传感器信号处理系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月18日提交的美国临时申请号62/269315的优先权,并且涉及美国专利申请号14/421245(2015年2月12日提交)、14/866320(2015年9月25日提交)和14/869038(2015年9月29日提交),这些申请的整个公开通过引用结合于本文中。
技术领域
本文中描述的主题涉及使用由诸如交通工具上安置的传感器的传感器提供的过程信息(例如,数据)的系统和方法。
背景技术
各种系统能够包含用于监测系统的特性和/或系统的环境的传感器。例如,交通工具系统、固定功率系统等能够包含监测相同或不同特性的若干传感器。这些传感器能够监测系统的振动、温度、状态或诸如此类,以便跟踪系统的操作,识别不安全的状况,确定何时需要系统的维护或维修,或以便实现其它目的。由传感器提供的数据可用于一个或多个目的以控制操作和/或监测交通工具的健康。
发明内容
在一个实施例中,传感器组合件包含配置成生成指示在一个或多个方向上被提供功率的系统的感测的移动的移动信号的一个或多个加速计、配置成生成指示被提供功率的系统中感测的流体量的流体水平信号的流体水平传感器及配置成接收来自一个或多个加速计和流体水平传感器的移动信号和流体水平信号的一个或多个处理器。一个或多个处理器也配置成执行如下中的一个或多个:基于被提供功率的系统运行的速度而过滤至少一些移动信号,或计算移动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个中。组合件也包含配置成将移动信号、流体量、统计量度、FFT或DFT的一个或多个无线传递到远程位置的第一天线。
在一个实施例中,系统包含配置成生成指示交通工具的感测的振动的振动信号的传感器和一个或多个处理器,其配置成执行如下的一个或多个:基于交通工具的马达操作的速度而过滤至少一些振动信号,并且传递未过滤的振动信号到传感器外,或者计算振动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个,并且将统计量度、FFT或DFT的一个或多个传递到传感器外。
在一个实施例中,方法包含使用传感器生成指示交通工具的感测的振动的振动信号和执行如下一个或多个:基于交通工具的马达和轮子操作的速度而过滤至少一些振动信号,并且传递未过滤的振动信号到传感器外,或者计算振动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个,并且将统计量度、FFT或DFT的一个或多个传递到传感器外。
本发明提供一组技术方案,如下:
1. 一种传感器组合件,包括:
一个或多个加速计,配置成生成指示在一个或多个方向上被提供功率的系统的感测的移动的移动信号;
流体水平传感器,配置成生成指示所述被提供功率的系统中感测的流体量的流体水平信号;
一个或多个处理器,配置成接收来自所述一个或多个加速计和所述流体水平传感器的所述移动信号和所述流体水平信号,所述一个或多个处理器也配置成执行如下的一个或多个:基于所述被提供功率的系统操作的速度而过滤至少一些移动信号,或者计算所述移动信号的统计度量、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个;以及
第一天线,配置成将所述移动信号、所述流体量、所述统计度量、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个无线传递到远程位置。
2. 如技术方案1所述的传感器组合件,还包括在其中安置了所述一个或多个加速计、所述流体水平传感器、所述一个或多个处理器及所述第一天线的壳体。
3. 如技术方案1所述的传感器组合件,其中所述一个或多个处理器配置成通过具有对于所述被提供功率的系统的马达的更快速度而增大并且对于所述马达的更慢速度而减小的带宽的滤波器来过滤所述移动信号。
4. 如技术方案1所述的传感器组合件,其中所述一个或多个处理器配置成将所述移动信号的所述统计量度计算为在多个不同方向上所述被提供功率的系统的推进系统的移动的组合。
5. 如技术方案1所述的传感器组合件,其中所述一个或多个处理器配置成将所述统计量度计算为在某个采样期内在多个不同方向上所述推进系统的所述移动信号的均方根。
6. 如技术方案1所述的传感器组合件,其中所述第一天线配置成将所述移动信号、所述流体量、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个定期无线传递到所述远程位置,并且还包括配置成响应于接收来自外部装置的查询信号而将所述移动信号、所述流体量、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个无线传递到所述远程位置的第二天线。
7. 如技术方案6所述的传感器组合件,其中所述第一天线配置成通过第一通信链路传递所述移动信号、所述流体量、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个,并且所述第二天线配置成通过不同的第二通信链路传递所述移动信号、所述流体量、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个,其中所述第一通信链路与所述第二通信链路相比是更高功率和更长距离的通信链路。
8. 一种系统,包括:
传感器,配置成生成指示交通工具的感测的振动的振动信号;以及
一个或多个处理器,配置成执行如下的一个或多个:
基于所述交通工具的马达操作的速度而过滤至少一些所述振动信号,并且传递未过滤的所述振动信号到所述传感器外,或者
