CN108138840A - 用于轴承和轴承装置的传感器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明首先涉及一种模块化系统形式的传感器组件，基于所述传感器组件能够将机械轴承扩展到传感器轴承。本发明还涉及一种传感器轴承形式的轴承装置。根据本发明的传感器组件包括多个模块，模块包括多个功能模块，功能模块用于测量轴承状态参数和/或用于在预定条件下触发和/或激活预定事件。功能模块分别具有电接口，在该电接口方面，功能模块能够兼容。至少一个功能模块由用于测量在轴承的振动部件上出现的加速度的加速度测量模块(01)构成。加速度测量模块(01)被设计用于输出加速度测量信号。所述模块还包括多个基础结构模块，基础结构模块用于实现通信任务和/或用于存储和/或处理预定的和/或测得的数据。基础结构模块分别具有电接口，基础结构模块通过电接口能够与至少多个功能模块互操作。至少一个基础结构模块由用于分析加速度测量信号的信号分析单元构成。

Description

用于轴承和轴承装置的传感器组件
技术领域
本发明首先涉及一种模块化系统形式的传感器组件，基于所述传感器组件能够将机械轴承扩展到传感器轴承。本发明还涉及一种传感器轴承形式的轴承装置。
背景技术
DE 101 36 438 A1教导了一种滚动轴承中的传感器装置，其中，在所述滚动轴承的轴承套圈中集成多个传感器元件。传感器元件能够通过数字总线连接。
从DE 10 2009 037 424 A1已知一种具有润滑剂传感器的轴承装置，该轴承装置将关于润滑剂的状态的信息发送到中央接收站。
DE 102 36 790 C1示出了一种具有多个端子的电开关装置，其中，每个端子具有至少一个接头。
从DE 100 64 420 B4已知一种用于分散检测和分析物理事件的装置，其中，能通过内部总线系统编程控制测量元件。
DE 100 54 069 A1示出了一种具有基础系统和逻辑系统的建筑物控制系统。基础系统包括至少一个有源模块，而逻辑系统包括至少一个逻辑模块。
DE 10 2009 021 469 A1示出了一种传感器轴承单元，该传感器轴承单元包括滚动轴承，布置在轴承环上的传感器壳体和用于检测轴承工作状态的集成的传感器装置。传感器壳体被设计为适配环。适配环的尺寸使得传感器轴承单元的径向或轴向尺寸至多与具有相同负载能力的滚珠轴承尺寸相同。
DE 10 2012 202 522 A1描述了一种具有滚动轴承的传感器轴承。滚动轴承包括内圈，外圈以及布置在它们之间的滚动体。传感器轴承还包括至少一个用于测量作用在滚动体上的力的传感器和能够使得传感器与信号接收器之间进行数据交换的通信装置。
目前已知的传感器轴承大多仅解决特定的技术问题。通常，特定的功能应该被安排在特定的结构空间中。因此改进传感器轴承，针对单个或多个方面进行了优化。例如，已知传感器轴承非常细长，而另外的传感器轴承具有抗电磁干扰的特殊保护装置。已知的解决方案通常是单一任务的改进方案。
从现有技术中已知的状态监测传感器单元，所述状态监测传感器单元除了测量元件，还包括信号处理元件，信号接口，电源和另外的元件，并因此不是小型结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，从现有技术出发，能够更灵活并且更节省成本地对机械轴承进行状态监测。
所述技术问题通过根据所附权利要求1的传感器组件和根据所附的从属权利要求10的轴承装置解决。
根据本发明的传感器组件被设置用于机械轴承并且包括多个模块，通过所述多个模块能够将至少一个机械轴承扩展成传感器轴承。传感器轴承是补充有传感装置的机械轴承，该传感装置包括传感器工作所需的元件，因此在机械轴承工作期间能够测量机械轴承上的至少一个物理量。为了将机械轴承扩展成传感器轴承，必须从传感器组件中选择多个模块并将其布置在机械轴承上。就此而言，根据本发明的传感器组件是一种模块化系统。机械轴承优选是滚动轴承。
