于此类冰检测，传感器12可安装在增压器入口165或压缩机入口167处。此外，感测面22可利用不传导的环氧树脂涂层密封，以防止水或融化的冰使至传感器12的本体的电极16短路。
更具体而言，应当理解的是，本公开的静电传感器12可具有任何适合的形状，以与期望安装的位置对应。例如，在某些实施例中，静电传感器12可具有预定形状，其构造成配合在燃气涡轮发动机100的现有位置、孔，或入口中，使得感测面22与其内表面齐平。具体而言，如图1-3和图12中示出的，静电传感器12可具有大体上长方形或椭圆形形状。此类形状大体上对应于发动机100的现有入口位置，如但不限于压缩机入口167和/或增压器入口165。作为备选，如图4-7和图13-14中示出的，静电传感器12可具有大体上圆柱形形状，其对应于发动机100的压缩机放出管170的入口。此外，如具体在图14中示出的，传感器12可安装成邻近于压缩机放出管170，使得感测面22不穿透其中的流动路径或与其相交。
现在参照图12、图13以及图15，MCM传感器组件10还可通信地耦合于控制器182，其构造成接收由传感器12的电极16生成的传感器信号。更具体而言，如图15中示出的，示出了根据本公开的可包括在控制器182中的适合构件的一个实施例的框图。如所示，控制器182可包括一个或更多个(多个)处理器184和相关联的(多个)存储器装置184，它们构造成执行各种计算机实施的功能(例如，执行方法、步骤、计算等，并且储存如本文中公开的相关数据)。此外，控制器182还可包括通信模块188，以便于控制器182与(多个)静电传感器12之间的通信。此外，通信模块188可包括传感器接口190(例如，一个或更多个模数转换器)，以容许从(多个)传感器12传送的信号转换成可由(多个)处理器184理解和处理的信号。应当认识到的是，(多个)传感器12可使用任何适合的手段通信地耦合于通信模块188。例如，如图15中示出的，传感器12经由有线连接耦合于传感器接口190。然而，在其它实施例中，传感器12可经由无线连接(如，通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议)耦合于传感器接口190。就此而言，(多个)处理器184可构造成从传感器12接收一个或更多个信号。
如本文中使用的，用语“处理器”不仅是指在本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且是指控制器、微处理器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路，以及其它可编程电路。此外，(多个)存储器装置186可大体上包括(多个)存储器元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存)、云存储、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字碟(DVD)和/或其它适合的存储器元件。此类(多个)存储器装置186可大体上构造成储存适合的计算机可读指令，其在由(多个)处理器184实施时，将控制器182构造成执行燃气涡轮发动机10的各种功能。
现在参照图16，示出用于检测燃气涡轮发动机100(例如，飞行器发动机)中的颗粒的方法200的一个实施例的流程图。如在202处示出的，方法200包括在燃气涡轮发动机100中将如本文中描述的静电传感器12中的至少一个设在一个或更多个位置。此外，如在204处示出的，方法200包括将各个传感器12的感测面22在颗粒流动路径中布置在一个或更多个位置处。因此，如在206处示出的，方法200还包括经由各个传感器12的放大器28确定随电极16中的电子移动变化的燃气涡轮发动机100内的颗粒水平。如在208处示出的，方法200包括响应于检测带电颗粒，经由紧密地耦合于传感器12的电路板32生成指示颗粒水平的一个或更多个信号。
在一个实施例中，方法200还可包括经由静电传感器12中的各个的电路板32将(多个)信号发送至燃气涡轮发动机100的控制器182。就此而言，本文中描述的传感器12向用户提供实时的准确微粒水平数据。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种集成传感器组件，其包括：
至少一个静电传感器，其包括：
外壳体，
电极，其构造在所述外壳体内，所述电极包括由预定长度分开的第一端部和第二端部，所述第二端部包括与所述外壳体的边缘大致齐平的感测面，所述电极包括多个电子，其构造成通过朝所述第二端部或远离所述第二端部移动而响应于流过所述感测面的一个或更多个带电颗粒，以及
放大器，其构造在所述外壳体内并且电耦合于所述电极，所述放大器构造成检测随电子移动变化的流过所述感测面的颗粒水平；以及
电路板，其构造在所述外壳体内并且电耦合于所述传感器。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述电极的所述感测面包括包含预定半径的弯曲表面。
3.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述放大器包括宽带绝缘体上硅(SOI)操作放大器。
4.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述放大器包括从大约1毫微微安培到大约5毫微微安培的泄漏电流，并且其中所述电极包括大于大约1G-Ohm的阻抗。
5.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述放大器包括从大约-55摄氏度(℃)到大约250℃的操作温度范围。
6.根据权利要求1所述的传感器组件，所述传感器组件还包括控制器，其构造成从所述电路板接收指示所述颗粒水平的一个或更多个信号。
7.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述静电传感器还包括构造在所述外壳体内的一个或更多个绝缘体。
8.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述静电传感器的所述外壳体包括预定形状，其构造成配合在发动机的一个或更多个现有位置。
9.根据权利要求8所述的传感器组件，其特征在于，所述发动机的所述一个或更多个现有位置包括所述发动机的管道镜端口、压缩机入口、压缩机放出管、增压器入口，或涡轮或后焚烧器出口中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述静电传感器构造成检测流体介质内的灰尘、碎片、冰、砂、火山灰，或空气中的微粒中的至少一个，所述流体介质包括空气、水、油或燃料中的至少一个。
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