计算所述振动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个,并且将所述统计量度、所述FFT或DFT的一个或多个传递到所述传感器外。
9. 如技术方案8所述的系统,其中所述一个或多个处理器配置成通过具有对于所述马达的更快速度而增大并且对于所述马达的更慢速度而减小的带宽的滤波器来过滤所述至少一些振动信号。
10. 如技术方案8所述的系统,其中所述一个或多个处理器配置成将所述振动信号的所述统计量度计算为在多个不同方向上所述交通工具的推进系统的移动的组合。
11. 如技术方案8所述的系统,其中所述一个或多个处理器配置成将所述统计量度计算为在某个采样期内在多个不同方向上所述交通工具的所述推进系统的所述振动信号的均方根。
12. 如技术方案8所述的系统,其中所述一个或多个处理器配置成经由第一通信链路定期传递所述振动信号、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的一个或多个,并且响应于接收来自外部装置的查询信号而经由不同的第二通信链路传递所述振动信号、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个。
13. 如技术方案12所述的系统,其中所述第一无线通信链路与所述第二无线通信链路相比是更高功率和更长距离的通信链路。
14. 如技术方案8所述的系统,还包括:
收发器和第一天线,配置成在指定的频率,通过所述第一通信链路定期传递所述振动信号、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的一个或多个。
15. 一种方法,包括:
使用传感器,生成表示交通工具的感测的振动的振动信号;以及
执行如下的一个或多个:
过滤基于所述交通工具的马达和轮子操作的速度而感测的至少一些所述振动信号,并且传递未过滤的所述振动信号到所述传感器外;或者
计算所述振动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个,并且将所述统计量度、所述FFT或DFT的一个多个传递到所述传感器外。
16. 如技术方案15所述的方法,还包括响应于由所述振动信号表示的所述振动小于指定的非零阈值而中止过滤或计算的所述一个或多个。
17. 如技术方案15所述的方法,还包括基于所述振动信号而确定所述轮子旋转的所述速度。
18. 如技术方案15所述的方法,其中所述方法包含通过具有对于所述马达的更快速度而增大并且对于所述马达的更慢速度而减小的带宽的滤波器,过滤所述至少一些振动信号。
19. 如技术方案15所述的方法,其中所述方法包含将所述振动信号的所述统计量度计算为在多个不同方向上所述交通工具的推进系统的移动的组合。
20. 如技术方案15所述的方法,其中将所述统计量度计算为在某个采样期内在多个不同方向上所述交通工具的所述推进系统的所述振动信号的均方根。
本发明提供另一组技术方案,如下:
1. 一种传感器组合件,包括:
一个或多个加速计(116;412,414),配置成生成指示在一个或多个方向上被提供功率的系统(104)的感测的移动的移动信号;
流体水平传感器(116;404),配置成生成指示所述被提供功率的系统(104)中感测的流体量的流体水平信号;
一个或多个处理器(106;118),配置成接收来自所述一个或多个加速计(116;412,414)和所述流体水平传感器(116;404)的所述移动信号和所述流体水平信号,所述一个或多个处理器(106;118)也配置成执行如下的一个或多个:基于所述被提供功率的系统(104)操作的速度而过滤至少一些移动信号,或者计算所述移动信号的统计度量、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个;以及
第一天线(434;440),配置成将所述移动信号、所述流体量、所述统计度量、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个无线传递到远程位置。
2. 如技术方案1所述的传感器组合件,还包括在其中安置了所述一个或多个加速计(116;412,414)、所述流体水平传感器(116;404)、所述一个或多个处理器(106;118)及所述第一天线(434;440)的壳体(444)。
3. 如技术方案1所述的传感器组合件,其中所述一个或多个处理器(106;118)配置成通过具有对于所述被提供功率的系统(104)的马达(110)的更快速度而增大并且对于所述马达(110)的更慢速度而减小的带宽的滤波器来过滤所述移动信号。
4. 如技术方案1所述的传感器组合件,其中所述一个或多个处理器(106;118)配置成将所述移动信号的所述统计量度计算为在多个不同方向上所述被提供功率的系统(104)的推进系统(110)的移动的组合。
5. 如技术方案1所述的传感器组合件,其中所述一个或多个处理器(106;118)配置成将所述统计量度计算为在某个采样期内在多个不同方向上所述推进系统(110)的所述移动信号的均方根。
6. 如技术方案1所述的传感器组合件,其中所述第一天线(434;440)配置成将所述移动信号、所述流体量、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个定期无线传递到所述远程位置,并且还包括配置成响应于接收来自外部装置(442)的查询信号而将所述移动信号、所述流体量、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个无线传递到所述远程位置的第二天线(434;440)。