根据本发明的传感器组件的模块包括多个用于测量轴承状态参数和/或用于在预定条件下触发和/或激活预定事件的功能模块。各功能模块分别具有相互兼容的电接口。因此，各功能模块就其电接口而言是能互换的。至少一个功能模块由加速度测量模块构成，所述加速度测量模块用于测量在轴承的振动部件上出现的加速度。在机械轴承上出现的是不期望的周期性机械振动，特别是以振荡的形式出现。这些振荡使得轴承部件中的至少一个的位置和/或形状周期性地改变。加速度测量模块被设计用于在位置或形状的周期性变化时测量出现的加速度，以便得知轴承部件的不期望的振动的程度。相应地，加速度测量模块被设计用于输出加速度测量信号。加速度测量信号由传感器原始数据构成，这是因为加速度测量模块不用于进行完整的信号分析。
根据本发明的传感器组件的模块还包括多个用于实现通信任务和/或用于存储和/或处理预定的和/或测得的数据的基础结构模块。各种基础结构模块均具有电接口，基础结构模块能够通过电接口与至少多个功能模块互操作，因此各种基础结构模块有助于确保各功能模块的功能。基础结构模块的至少一个由用于分析加速度测量信号的信号分析单元构成。因此，信号分析单元与加速度测量模块产生功能上的联系。当加速度测量模块提供传感器原始数据形式的加速度测量信号时，信号分析单元用于分析传感器原始数据。这两个功能不是通过单个模块，而是通过两个模块实现，即在两个不同的结构单元中实现。信号分析单元的电接口至少能与加速度测量模块的电接口互操作。
根据本发明的传感器组件的特别的优点在于，传感器组件使得机械轴承能够灵活地通过对轴承进行状态监测而得到扩展。
至少一个加速度测量模块优选地包括加速度传感器元件，该加速度传感器元件能够将表示加速度的参数直接转换为表示电的参数。因此，加速度传感器元件优选被设计为用于转换轴承的振动部件的几何形状和/或位置的周期性变化。
加速度传感器元件优选由可动线圈，微电子机械系统(MEMS)或纳机电系统(NEMS)构成。
加速度传感器元件优选地被设置用于固定安装在轴承的部件上。这种安装优选是非弹性的。
优选地，至少一个加速度测量模块还包括用于将加速度传感器元件的电输出信号转换为加速度测量信号的模数转换器，因此加速度测量信号是以数字信号的形式存在的。模数转换不代表对加速度测量信号进行分析。
至少一个加速度测量模块优选地还具有特征值生成器，该特征值生成器用于确定加速度传感器元件的输出信号的特征值。特征值构成加速度测量信号的至少一部分。特征值的形成不代表对加速度测量信号进行分析。更确切地说，包含模数转换器和特征值生成器的单元能够被视为智能模数转换器。
信号分析单元优选被设计用于执行用于分析加速度测量信号的算法。为此，信号分析单元优选地包括计算单元。
在根据本发明的传感器组件的特别优选的实施方式中，信号分析单元还被设计用于分析各种功能模块中的另外的信号。因此，这是通用的信号分析单元。在这种情况下，信号分析单元优选被设计用于将加速度测量信号与另外的功能模块的至少一个的输出信号连结。另外的功能模块例如由温度测量模块或润滑剂质量测量模块构成，因此能够通过在信号分析单元中的分析例如得出关于强烈振荡的原因的结论。
在根据本发明的传感器组件的优选实施方式中，加速度测量模块和所有另外的功能模块分别具有相互兼容的电接口，因此，所有功能模块在电连接的方面是能互换的。
在根据本发明的传感器组件的优选实施方式中，加速度测量模块和至少一个另外的功能模块分别具有相互兼容的外部形状。因此，加速度测量模块和至少一个另外的功能模块在为此设置的轴承结构空间中是能互换的。优选地，加速度测量模块和所有另外的功能模块分别具有相互兼容的外部形状。
在根据本发明的传感器组件的优选实施方式中，加速度测量模块和至少一个另外的功能模块分别具有至少一个相互兼容的紧固件。因此，加速度测量模块和至少一个另外的功能模块分别在为此设置的轴承结构空间中能够被固定在轴承中。至少一个紧固件例如由销或螺钉构成。优选地，加速度测量模块和所有另外的功能模块分别具有至少一个相互兼容的紧固件。
