測量部件對發射器的接近度的傳感器組件和方法

2023-06-02 07:23:56

專利名稱：測量部件對發射器的接近度的傳感器組件和方法
技術領域：
一般來說，本發明的領域涉及電力系統，並且更具體地說，涉及測量部件相對於在寬頻率範圍上操作的發射器的接近度的傳感器組件和方法。
背景技術：
至少一些已知機器(例如，發電系統)包含可能隨著時間的過去而損壞或磨損的一個或多個部件。例如，已知發電系統(例如，已知渦輪機)包含諸如軸承、齒輪和/或轉子葉片等隨著時間的過去而磨損的部件。繼續採用磨損的部件進行操作可導致對其它部件的額外損害，或可導致部件或系統的過早故障。為了檢測機器內部件損壞，通過監測系統來監測至少一些已知機器的操作。至少一些已知監測系統包括執行機器的至少一些部件的接近度測量的至少一個傳感器組件。可使用渦電流傳感器、磁性拾音器傳感器或電容傳感器來執行接近度測量。但是，因為此類傳感器的測量範圍有限，因此可使用此類傳感器的位置有限。此外，因為此類傳感器的頻率響應通常低，所以此類傳感器的準確度有限。在單個頻率上操作的至少一些已知微波發射器已用於解決此類傳感器的一些已知限制。但是，在執行接近度測量時，此類已知微波發射器在它們接近目標對象時可能變得失諧。更具體地說，微波發射器的諧振頻率可能會偏移。這樣的偏移可導致微波發射器的散射參數(S參數)中不可預測的行為模式。此外，因為S參數可能是不規則的，因此微波發射器的準確度可能有限。

發明內容
在一個實施例中，提供一種用於測量部件相對發射器的接近度的方法。該方法包括將具有預定義頻率範圍內的多個頻率分量的至少一個微波信號傳送到發射器。至少一個電磁場由發射器從微波信號生成。然後，通過部件與電磁場之間的交互使負載被感應到發射器，其中表示負載的至少一個負載信號在來自發射器的數據管道內反射。此外，負載信號由至少一個信號處理裝置接收。部件相對發射器的接近度由信號處理裝置基於負載信號測量。在另一個實施例中，提供一種傳感器組件。該傳感器組件包括含發射器的至少一個探頭。發射器從具有預定義頻率範圍內的多個頻率分量的至少一個微波信號生成至少一個電磁場，其中在部件與電磁場交互時使負載被感應到發射器。該傳感器組件還包括耦合到發射器的數據通道，其中表示負載的至少一個負載信號在來自發射器的數據管道內反射。此外，傳感器組件包括配置成接收負載信號並生成電輸出的至少一個信號處理裝置。在另一個實施例中，提供一種電力系統。該電力系統包括含至少一個部件的機器、 放置在部件附近的至少一個傳感器組件、以及耦合到傳感器組件的診斷系統。該傳感器組件包括含發射器的至少一個探頭。發射器從具有預定義頻率範圍內的多個頻率分量的至少一個微波信號生成至少一個電磁場，其中在部件與電磁場交互時使負載被感應到發射器。該傳感器組件還包括耦合到發射器的數據通道，其中表示負載的至少一個負載信號在來自發射器的數據管道內反射。此外，傳感器組件包括配置成接收負載信號並生成電輸出的至少一個信號處理裝置。