7. 如技术方案6所述的传感器组合件,其中所述第一天线(434;440)配置成通过第一通信链路传递所述移动信号、所述流体量、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个,并且所述第二天线(434;440)配置成通过不同的第二通信链路传递所述移动信号、所述流体量、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个,其中所述第一通信链路与所述第二通信链路相比是更高功率和更长距离的通信链路。
8. 一种系统,包括:
传感器(116;412,414),配置成生成指示交通工具的感测的振动的振动信号;以及
一个或多个处理器(106;118),配置成执行如下的一个或多个:
基于所述交通工具(104)的马达(110)操作的速度而过滤至少一些所述振动信号,并且传递未过滤的所述振动信号到所述传感器(116;412,414)外,或者
计算所述振动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个,并且将所述统计量度、所述FFT或DFT的一个或多个传递到所述传感器(116;412,414)外。
9. 如技术方案8所述的系统,其中所述一个或多个处理器(106;118)配置成通过具有对于所述马达的更快速度而增大并且对于所述马达(110)的更慢速度而减小的带宽的滤波器来过滤所述至少一些振动信号。
10. 如技术方案8所述的系统,其中所述一个或多个处理器(106;118)配置成将所述振动信号的所述统计量度计算为在多个不同方向上所述交通工具(104)的推进系统的移动的组合。
11. 如技术方案8所述的系统,其中所述一个或多个处理器(106;118)配置成将所述统计量度计算为在某个采样期内在多个不同方向上所述交通工具(104)的所述推进系统(110)的所述振动信号的均方根。
12. 如技术方案8所述的系统,其中所述一个或多个处理器(106;118)配置成经由第一通信链路定期传递所述振动信号、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的一个或多个,并且响应于接收来自外部装置(442)的查询信号而经由不同的第二通信链路传递所述振动信号、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的所述一个或多个。
13. 如技术方案8所述的系统,还包括:
收发器(430)和第一天线(434),配置成在指定的频率,通过所述第一通信链路定期传递所述振动信号、所述统计量度、所述FFT或所述DFT的一个或多个。
14. 一种方法,包括:
使用传感器(116;412,414),生成表示交通工具(104)的感测的振动的振动信号;以及
执行如下的一个或多个:
过滤基于所述交通工具(104)的马达(110)和轮子(112)操作的速度而感测的至少一些所述振动信号,并且传递未过滤的所述振动信号到所述传感器(116;412,414)外;或者
计算所述振动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个,并且将所述统计量度、所述FFT或DFT的一个多个传递到所述传感器(116;412,414)外。
15. 如技术方案14所述的方法,还包括响应于由所述振动信号表示的所述振动小于指定的非零阈值而中止过滤或计算的所述一个或多个。
附图说明
从参照附图阅读非限制性实施例的下面描述,将更好地理解本文中描述的本发明主题,其中下面:
图1图示根据一个实施例的交通工具系统上的传感器系统;
图2图示在图1中示出的交通工具中的推进系统的一个实施例;
图3图示根据一个实施例,在图1中示出的传感器的电路图;
图4图示根据一个示例的推进系统的频率特征;
图5图示用于感测、处理和/或传递表示被提供功率的系统的特性的数据的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面将详细参照本发明主题的示例实施例,其示例在附图中图示。在任何可能的情况下,在图形通篇中使用的相同的参考数字表示相同或相似的部分。虽然本发明主题的实施例相对于诸如列车、机车和其它轨道交通工具的交通工具系统描述,但本发明主题的实施例通常也适合与诸如非公路交通工具(例如,未设计成或不准许在公共道路上行驶的交通工具)、农用交通工具和/或运输交通工具(例如汽车,货车登)的交通工具一起使用,每个交通工具可包含交通工具编组。交通工具系统可由彼此进行通信以协调交通工具系统的行驶,但未彼此机械链接的两个或多个交通工具形成。例如,交通工具系统可包含两个或多个交通工具,其以无线方式彼此进行通信,使得不同交通工具可改变相应速度、牵引力、制动力及诸如此类,以促使单独的交通工具作为沿相同路线的队伍(convoy)或其它组一起行驶。可选地,本文中描述的系统和方法的一个或多个实施例可随诸如固定被提供功率系统的其它非交通工具系统一起使用。
图1图示根据一个实施例的交通工具系统102上的传感器系统100。图1中示出的交通工具系统102包含单个交通工具104,但可选地可表示一起沿路线行驶的两个或多个交通工具。交通工具可彼此机械耦合以作为交通工具编组一起行驶,或者可机械分离,但彼此进行通信以协调交通工具的移动,并且作为队伍一起沿路线行驶。交通工具能够表示推进生成交通工具,例如机车、汽车、海船或诸如此类。可选地,交通工具能够表示非推进生成交通工具,例如轨道车、挂车、驳船或诸如此类。