在根据本发明的传感器组件的优选实施方式中，加速度测量模块和至少一个另外的功能模块分别能与信号分析单元互操作，因此，它们能够共同操作或者也能够互换。优选地，加速度测量模块和所有另外的功能模块分别能与信号分析单元互操作。
根据本发明的传感器组件的模块优选地还包括多个用于向轴承部件供给的供给管理模块，其中，待供给的轴承部件由传感器组件的模块和/或机械轴承的另外的部件构成。至少多个供给管理模块优选是不同的。供给管理模块组优选地包括至少一个用于向传感器轴承部件提供电能的模块。所述至少一个用于提供电能的模块优选地被设计用于向加速度测量模块和/或信号分析单元提供电能。所述至少一个用于提供电能的模块优选地由电源模块，蓄电池模块，电池模块，电容器模块，能量管理模块，能量收集模块，发电机模块，信号和能量传输模块，和/或用于外部设备的能量接口模块构成。
供给管理模块组优选地包括至少一个用于向传感器轴承部件提供润滑剂的供给管理模块。所述供给管理模块能够优选地包括润滑脂存储库或润滑油存储库模块以及添加剂模块，必要时，润滑剂能够从该模块输送到轴承。
根据有利的实施方式，另外的功能模块看用于测量轴承状态量，例如转速，温度，力，旋转角度和/或润滑剂质量。此外，另外的功能模块能够被设计用于控制润滑剂泵或用于以光学或声学方式显示信号。另外的功能模块组优选地还包括在预定条件下触发相应活动的服务模块。
至少一个另外的基础结构模块优选地被设计用于将模块与连接介质电连接。在这种情况下，优选地是使得电接口元件与各环境相适应的接口模块，例如是具有4mA和20mA之间的电流的接口或以太网。优选地包含在传感器组件中的基础结构模块还包括无线电模块，RFID模块，NFC模块，存储器模块，电缆模块，识别模块和/或工作时间模块。在存储器模块中，例如能够存储由功能模块获取的测量数据。另外，存储器模块还能够用于存储参考数据。
根据有利的实施方式，连接介质是总线系统。连接介质也能够是有线的总线系统。
基础结构模块的至少一个优选被设计用于无线的数据交换。
所述模块优选地设置用于滚动轴承，因此所述模块能至少部分地被集成在滚动轴承的结构空间中。原则上，能够设置所述模块用于线性轴承或旋转轴承。
根据本发明的轴承装置包括用于支承机器零件的轴承。此外，根据本发明的轴承装置包括根据本发明的传感器组件的至少两个功能模块。在这种情况下，至少两个功能模块中的一个由加速度测量模块构成。根据本发明的轴承装置还包括根据本发明的传感器组件的基础结构模块的至少一个。所述至少一个基础结构模块至少包括信号分析单元。加速度测量模块的电接口与信号分析单元的电接口电连接，因此加速度测量信号被传送至信号分析单元。
优选地，根据本发明的轴承装置还具有与根据本发明的传感器组件及其优选实施方式相关的特征。
加速度传感器元件优选地被固定安装在轴承的部件上，其中，加速度传感器元件优选非弹性地并且刚性地与所述部件连接。
根据本发明的轴承装置由加速度测量模块和优选用于对轴承的进行状态监测的信号分析单元构成。
必要时，轴承装置的模块能够与位于轴承外部的系统连接。例如，能够将单个模块与外部的能量供给系统或用于数据处理和数据分析的外部设备连接。
结合附图，通过下面的对本发明优选的实施方案的阐述给出本发明进一步的细节、优点和改进方案。
具体实施方式
唯一的附图示出了根据本发明的传感器组件的优选实施方式的加速度测量模块01的原理示意图。加速度测量模块01包括加速度传感器元件02和用于转换加速度传感器元件02的输出信号的模数转换器03。加速度传感器元件02用于测量机械轴承(未示出)上的振荡。加速度测量模块01具有供电和通信连接件04，通过供电和通信连接件提供电压并且进行控制。供电和通信连接件04与根据本发明的传感器组件的另外的模块(未示出)的相应连接件兼容，因此在这方面具有互换性。加速度测量模块01具有机械连接件05，通过该机械连接件能够将加速度测量模块01安装在机械轴承(未示出)中。机械连接件05与根据本发明的传感器组件的另外的模块(未示出)的相应连接件兼容，因此在这方面具有互换性。加速度测量模块01还具有用于输出加速度测量信号的连接件06，该加速度测量信号特别包括信号特征值。用于输出加速度测量信号的连接件06与根据本发明的传感器组件的另外的模块(未示出)的相应连接件兼容，因此还在这方面具有互换性。用于输出加速度测量信号的连接件06与根据本发明的传感器组件的信号分析单元(未示出)的相应接口连接，因此能够分析在信号分析单元(未示出)中的加速度测量信号。
