CN111024399A - 耦合剂及耦合剂、换能器和结构组件的布置 - Google Patents

Abstract

一种用于将换能器(14)联接至结构组件(16)的表面的耦合剂(10)，所述耦合剂(10)包括30％至35％质量部分的硬金属(12)，所述耦合剂(10)还包括具有粘合剂的固化材料，从而所述耦合剂配置成将所述换能器直接粘合到所述结构组件(16)的表面，所述耦合剂(10)还包括脂，从而所述耦合剂(10)能够包围在所述表面上的所述换能器以在所述换能器在水下应用时相对于水保护所述换能器。

Description

耦合剂及耦合剂、换能器和结构组件的布置

本申请为申请日为2012年12月12日、申请号为201280076791.5、发明名称为“耦合剂及耦合剂、换能器和结构组件的布置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的实施例涉及监控机械系统中的结构组件，更具体地但不排它地涉及机械系统中换能器或传感器的耦合剂。

背景技术

在机械系统中，监控组件可能非常重要。例如，滚子轴承可能遭受磨损，并可能在它们断裂时对机械系统造成严重损坏。因此，可以通过使用换能器或传感器来对这些组件的劣化进行监控。这种传感器可以包括压电元件或半导体，它们将机械或者声振动或振荡转换成电信号。然后电信号可以得到处理，例如可以进行频率分析，以便检测指示各个组件的磨损或劣化的频率。例如，辊子轴承随着其磨损可能会产生有特点的振动，其一旦被检测到就可以指示轴承即将到来的故障。然后这种信号可以用来产生警告，特别是当其它组件将会受到轴承故障影响时。

如上所述的轴承及相应监控系统的应用是非常广泛的。例如，任何类型的车辆使用大量的轴承，这样的轴承用来支承关键组件。例如，设想列车及其轴利用轴承，其可能会在它们断裂时造成严重事故和损坏。另一种应用例如是发电厂，比如离岸风力发电站。这种发电站转子的轴承至关重要，尤其是当它们位于离岸时，也就是当它们不容易接近时。因此，希望监控这种风力发电站的轴承，以便及早检测最终的失效并且在发生严重的损害之前关闭发电站。钢铁厂是上述换能器系统应用的另一示例。无论轴承在什么地方用于支承发电单元的组件，它们可能是风力发电站的转子、内燃机或传送带发动机的轴，都希望尽快通知即将到来的故障。

发明内容

各实施例基于以下发现，声发射换能器可用于监控结构组件。进一步的发现在于，希望确定监控系统的灵敏度，以便评估给定的检测水平是否应该引起关注。声发射传感器通常可以设计成响应于垂直于它们所施加于其上的表面的运动，并且可以被制造为谐振器件来增加围绕特别感兴趣的频率范围的灵敏度。

各实施例还基于以下发现，这种装置的结构组成对于其灵敏度很关键。在一些实施例中，换能器可以包括具有一定几何形状和机械共振的压电元件，其输出电信号。这样的电信号随后可被预放大和进一步处理。进一步的处理可以包括模拟数字转换、滤波、变换等。各实施例还基于以下发现，通过这样的换能器或传感器被联接至所讨论的表面而得以进一步影响换能器的灵敏度。换句话说，发现的是在任何情况下耦合剂的松驰联接或选择错误可能会导致灵敏度的大幅下降。因此，进一步的发现在于，这种系统的耦合剂是评估系统灵敏度的不确定性的主要来源。这种灵敏度在实验室条件下可能是相当高的水平，然而，当在这样的领域例如在车辆上或在发电厂中进行这样的测量时，在整体灵敏度上发现量级的变化并不少见。

进一步的发现在于，耦合剂应当除去换能器或传感器的面与结构组件的相应表面之间的空气。进一步的发现在于，当空气因这两个接触面的微观结构而被截留时，换能器的灵敏度下降。空气的声阻抗比传感器面或测试材料的要低得多，并且会导致在交界面处的相当大的传输损耗。此外，进一步的发现在于，除了比空气实质更高的声阻抗之外，联接层还应该相比于要被测量的信号(例如超声波)的波长很薄。