交通工具和/或传感器系统的组件可通过一个或多个有线和/或无线连接可操作地连接。交通工具包含控制系统106,其进行操作以控制交通工具和/或交通工具系统的操作。控制系统106能够包含或表示硬件电路系统,硬件电路系统包含一个或多个处理器(例如,微处理器、现场可编程门阵列、集成电路或其它基于电子逻辑的装置)和/或与其连接。控制系统106可接收来自诸如一个或多个油门、踏板、按钮、开关、麦克风、触摸屏、键盘或诸如此类的输入装置108的信号。交通工具的操作员可致动输入装置以经由控制系统控制交通工具的操作,例如移动。
响应于接收来自操作员的输入,控制系统可将信号传递到交通工具或交通工具系统的一个或多个组件以实现输入。例如,交通工具可包含具有牵引马达、齿轮箱、轮轴122、轮子112等的生成牵引力或扭矩以旋转交通工具的轮轴和轮子来推进交通工具系统的推进系统110。控制系统能够将信号传递到牵引马达以控制由牵引马达生成的扭矩、牵引马达操作的速度等,以控制交通工具或交通工具系统的轮轴和轮子的移动。在另一示例中,控制系统能够传递信号到制动器或其它组件以控制交通工具或交通工具系统的操作。
虽然图1中未示出,但交通工具能够包含提供输出到交通工具或交通工具系统的操作员,到位置外,或者到交通工具或交通工具系统的一个或多个其它组件的输出装置。输出装置能够表示显示器、触摸屏、扬声器、无线收发器等。输出装置能够接收来自控制系统的引导输出装置向操作员或其它位置呈现输出的信号。通信系统116表示与定位于交通工具外的一个或多个位置或系统传递数据信号的硬件电路系统。通信系统能够包含用于传递数据信号的收发电路系统,例如一个或多个天线114、路由器、调制解调器及诸如此类。
传感器系统包含若干传感器116。传感器能够表示监测交通工具系统的特性和/或交通工具系统周围的环境的多种装置。例如,传感器可包含温度传感器(例如,输出表示交通工具和/或环境的温度的数据的传感器,例如热箱检测器、红外拍摄装置等)、振动传感器(例如,输出表示在一个或多个方向的移动的数据的传感器,例如加速计)、压力传感器(例如,输出表示流体压力(例如在交通工具的轮胎中的空气压力、在齿轮箱和/或引擎中的油或其它润滑油的压力等) 的数据的传感器)、流体传感器(例如,输出表示油水平或其它流体水平或齿轮箱、引擎等中流体、油或其它润滑油有多少的数据的传感器)、定位传感器(例如,输出表示地理或其它位置的数据的传感器,例如全球定位系统接收器)、速度传感器(例如,输出表示交通工具移动有多快、轮子和/或轮轴旋转有多快等的数据的传感器)、声音传感器(例如,输出表示声音的数据的传感器,例如麦克风)、光学传感器(例如,输出表示图像和/或视频的数据的传感器,例如拍照装置、红外检测器)、电磁传感器(例如,使用电磁波获得和/或输出数据的传感器,例如射频标识查询器或标签)等等。虽然相同参考数字116用来识别传感器,但传感器116可表示不同类型的传感器。
传感器可与齿轮箱、牵引马达或诸如此类可操作地连接以监测流体水平。在一个实施例中,传感器可包含流体水平传感器,例如在美国专利申请号14/421245、14/866320或14/869038的一个或多个中描述的一个或多个油水平传感器。备选地,图1中示出的传感器可以是一个或多个其它类型的传感器,例如测量燃料罐中燃料量、冷却系统中冷却剂量等的传感器。传感器将表示由传感器监测的特性(例如,润滑剂的电容、润滑剂量、振动、交通工具的位置等)的数据传递到控制系统。控制系统可将数据用于如本文中描述的一个或多个目的。交通工具系统和/或传感器系统的组件可通过一个或多个传导通路(例如,电缆、导线、总线等)和/或无线连接来可操作地连接,以允许在组件之间的通信。
控制器118可选地可包含在传感器系统中。控制器能够表示硬件电路相同,其包含与传感器进行通信以接收来自传感器的数据的一个或多个处理器(例如,微处理器、现场可编程门阵列、集成电路或其它基于电子逻辑的装置)和/或与其连接。控制器可与传感器可操作地连接以作为用于传感器的网关操作,以便与控制系统传递感测的数据。控制器可将一些或所有数据传递到控制系统。如本文中所述由传感器提供或输出的数据或其它信号的处理可由控制器,由控制系统和/或控制器和/或控制系统的组合执行。在一个实施例中,控制器可在交通工具和/或交通工具系统外安置,以执行信号处理。
图2图示在图1中示出的交通工具104中的推进系统110中的一个的一个实施例。推进系统包含齿轮箱壳体200,在其中一个或多个齿轮202连接牵引马达204和轮轴122。轮轴122与在轮轴122的相对端上的轮子112连接,但图2中只示出单个轮子。壳体可保留诸如油的用于润滑使牵引马达和交通工具的轮轴互连的齿轮及诸如此类的润滑剂。润滑剂可安置在壳体的下部内,并且传感器116(图1中示出)可延伸到壳体中并且至少部分延伸到壳体内的润滑剂中。传感器能够测量润滑剂的一个或多个特性,如美国专利申请号14/421245、14/866320或14/869038的一个或多个中所述。另外地或备选地,相同或另一传感器可与推进系统连接以测量推进系统的振动、温度或其它特性。可选地,一个或多个传感器可在交通工具上安置,而不是与推进系统耦合。
交通工具上的一个或多个传感器可感测振动。例如,一个或多个传感器可包含在一个或多个方向上测量移动的加速计。此种传感器可安置在齿轮箱壳体、牵引马达或别处上以测量振动。振动可指示牵引马达运行的速度或扭矩(例如,其中振动的频域表示中的一个或多个谐波频率指示马达速度)、对推进系统的损坏(例如,其中在振动的频域表示中的一个或多个频率发生的峰值指示对马达的轴承、座圈等的损坏)或诸如此类。在一个示例中,传感器可包含在2015年12月18日提交并且题为"Vehicle Sensor Assembly AndMethod"的美国临时申请号62/269265中描述的一个或多个传感器组合件,该申请的整个公开通过引用结合于本文中。