附图标记列表
01 加速度测量模块
02 加速度传感器元件
03 模数转换器
04 供电和通信连接件
05 机械连接件
06 用于输出加速度测量信号的连接件

Claims (10)

1.一种用于轴承的传感器组件，包括多个模块，其中，所述模块包括：
-多个功能模块，所述功能模块用于测量轴承状态参数和/或用于在预定条件下触发和/或激活预定事件，其中，所述功能模块分别具有电接口，在所述电接口方面，所述功能模块能够兼容，并且其中，至少一个所述功能模块由用于测量在所述轴承的振动部件上出现的加速度的加速度测量模块(01)构成，所述加速度测量模块被设计用于输出加速度测量信号；以及
-多个基础结构模块，所述基础结构模块用于实现通信任务和/或用于存储和/或处理预定的和/或测得的数据，其中，所述基础结构模块分别具有电接口，所述基础结构模块通过所述电接口能够与至少多个所述功能模块互操作，并且其中，至少一个所述基础结构模块由用于分析所述加速度测量信号的信号分析单元构成。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述加速度测量模块(01)包括加速度传感器元件(02)。
3.根据权利要求2所述的传感器组件，其特征在于，所述加速度测量模块(01)还包括用于转换所述加速度传感器元件(02)的输出信号的模数转换器(03)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述信号分析单元被设计用于分析另外的功能模块的输出信号。
5.根据权利要求4所述的传感器组件，其特征在于，所述信号分析单元被设计用于使得所述加速度测量信号与至少一个所述另外的模块的输出信号建立联系。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述加速度测量模块(01)和至少一个另外的功能模块分别具有外部形状，在所述外部形状方面，所述加速度测量模块和所述至少一个另外的功能模块能够兼容。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述加速度测量模块(01)和至少一个另外的功能模块分别能与所述信号分析单元互操作。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述模块还包括多个用于向轴承部件供给的供给管理模块，其中，至少一个所述供给管理模块被设计用于向所述加速度测量模块(01)和所述信号分析单元提供电能。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器组件，其特征在于，另外的功能模块被设计用于测量转速，温度，力，转角和/或润滑剂质量。
10.一种轴承装置，包括：
-用于支承机器零件的轴承；
-根据权利要求1至9中任一项所述的传感器组件的至少两个功能模块，其中，所述至少两个功能模块中的一个由所述加速度测量模块(01)构成；以及
-根据权利要求1至9中任一项所述的传感器组件中的至少一个是基础结构模块，其中，至少一个基础结构模块至少包括信号分析单元，并且其中，所述加速度测量模块(01)的电接口与所述信号分析单元的电接口电气连接。
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