各实施例的进一步发现在于，引入到耦合剂的硬金属可以进一步降低换能器与结构组件的表面之间的耦合剂的衰减。声发射通常可以在100至500千赫的频率范围内进行测量。高频振荡是难以测量的，因此传感器和振荡源之间的良好耦合可能是需要的。如果耦合不好，则信号振幅可能会降低，这可能又会使得难以解释这些信号。影响因素是目标的传感器几何形状、耦合剂和表面性能。实施例可以提供的思路允许将传感器安装到轴承壳体，即其允许在传感器的表面和结构组件的表面之间产生一定的力或压力。

实施例提供用于将换能器联接至结构组件的表面的耦合剂。所述耦合剂包括基本上15-75％质量部分的硬金属。发现是该部分硬金属有助于减小换能器与结构组件比如轴承壳体的表面之间的联接层的阻抗或衰减。减小衰减允许确定或检测更可靠的信号，从而可以允许系统更加可靠。因此，故障可以更可靠地被检测出。整个系统可以变得更加坚固。此外，实施例可以允许更早地检测结构组件的即将到来的故障，使得可以更加有效地避免进一步的损害。

实施例可以提供的耦合剂具有的硬金属的质量部分基本上为30-35％、32-34％、或33％。换句话说，发现是耦合剂中约1/3的硬金属的质量部分提供良好的联接性能。换句话说，当使用耦合剂内约1/3的硬金属时，可以实现联接层的低阻抗或低衰减。因此，在一些实施例中，基本上三分之一的硬金属可以用于耦合剂内，其中三分之一证实是有利的组合。

在各实施例中，硬金属部分可以包括基本上任何硬金属。例如，硬金属部分可以包括钨，W、碳化钨，W2C，WC、氮化钛，TiN、钛碳化物，TiC、碳化钛-氮化钛，Ti(C)N、氮化钛铝，TiAlN、碳化钽，TaC、钴，Co和钼，Mo的组中的至少一个或组合。实施例可以基于以下发现，这样的硬金属可能不是非常具有压缩性，因此其弹性地传导声波或振动通过耦合剂至传感器或换能器的表面。因此，进一步的发现在于，特别是硬金属可以提供低衰减耦合剂。例如，使用钨粉末的耦合剂可提供的优点是，与没有钨粉末的相同耦合剂相比，衰减可以得到减少。

在各实施例中，耦合剂可以进一步包括脂或水基凝胶。这样的耦合剂可以用于进一步具有安装结构的实施例中，比如螺纹、孔、加深等，用于安装换能器或传感器，并且其可以允许封装耦合剂。这样的封装还可以用于保护耦合剂免受其他影响，比如盐水，例如在水下应用中或者在暴露于除冰盐、灰尘和污垢、热、潮湿等的车辆中使用时。因此，在各实施例中，脂或凝胶可以在耦合剂中与硬金属一起使用。例如，可以通过使用螺纹来安装换能器，或者其可以被旋拧。在其他实施例中，可以使用夹具或支架，以便将换能器安装至结构组件。此外，在一些实施例中，可以使用弹簧，以便在换能器表面与结构组件的表面之间提供所限定的力。

在一些实施例中，耦合剂可用于手工测量。换句话说，换能器用来对组件进行不定期测量，例如用于控制差错和故障排除的目的。在这种情况下，可以使用耦合剂，以便在换能器与要检查的组件之间建立声耦合。在这种情况下，实施例能够提供更可靠的手工测量。此外，如在常规的方案中，高压或高力必须被施加到用于手工测量的换能器，该力可以减少，因为更好的联接可能以较低的力采用耦合剂而实现。

在进一步的实施例中，耦合剂还可以包括固化材料。在实施例中，所述固化材料可以包括树脂、环氧树脂、胶水、聚氨酯(PUR)、硅树脂、粘合剂和密封化合物中的至少一个或组合。换句话说，实施例的进一步发现在于，可以使用固化材料比如胶水，以便将换能器胶合至结构组件的表面。此外，耦合剂中的硬金属被保持在适当位置，使得耦合剂的低衰减性能可以在固化材料之后得到保持，即固化材料可以避免硬金属的分离或者耦合剂内硬金属的浓度或分布的变化。实施例可以随之提供的优点在于，换能器可以有效地胶合或安装在结构组件的表面上，同时耦合剂中的硬金属确保结构组件的表面与换能器之间的声波的低衰减或高耦合。因此，实施例可以提供的优点是，它们使用相同耦合剂内的固化材料与硬金属之间的协同作用。