可选地,交通工具上的一个或多个传感器可感测温度。例如,一个或多个传感器可包含测量齿轮、壳体、马达、轮轴等的温度的热耦合或其它温度敏感装置。此种传感器可安置在齿轮箱壳体、牵引马达或别处上以测量温度。温度可指示对推进系统的一个或多个组件的损坏。例如,轮轴的升高温度或与相同交通工具中的其它轮轴的温度偏离的一个轮轴的温度可指示该轮轴被损坏。
图3图示根据至少一个实施例,在图1中示出的至少一个传感器116的电路图。图3中示出的传感器表示在美国专利申请号14/421245、14/866320和/或14/869038中描述的一个或多个传感器。备选地,图3中的传感器可表示另一类型的传感器。传感器包含在其中安置多个电路板400、402的壳体444,其中组件与电路板连接。若干感测体(也称为传感器)404、412、414(例如,图3中的“油水平传感器”、“2g加速计”和“16g加速计”)表示对由传感器在监测或测量的一个或多个特性敏感的组件,例如配置成测量流体的电容以确定存在的流体有多少的电容元件、配置成测量移动的加速计、配置成测量温度的热耦合等。在图示的实施例中,传感器404是配置成测量油的电容以确定存在的油有多少的电容元件,并且传感器412、414是配置成在一个或多个不同方向上测量移动的加速计。
感测元件与对由感测元件进行的测量采样的一个或多个处理器406可操作地连接。感测元件可通过诸如导体(其具有在导体周围安置的介电和/或电磁屏蔽)的静态放电(ESD)保护装置408与处理器406连接。处理器与若干其它组件连接,组件包含其中能够至少存储采样的测量的计算机可读存储器410。微控制器416与处理器和存储器可操作地连接,以控制数据(例如,测量)到一个或多个其它组件的传送。诸如电池的交通工具上的功率源418能够供应电流,以便经由滤波器420(图3中的“滤波器电容组”)和控制来自功率源的电流传导的开关422(图3中的“电源切换状态指示符”)来向传感器的组件供电。
通信接口424、426表示在电路板之间允许在板之间传递数据的连接。通信接口能够表示传导总线、导线或诸如此类。连接器428(“编程连接器”)能够与一个或多个其它装置耦合,以便与图3中示出的传感器的组件进行通信。由传感器采样的数据能够经由一个或多个散开的通信路径传递到传感器外。一个路径将数据无线传递到控制器118,并且包含第一收发器430,例如2.45 GHz收发器或另一类型的收发器。第一收发器通过ESD保护装置432(图3中的“匹配网络ESD保护”)与诸如2.4 GHz接线天线或另一类型的天线的第一天线434可操作地连接。传感器116可使用天线434和收发器430,将感测的数据或特性无线传递到控制器118。在另一通信路径中,射频标识(RFID)应答器436(图3中的“IDS SL900 UHF RFID”)与通信接口426可操作地连接。另一ESD保护装置438可安置在应答器436与天线440(图3中的“915 MHz接线天线”)之间。应答器436与天线440可用来将由传感器116获得的数据或测量无线传递到诸如RFID阅读器的查询器装置442。备选地,天线440可以以另一方式无线传递数据和/或将数据传递到另一装置。
在一个实施例中,控制系统可使用由传感器测量的振动确定推进系统的健康或损坏状态,和/或预测推进系统何时将失效或要求维修或替换。这些传感器可包含或表示硬件电路相同,硬件电路相同包含一个或多个处理器(例如,微处理器、现场可编程门阵列、集成电路或其它基于电子逻辑的装置)和/或与其连接,处理器对测量的振动进行采样和处理用于从传感器到控制器和/或控制系统的传递。
推进系统包含保持啮合并且也可在操作期间振动的齿轮。啮合齿轮的振动可由传感器检测到并且作为推进系统的测量的振动传递到控制系统。为确定推进系统的健康或损坏(和/或预测推进系统的失效),控制器和/或控制系统可在执行振动的分析(例如,以确定推进系统的健康/损坏状态或预测其失效)前,从由传感器测量的振动中消除啮合齿轮的振动。
图4图示根据一个示例的推进系统的频率特征300。频率特征是如由一个或多个传感器测量的推进系统的振动的频域表示。在表示振动的频率的水平轴302和表示振动的量值的垂直轴304旁边示出频率特征。频率特征包含若干峰值306、308、310、312、314。峰值发生的频率可表示推进系统的操作和/或健康。例如,一个峰值可在指示推进系统的牵引马达操作的速度的频率发生,另一峰值可在指示对推进系统的座圈、轴承或诸如此类的损坏或推进系统的其它操作的频率发生。
在一个实施例中,一个或多个峰值可表示推进系统中啮合齿轮在振动的频率。例如,一个峰值可表示马达在操作的速度,但其它峰值可表示齿轮啮合的振动和/或对推进系统的损坏。为防止控制系统和/或控制器不正确地识别一个或多个齿轮啮合峰值指示推进系统的马达速度或健康/损坏状态,控制器和/或控制系统可接收来自一个或多个传感器,指示齿轮的移动和/或振动的移动信号和/或振动信号,从频率特征中过滤出表示齿轮的振动或移动的振动信号和/或移动信号的一个或多个部分。对于其中传动系展示指示轮子速度的振动谱的情况,用来确定轮子速度的另一方法是直接来自振动传感器本身,在齿轮啮合耦合到轮子速度时通常是这样的。例如,测量的振动的频域谱可包含一个或多个峰值。一个或多个峰值发生的一个或多个频率可表示轮子速度。更大的频率可表示更快的轮子速度,并且更小的频率可表示更慢的轮子速度。轮子速度可直接从由传感器检测到的一个或多个振动频谱确定。
啮合振动可包含与齿轮的齿彼此啮合的速率关联的基本分量。由于齿轮由马达旋转以旋转轮轴,因此,齿轮齿啮合的速率(例如,齿轮啮合速率)可与轮轴速度或轮轴旋转的速度成正比。在推进系统处于健康状态(例如,未损坏)和被损坏状态的情况下,齿轮啮合振动的量值可支配推进系统的其它振动的量值。使用固定带宽模拟或数字低通滤波器从用来确定推进系统的马达速度和/或健康/损坏状态的振动中抑制或消除指示啮合有关的振动的振动信号。但由于发生齿轮啮合振动的频率可变化(例如,通过改变马达速度),固定带宽滤波器可无意消除不表示齿轮啮合振动的频率和/或峰值。
在一个实施例中,传感器(例如,处理器406)、控制器和/或控制系统可接收由传感器测量的振动,并且应用速度比例带宽滤波到指示测量的振动的振动信号,以从振动信号中消除指示齿轮啮合的一些或所有振动信号。带宽滤波器可消除指示在滤波器的带宽或频率范围内出现的振动频率的所有振动信号,其随改变轮轴速度而变化。对于更快的轮轴速度,滤波器的带宽可增大,使得从测量的振动中消除指示更大范围的振动频率的更大范围的振动信号。对于更慢的轮轴速度,滤波器的带宽可减小,使得消除表示更小范围的振动频率的更小范围的振动信号。为滤波器编程所需要的轮轴速度信息能够无线提供到传感器、控制器和/或控制系统,和/或能够直接由传感器、控制器和/或控制系统测量(例如,通过识别振动的频率特征中最大的峰值,并且从那个峰值确定轮轴速度)。另外地或备选地,传感器、控制器和/或控制系统可应用可编程数字滤波器到振动信号以消除表示齿轮啮合振动的信号。这能够类似于使用上述速度比例带宽,其中一个不同之处是滤波器由数字信号处理器(DSP)或其它处理器实现以抑制一个或多个齿轮啮合频率。
另外地或备选地,传感器(例如,处理器406)可应用快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)到振动信号,并且将变换的振动信号传递到传感器外安置的一个或多个组件,例如控制器、控制系统、查询器装置442和/或交通工具和/或交通工具系统外安置的控制器。接收变换的振动信号的组件可提供有交通工具在移动的速度(例如,从表示转速计的一个或多个传感器或从另一源)。此速度能够用来例如通过检查变换的振动信号中的基本谐波频率的谐波频率来确定预期在何处找到齿轮啮合频率。谐波频率可表示齿轮啮合频率,而基本频率能够表示交通工具的速度。其它频率能够表示推进系统的健康/损坏。
一些传感器可包含对振动采样,但不能执行测量的振动的谱分析的处理器406。传感器中的处理器可由于传感器的较小形状因数、成本限制或诸如此类而缺乏用来执行振动信号的完全谱分析的能力。这些传感器可以以另一方式测量振动,例如通过测量采样的振动的均方值或均方根(RMS)。传感器能够测量和计算与多个不同轮轴关联的振动信号(例如指示沿三个正交轴(例如,沿x、y和z轴)测量的振动的信号)的RMS。传感器能够沿三个不同轴对振动进行采样,并且将指示沿三个不同通信信道的测量的振动的振动信号传递到一个或多个处理器。
传感器的加速计部分例如通过AC耦合可与一个或多个处理器电容性耦合(例如,经由电容耦合)。此耦合提供高通滤波到沿不同轴的采样的振动。在诸如200毫秒(或另一时间段)的指定的时间段内,可累积沿任何或所有不同轴的采样的振动。例如,可将在此时间段内沿任何轴采样的振动自乘(square),并且可平均在此时间段内采集的自乘样本的平均值。可在该时间段内计算自乘样本的平均值的平方根。自乘样本的平均值的平方根的值可用来表示由传感器在该时间段内测量的振动。在该时间段内计算单个振动值能够降低由传感器处理的数据或信息量,并且能够降低用来检查由传感器测量的振动需要的处理。
如上所述,传感器可使用诸如一个或多个电源的交通工具上功率源以向传感器的组件供电。由于电池是有限的能源,因此,传感器能够用来测量,处理,存储和/或传递累积的数据的能量能够受到限制。传感器可使用某个采样策略,其采用低工作周期用于测量特性。此种工作周期能够包含用于传感器的处理器和其它电子组件的支配睡眠模式,其中组件在大部分时间期间处于不活跃状态,但定期激活以记录特性(例如,温度和/或振动水平)。
由于由传感器收集的数据量和在检查数据以从数据中确定相关信息中涉及的处理复杂性,一些传感器可将数据传递出(off-board)到另一组件用于处理。数据的收集和数据的随后传递能够要求数秒的数据捕捉,后面有若干秒的数据传递。此过程能够显著影响传感器内电池的寿命。通过在传感器内本地处理数据(例如处理器406计算振动测量的RMS,确定振动测量的FFT或DFT或诸如此类),显著降低了传递时间。例如,不在更长时间段内传递大量的数据,而是能够在更短时间段内将更少量的被处理数据(例如,感测的数据的RMS值、FFT或DFT等)传递到传感器外。传递(以及向从传感器无线传递信息的组件供电的电池)所要求的时间可从若干秒缩短到不到一秒。这能够将电池的寿命延长数月到若干年或更长。
可选地,如果存在由一个或多个传感器测量的低水平的振动或无振动,则本文中描述的系统可中止或不开始指示由一个或多个传感器的测量的振动的振动或移动信号的处理。例如,如果传感器未测量到振动或测量到小于指定阈值(例如,先前测量的振动的小于5%,小于3%,小于1%或诸如此类)的振动,则系统可不检查或处理振动。这能够通过不处理表示很小(如果有)振动的数据来节省电池能量。
另外地或备选地,传感器可采用不同无线通信技术来传递数据,并且降低用来向传感器供电需要的功耗量(例如,相对于依赖单一类型的无线通信的传感器)。如上结合图3所述,传感器可具有多种不同方式来传递数据。用于传递数据的一种技术可经由使用天线434的无线信道或链路。在一个实施例中,此通信可涉及在可以是2.5 GHz链路的IEEE802.15.4无线链路上传递数据。用于传递数据的另一技术可经由诸如915 MHz链路的使用天线440建立的低功率RFID链路。使用天线434建立的链路可以是主要通信模式,其具有大约200英尺或另一距离范围,例如比在其上安置传感器的交通工具的最长尺寸更长的距离。