在各实施例中，固化材料在固化时可以具有的硬度基本上在75至95肖氏D、80至90肖氏D、或84至86肖氏D之间。换句话说，在实施例中，可能有利的是使用固化之后硬度在上述范围内的固化材料，保持硬金属粉末或颗粒在适当位置，从而使这两个表面的改进联接得以实现。

实施例还提供了一种换能器、结构组件和根据上面说明书所述的耦合剂的布置。换能器可以被安装到结构组件，其中耦合剂在结构组件的表面与换能器之间。在一些实施例中，换能器可以对应于声发射传感器，其耦合到结构组件的表面。如上所述，耦合剂然后可以联接两个表面。在一些实施例中，可以采用耦合剂将换能器胶合到结构组件。在这样的实施例中，可以利用胶水(提供将传感器安装或连接至目标的有效方式)与耦合剂中的硬金属(允许传感器与表面之间的良好的声耦合)之间的协同作用。

在实施例中，可以采用不同的换能器形状。例如，换能器可以具有指向结构组件的平换能器面或圆换能器面。圆换能器面可以对应于球形或部分球形形状。换言之，实施例还可以采用的发现是，换能器的表面形状可能会影响联接。尽管平的表面形状可以提供更大的接触面积，但圆的传感器面可以能够使得在小区域内具有更高的压力。除了耦合剂和硬金属之外，实施例还可以使用不同的换能器面形状，以便进一步改善联接。在实施例中，换能器可以适于测量的振荡的范围基本上为1kHz至1MHz、10kHz至750kHz、或100kHz至500kHz。也就是说，在各实施例中，换能器可以适于测量声波以及超声波。因此，实施例可以提供的优点在于，采用在宽的带宽上包括硬金属的联接可以实现良好的耦合。在实施例中，结构组件可以对应于轴承，滚子轴承或轴承壳体。此外，在实施例中，结构组件可以包括在车辆比如火车、汽车、公共汽车中，在发电厂比如风力发电站、水下电力站、铸造厂、汽车应用中，在输送机系统中，在钢厂中，在轧钢厂中等。

在一些实施例中，结构组件可以是铸造的结构组件。换言之，该结构组件可以是铸铁或与耦合剂中的硬金属相比具有相当低的硬度的其它材料部件。实施例可以随之提供的优点在于，甚至可以将来自较软部件比如铸造部件的振动耦合到传感器。通过使用耦合剂中的固化材料，固化材料可适于结构组件的表面和材料比如铸铁。换言之，实施例可以提供的优点在于，固化材料可适于结构组件，使得换能器的机械联接得以优化。此外，部分硬金属及硬金属本身可以以这样的方式选择，也就是声耦合得到改善，甚至同时得到优化。

在进一步的实施例中，耦合剂适于将换能器与滚子轴承联接，使得滚子轴承的振荡可以从换能器的输出信号检测。换句话说，一些实施例可以包括其它电气元件，比如前置放大器、放大器、过滤器、转换器、任何处理装置、处理器等，以便从换能器的输出信号确定振荡。这种振荡可能经历进一步的信号处理，比如频率分析、滤波、模拟-数字转换等，以便确定滚子轴承是否产生任何可疑的振动或振荡。

附图说明

通过使用仅由示例给出的装置和/或方法的以下非限制性实施例并参照附图，对一些其它特征或方面进行说明，其中

图1示出了换能器、耦合剂和结构组件的布置的实施例，以及

图2示出了具有相应调整处理的布置的另一实施例。

具体实施方式

下面参照附图，对各实施例进行更加详细地说明。在附图中，为了清楚起见，各线条、层和/或区域的厚度可能被放大了。

因此，尽管各实施例能够有各种修改和备选形式，但其中的实施例通过各图中的示例示出，下面在本文中进行详细说明。然而，应该理解的是，没有意图要将各实施例限制为所公开的特定形式，相反，各实施例将涵盖落入本发明范围之内的所有修改、等同物和替代物。