在传感器从睡眠或不活跃状态醒来或激活时,传感器可根据预确定的调度,在主要链路上传递数据。用于此调度的时间间隔可以是可定制的。作为一个示例,此间隔可以为1小时或更多以节省电池电能。在一个实施例中,处理器可编程成阻止传感器在该间隔期间(例如,在激活传感器的时间之间)激活并且经由主要通信链路进行通信。为允许在传感器的不活跃时间段期间从传感器获得数据,由天线440提供的次要通信链路可使用915 MHzRFID天线提供功率射频(RF)通信链路。
此次要链路能够在传感器未在使用主要通信链路活跃地进行通信的时间段期间,提供用来与传感器进行通信的另一方式。次要链路的距离可受到限制,例如限于比在其上安置传感器的交通工具的最长尺寸更小的距离。例如,次要链路的距离可以是15英尺或更小。用来建立次要链路的天线440可以是无源天线,其由天线440通过由阅读器442生成的电磁波的查询而激活。通信链路使用外部激励的天线440和甚至在传感器不活跃的时间期间也可能与传感器进行通信的对应电路系统激活处理器406。这允许由传感器读取的数据的几乎瞬间读取。在一个示例中,天线440可接收刷新或更新传感器的固件,变更或重置其它通信链路的通信参数(例如,通过改变激活间隔)或诸如此类的信号。
图5图示用于感测、处理和/或传递表示被提供功率的系统的特性的数据的方法500的一个实施例的流程图。方法500可通过本文中描述的传感器系统的一个或多个实施例来执行。方法500可用来感测,处理和/或传递表示诸如交通工具的被提供功率的系统的数据,但并非所有实施例限于交通工具。在502处,使用传感器感测被提供功率的系统的一个或多个特性。例如,可感测振动、温度、流体水平或诸如此类。在504处,做出关于是否要过滤感测的指示特性的信号的确定。例如,一些信号可表示感兴趣的特性(例如,能够检查以便确定被提供功率的系统的健康或失效状态的特性),并且其它信号可不表示感兴趣的特性(例如,如果被检查,不表示被提供功率的系统的健康或失效状态的特性)。
如果要过滤任何信号,则方法500的流程能够向504继续。在504处,过滤指示一个或多个特性的信号。例如,可从表示推进系统的测量的振动的信号中去除指示是齿轮啮合振动的振动的移动或振动信号。移动或振动信号可使用过滤器例如具有基于推进系统或马达的运行速度而变化的带宽的过滤器、由处理器实现的数字过滤器等去除。如果未过滤特性,则方法500的流程可从502向506继续。
在506处,在将信号传递到传感器外前,可选地能够处理指示特性的信号。例如,为区分感兴趣的特性(例如,牵引马达的振动)与不感兴趣的特性(例如,齿轮啮合振动),传感器可确定指示被测量的特性的信号的FFT或DFT,并且将该FFT或DFT传递到交通工具外的位置,在该位置检查FFT或DFT。作为一个示例,传感器可计算指示感兴趣的特性的信号的统计量度,例如平均值,均方根或诸如此类,用于到交通工具外的位置的传递。此预通信处理能够降低将信息传递到传感器外所需要的时间量,这能够延长传感器的电池寿命。
在508处,做出关于激活时间是否已达到的确定。激活时间能够定期发生。在激活时间期间,传感器可激活,测量特性和/或将指示特性或已处理的特性的信号传递到传感器外。如果激活时间已达到,则方法500的流程可向510继续。在510处,将指示已感测的信息(例如,特性和/或被处理的特性)的信号例如经由上述传感器的主要通信链路传递到传感器外。
如果激活时间尚未达到,则方法500能够从508向512继续。例如,当前时间可在激活时间之间,因此,传感器不使用主要通信链路传递指示感测的信息的信号。在512处,做出关于是否已向传感器查询在激活时间之间的感测的信息的确定。例如,可做出有关RFID装置是否在发射电磁波以激活传感器的次要通信链路的确定。如果在查询传感器,则方法500的流程能够向514继续。否则,方法500可向516继续。在514处,经由次要通信链路将指示感测的信息的信号传递到传感器外。例如,能够通过RF连接,经由RF信号无线传递特性和/或被处理的特性。在516处,在随后的激活时间内经由主要通信链路传递指示感测的信息的信号。例如,如果当前时间不是激活时间,则传感器可等待,直至下一激活时间,或者直至传感器被查询以传递特性或被处理的特性。
在一个实施例中,传感器组合件包含配置成生成指示被提供功率的系统在一个或多个方向上的感测的移动的移动信号的一个或多个加速计、配置成生成指示被提供功率的系统中的感测的流体量的流体水平信号的流体水平传感器及配置成接收来自一个或多个加速计和流体水平传感器的移动信号和流体水平信号的一个或多个处理器。一个或多个处理器也配置成执行如下的一个或多个:基于被提供功率的系统操作的速度而过滤至少一些移动信号,或计算移动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个。组合件也包含配置成将移动信号、流体量、统计量度、FFT或DFT的一个或多个无线传递到远程位置的第一天线。
可选地,组合件也能够包含在其中安置了一个或多个加速计、流体水平传感器、一个或多个处理器及第一天线的壳体。
可选地,一个或多个处理器配置成通过具有对于被提供功率的系统的马达的更快速度而增大并且对于马达的更慢速度而减小的带宽的滤波器,过滤移动信号。
可选地,一个或多个处理器配置成将移动信号的统计量度计算为在多个不同方向上被提供功率的系统的推进系统的移动的组合。
可选地,一个或多个处理器配置成将统计量度计算为在某个采样期内在多个不同方向上推进系统的移动信号的均方根。
可选地,第一天线配置成将移动信号、流体量、统计量度、FFT或DFT的一个或多个定期无线传递到远程位置。组合件可选地也能够包含配置成响应于接收来自外部装置的查询信号而将移动信号、流体量、统计量度、FFT或DFT的一个或多个无线传递到远程位置的第二天线。