在整个附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。应该理解的是，当元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，其可以直接连接或联接到另一元件，或者可能存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，不存在中间元件。用于描述各元件之间关系的其它词语应以类似的方式被解释(例如，“之间”与“直接之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并非旨在限制示例性实施例。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“特指的那个”旨在还包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。要进一步理解的是，术语“包括”在此使用时指定存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

除非另有定义，否则本文所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与由这些实施例所属技术领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。要进一步理解的是，术语(例如，在常用字典中所定义的那些)应该被解释为具有的含义与它们在相关领域的上下文中的含义相一致，并且不会以理想化或过于正式的意义被解释，除非本文明确地如此限定。

在以下描述中，一些组件将被显示在多个附图中，携带相同的附图标记，但可能并未详细地多次说明。组件的详细说明然后可以用于所有情况下的该组件。

图1示出了换能器14、结构组件16和耦合剂10的布置的实施例。换能器14被安装到结构组件16，其中耦合剂10在结构组件16的表面和换能器14之间。耦合剂10将换能器14联接到结构组件16的表面。在本实施例中，耦合剂10基本上包括32-34％的钨。换能器14被实施作为声发射传感器，并且由耦合剂10连接到目标16。此外，假设目标表面即结构组件16的表面优选地具有在0.8微米Ra或范围为0.2至1.6微米Ra的粗糙度，平的传感器14取决于耦合剂的特性。如图1所示，在本实施例中，假设换能器14具有平的传感器表面。

在本实施例中，耦合剂10包括固化材料。该固化材料包括树脂。换句话说，传感器14和目标16之间的连接由树脂系统10完成，其具有近似的硬度为85肖氏D，采用约1/3质量部分的钨粉进行混合。也就是说，树脂和钨粉之间的比率对应于2：1。所述树脂可对应于环氧树脂。环氧树脂联接换能器14和结构组件16。换句话说，耦合剂10直接联接到换能器14的表面以及联接到结构组件16的表面。

在另一实施例中，传感器14可被旋拧到结构组件16上。在这种情况下，代替固化材料，可以使用脂或水基凝胶，包括相应的硬金属部分。图1示出了一个实施例，其中采用耦合剂10将换能器14胶合到结构组件16。放大窗口12示出了耦合剂内的硬金属颗粒或粉末。在本实施例中，声发射传感器14适于测量在100千赫至500千赫之间的频率。

图2示出了换能器14、结构组件16和耦合剂10的布置的另一实施例。如图2所示，结构组件16对应于滚子轴承的外圈16，通过使用耦合剂10将换能器14(其被再次实施为声发射传感器14)胶合至该滚子轴承。在其他实施例中，换能器14还可以通过使用耦合剂10联接至轴承壳体或任何其它壳体。这样的壳体可对应于铸造的结构组件。在图2所示的实施例中，耦合剂10适于将换能器14与滚子轴承16联接，使得可以从换能器14的输出信号检测滚子轴承的振荡。这在图2中由其它组件20、22、24表示。如图2所示，声发射传感器14的输出被耦合到具有放大增益g的放大器20。该放大器的输出然后在数字样本随后由微处理器24(μP)进一步处理之前由模拟/数字转换器22(A/D)转换。在本实施例中，假定该频率分析由微处理器执行，寻找在表示滚子轴承16磨损也就是即将到来的故障的频率的信号部分。信号的这些频率部分然后与阈值进行比较，如果它们超出阈值的话，则产生相应的警报信号，如图2所示。

实施例可以提供的优点在于，传感器14与目标16之间的联接在传感器14的输出导致更好的信号幅度。实施例可以随之允许使用不太强大和更便宜的放大电子器件。此外，实施例可以允许更可靠地检测机械系统中的可疑振动或振荡。