可选地,第一天线配置成通过第一通信链路传递移动信号、流体量、统计量度、FFT或DFT的一个或多个,并且第二天线配置成通过不同的第二通信链路传递移动信号、流体量、统计量度、FFT或DFT的一个或多个,其中第一通信链路与第二通信链路相比是更高功率和更长距离的通信链路。
在一个实施例中,系统包含配置成生成指示交通工具的感测的振动的振动信号的传感器和配置成执行如下的一个或多个的一个或多个处理器:基于交通工具的马达操作的速度而过滤至少一些振动信号,并且传递未过滤的振动信号到传感器外,或者计算振动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个,并且将统计量度、FFT或DFT的一个或多个传递到传感器外。
可选地,一个或多个处理器配置成通过具有对于马达的更快速度而增大并且对于马达的更慢速度而减小的带宽的滤波器,过滤至少一些振动信号。
可选地,一个或多个处理器配置成将振动信号的统计量度计算为在多个不同方向上交通工具的推进系统的移动的组合。
可选地,一个或多个处理器配置成将统计量度计算为在某个采样期内在多个不同方向上交通工具的推进系统的振动信号的均方根。
可选地,一个或多个处理器配置成经由第一通信链路定期传递振动信号、统计量度、FFT或DFT的一个或多个,并且响应于接收来自外部装置的查询信号而经由不同的第二通信链路传递振动信号、统计量度、FFT或DFT的一个或多个。
可选地,第一无线通信链路与第二无线通信链路相比是更高功率和更长距离的通信链路。
可选地,系统也可包含收发器和第一天线,配置成在指定的频率,通过第一通信链路定期传递振动信号、统计量度、FFT或DFT的一个或多个。
在一个实施例中,方法包含使用传感器生成指示交通工具的感测的振动的振动信号和执行如下的一个或多个:基于交通工具的马达和轮子操作的速度而过滤至少一些振动信号,并且传递未过滤的振动信号到传感器外,或者计算振动信号的统计量度、快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换(DFT)的一个或多个,并且将统计量度、FFT或DFT的一个或多个传递到传感器外。
可选地,方法包含响应于由振动信号表示的振动小于指定的非零阈值,中止过滤或计算的一个或多个。
可选地,方法也能够包含基于振动信号而确定轮子旋转的速度。
可选地,方法包含通过具有对于马达的更快速度而增大并且对于马达的更慢速度而减小的带宽的滤波器,过滤至少一些振动信号。
可选地,方法包含将振动信号的统计量度计算为在多个不同方向上交通工具的推进系统的移动的组合。
可选地,将统计量度计算为在某个采样期内在多个不同方向上交通工具的推进系统的振动信号的均方根。
要理解,上面描述意图是说明性的而不是限制性的。例如,上述实施例(和/或其方面)可彼此结合使用。另外,可进行多种修改以使具体状况或材料适合本发明主题的教导,而没有背离其范围。虽然本文所述材料的尺寸和类型意图定义本发明主题的参数,但是它们决不是限制性的,而是示范的实施例。在审查上面描述时,许多其他实施例对于本领域的那些技术人员将是显而易见的。因此,应参考所附条款连同这类条款所被赋予的等同物的全部范围来确定本发明主题的范围。在所附权条款中,术语“包含”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的易懂英语等同物。此外,在下面条款中,术语“第一”、“第二”和“第三”等只用作标记,而不是意图对其对象强加数字要求。此外,下面的条款的限制没有以方法加功能形式来书写并且不意图基于35 U.S.C.§ 112(f)来解释,除非并且直到这类条款限制确切地使用后面是缺乏进一步结构的功能陈述的短语“用于…的部件”。
本书面描述使用示例来公开本发明主题的若干实施例,并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明主题的实施例,包含制作和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明主题的可取得专利的范围由条款限定并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有没有不同于条款的文字语言的结构元件,或者如果它们包含具有与条款的文字语言的无实质差异的等效结构元件,则它们意图处于条款的范围之内。
在结合附图阅读时,将更好地理解本发明主题的某些实施例的前面描述。就图形图示各种实施例的功能块的简图而言,功能块不一定指示硬件电路系统之间的划分。因此,例如,一个或多个功能块(例如,处理器或存储器)可在单件硬件(例如,通用信号处理器、微处理器、随机存取存储器、硬盘及诸如此类)中实现。类似地,程序可以是独立程序,可以作为子例程包含在操作系统中,可以是安装的软件包的功能及诸如此类。各种实施例不限于图形中所示的布置和工具。
如本文所使用的,以单数叙述并且以单词"一"或“一个”进行的元素或步骤应理解为不排除多个所述元素或步骤,除非明确规定此种排除。此外,对本发明主题的“一个实施例”的提及不意图解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。此外,除非有明确相反地规定,否则,“包括”、“包含”或“具有”具有特定属性的元素或多个元素的实施例可包含不具有那个属性的附加此类元素。
由于可在用于在交通工具编组中传递数据的上述系统和方法中进行某些变化而不脱离本文中涉及的本发明主题的精神和范围,因此,意图上面描述或附图中示出的所有主题将只理解为图示本文中本发明概念的示例,并且将不视为限制本发明主题。