说明书和附图仅说明本发明的原理。因此，要理解的是，本领域的技术人员将能够设计出各种布置，它们尽管没有在本文中明确地描述或示出，但体现了本发明的原理并且包括在其精神和范围之内。此外，本文所引用的所有示例主要旨在明确地仅用于教导的目的，以帮助读者理解本发明的原理和发明人所提出的用于促进本领域的概念，并且应被解释为不限于这些具体引用的示例和条件。此外，本文中引用本发明的原理、方面和实施例以及其中的具体示例的所有描述旨在包括其等同物。

本领域技术人员应该理解的是，本文中的任何方框图代表体现本发明原理的说明性电路的概念图。类似地，要理解的是，任何流程表、流程图、状态转换图、伪代码等表示可以实质性表示在计算机可读介质中且因此由计算机或处理器执行的各种处理，而无论这样的计算机或处理器是否被明确示出。

附图标记列表

10 耦合剂

12 硬金属

14 换能器

16 结构组件

20 放大器

22 模拟/数字转换器

24 微处理器

Claims (19)

1.一种用于将换能器联接至结构组件的表面的耦合剂，所述耦合剂包括30％至35％质量部分的硬金属，所述耦合剂还包括具有粘合剂的固化材料，从而所述耦合剂配置成将所述换能器直接粘合到所述结构组件的表面，所述耦合剂还包括脂，从而所述耦合剂能够封装在所述表面上的所述换能器以在所述换能器在水下应用时相对于水保护所述换能器。

2.根据权利要求1所述的耦合剂，其中，所述质量部分的硬质金属包括钴(Co)。

3.根据权利要求1所述的耦合剂，所述质量部分的硬质金属包括钨(W)，碳化钨(W2C，WC)，氮化钛(TiN)，碳化钛(TiC)，碳化钛氮化物(Ti(C)N)，氮化铝钛(TiAlN)，碳化钽(TaC)，钴(Co)和钼(Mo)中的至少一种或组合。

4.根据权利要求1所述的耦合剂，还包括水基凝胶。

5.根据权利要求1所述的耦合剂，其中所述固化材料包括树脂，环氧树脂，胶，聚氨酯(PUR)，硅树脂，粘合剂和密封剂中的至少一种或组合。

6.根据权利要求1所述的耦合剂，其中，所述固化材料在固化时具有在75至95肖氏D之间的硬度。

7.一种换能器、结构组件和耦合剂的装置，包括：

所述耦合剂包含30％至35％质量部分的硬金属，所述耦合剂还包括具有粘合剂的固化材料，从而所述耦合剂配置成将所述换能器直接粘合到所述结构组件的表面，所述换能器通过耦合剂被粘合到结构组件上，其中所述耦合剂位于结构组件的表面和换能器之间，并且所述耦合剂被放置在换能器上方从而封装换能器，所述耦合剂还包括脂，从而所述耦合剂能够在所述换能器在水下应用时相对于水保护所述换能器。

8.根据权利要求7所述的装置，还包括弹簧，所述弹簧在所述结构组件的方向上向所述换能器施加力。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述质量部分的硬质金属包括钴(Co)。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述换能器具有指向所述结构组件的平坦的换能器面或者圆形的换能器面。

11.根据权利要求7所述的装置，其中，所述换能器适于测量在1kHZ至1MHz的范围内的振荡。

12.根据权利要求7所述的装置，其中，所述结构组件对应于轴承、滚动轴承或轴承壳体其中之一。

13.根据权利要求7所述的装置，其中，所述结构组件是铸造的结构组件。

14.根据权利要求7所述的装置，其中，所述耦合剂适于将所述换能器与滚子轴承耦合，使得能够从所述换能器的输出信号检测所述滚子轴承的振荡。

15.根据权利要求1所述的耦合剂，其中，所述质量部分为硬质金属的32％-34％的质量部分。

16.根据权利要求1所述的耦合剂，其中，所述固化材料在固化时具有在80至90肖氏D之间的硬度。

17.根据权利要求1所述的耦合剂，其中，所述固化材料在固化时具有在84至86肖氏D之间的硬度。

18.根据权利要求7所述的装置，其中，所述换能器适于测量在10kHz至750kHz范围内的振荡。

19.根据权利要求7所述的装置，其中，所述换能器适于测量在100kHz至500kHz范围内的振荡。

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