圖1是示範電力系統的框圖；圖2是可與圖1所示的電力系統配合使用的示範傳感器組件的框圖；圖3是可與圖2所示的傳感器組件配合使用的示範發射器的透視圖；圖4是可與圖2所示的傳感器組件配合使用的示範發射器的透視圖；以及圖5是示出用於測量部件相對可與圖1所示的電力系統配合使用的發射器的接近度的示範方法的流程圖。
具體實施例方式本文所述的示範方法、設備和系統克服了與用於測量機器部件相對發射器的接近度的已知傳感器組件或系統關聯的至少一些已知缺點。本文所述的實施例提供包含在寬頻率範圍上操作的發射器(例如，寬帶發射器)的傳感器組件。更具體地說，在示範實施例中， 該發射器具有基本平坦的駐波比，使發射器在發射器的S參數中能具有穩定的行為模式。 因此，即使發射器的諧振頻率偏移，發射器的S參數保持可用於關聯相關距離的規則模式。 這樣，使本文所述的傳感器組件能提供相當準確的測量。圖1示出系統100，例如但不限於包含機器102(例如但不限於風力渦輪機、水電渦輪機、燃氣渦輪機和/或壓縮機)的示範電力系統100。在示範實施例中，機器102旋轉耦合到負載106(例如，發電機)的驅動軸104。應當注意，本文所使用的術語「耦合」不限於部件之間的直接機械連接和/或電連接，而是還可包括多個部件之間的間接機械連接和 /或電連接。在示範實施例中，驅動軸104至少部分由容置在機器102和/或負載106內的一個或多個軸承(未示出)支承。作為備選或補充，軸承可容置在分離的支承結構108(例如， 齒輪箱)或使電力系統100能夠按照本文所述起作用的任何其它結構中。在示範實施例中，電力系統100包括至少一個傳感器組件110，其測量和/或監測機器102、驅動軸104、負載106和/或使電力系統100能夠按照本文所述起作用的任何其它部件的至少一個操作條件。更具體地說，在示範實施例中，傳感器組件110是放置在驅動軸 104附近用於測量和/或監測驅動軸104與傳感器組件110之間的距離(圖1中未示出) 的接近度傳感器組件110。此外，在示範實施例中，傳感器組件110使用具有多個頻率分量的一個或多個微波信號來測量電力系統100的部件相對傳感器組件110的接近度。本文所使用的術語「微波」是接收和/或傳送具有約300兆赫茲(MHz)到約300千兆赫(GHz)之間的頻率的信號的部件或信號。備選地，傳感器組件110可用於測量和/或監測電力系統 100的任何其它部件，和/或可以是使電力系統100能夠按照本文所述起作用的任何其它傳感器組件或換能器組件。在示範實施例中，每個傳感器組件110放置在電力系統100內的任何相關位置。此夕卜，在示範實施例中，電力系統100包括耦合到一個或多個傳感器組件110的診斷系統112。診斷系統112處理和/或分析由傳感器組件110生成的一個或多個信號。本文所使用的術語「處理」是指對信號的至少一個特性進行操作、調整、濾波、緩衝和/或改變。更具體地說， 在示範實施例中，傳感器組件110經由數據管道113或數據管道115耦合到診斷系統112。 備選地，傳感器組件110可無線耦合到診斷系統112。操作期間，在示範實施例中，例如因為磨損、損壞或振動，電力系統100的一個或多個部件(例如，驅動軸104)可改變相對一個或多個傳感器組件110的位置。例如，部件可受到振動和/或部件可隨著電力系統100內操作溫度的變化而膨脹或收縮。在示範實施例中，傳感器組件110測量和/或監測部件相對傳感器組件110的接近度(例如，靜態接近度和/或振動接近度)和/或相對位置，並將表示部件的測量的接近度和/或相對位置的信號(以下稱作「接近度測量信號」)傳送到診斷系統112進行處理和/或分析。圖2是可與電力系統100(圖1中示出)配合使用的傳感器組件110的示意圖。在示範實施例中，傳感器組件Iio包括信號處理裝置200和經由數據管道204耦合到信號處理裝置200的探頭202。備選地，探頭202可無線耦合到信號處理裝置200。此外，在示範實施例中，探頭202包括耦合到和/或放置在探頭殼體208內的發射器206，發射器206生成電磁場224。發射器206經由數據管道204耦合到信號處理裝置 200。備選地，發射器206可無線耦合到信號處理裝置200。此外，在示範實施例中，探頭202 是包含寬帶發射器206的微波探頭202。更具體地說，在示範實施例中，發射器206配置成從具有預定義頻率範圍內的多個頻率分量的至少一個微波信號生成至少一個電磁場224。此外，在示範實施例中，信號處理裝置200包含耦合到傳輸功率檢測器212、接收功率檢測器214以及信號調節裝置216的定向耦合裝置210。此外，在示範實施例中，信號調節裝置216包含信號發生器218、減法器220和線性化電路222。操作期間，在示範實施例中，信號發生器218生成具有多個微波頻率分量的至少一個電信號(下文稱作「微波信號」)，其中微波信號在諧振操作的範圍內。該範圍由發射器206的大小規定。信號發生器218將微波信號傳送到定向耦合裝置210。定向耦合裝置 210將微波信號傳送到傳輸功率檢測器212和發射器206。在通過發射器206傳送微波信號時，電磁場2M從發射器206發射並發射到探頭殼體208外。如果一個對象，例如驅動軸 104(圖1中示出)或機器102(圖1中示出)和/或電力系統100的另一個部件進入電磁場2M和/或改變在電磁場224內的相對位置，對象與場2M之間可能發生電磁耦合。更具體地說，因為電磁場224內對象的存在和/或因為這種對象移動，電磁場224由於對象內的感應效應和/或電容效應而受到擾亂，這些效應可導致電磁場224的至少一部分作為電流和/或電荷感應地和/或電容地耦合到對象。在這種實例中，發射器206失諧(即，發射器206的諧振響應偏移和/或改變等)並且使負載被感應到發射器206。被感應到發射器 206的負載導致微波信號的反射(下文稱作「失諧負載信號」)通過數據管道204傳送到定向耦合裝置210。在示範實施例中，與微波信號的功率幅度和/或相位相比，失諧負載信號具有更低的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示範實施例中，失諧負載信號的功率幅度取決於對象對發射器206的接近度。定向耦合裝置210將失諧負載信號傳送到接收功率檢測器214。在示範實施例中，接收功率檢測器214測量失真信號中包含的功率量並將表示所測量失諧負載信號功率的信號傳送到信號調節裝置216。此外，傳輸功率檢測器212檢測微波信號中包含的功率量並將表示所測量微波信號功率的信號傳送到信號調節裝置216。在示範實施例中，減法器220接收測量的微波信號功率和測量的失諧負載信號功率，並計算微波信號功率與失諧負載信號功率之間的差值。減法器220將表示所計算差值的信號(下文稱作「功率差值信號」)傳送到線性化電路222。在示範實施例中，功率差值信號的幅度與電磁場224內的對象(例如，軸104)與發射器206之間定義的距離230(即，對象接近度) 基本成比例，例如反比或指數比。但是，取決於發射器206的幾何形狀或其他特性，功率差值信號的幅度可至少部分展示相對對象接近度的非線性關係。此外，在示範實施例中，發射器206具有基本平坦的駐波比。因此，當諧振頻率因發射器206失諧而偏移時，失諧負載信號在寬廣頻率範圍上保持與距離230基本成比例或指數比。在示範實施例中，線性化電路222將功率差值信號轉換成電輸出，例如展示對象接近度與接近度測量信號的幅度之間的基本線性關係的電壓輸出信號(即「接近度測量信號」)。此外，在示範實施例中，線性化電路222將接近度測量信號傳送到診斷系統112(圖 1中示出)，其中已啟用比例因子用於診斷系統112內的處理和/或分析。線性化電路222 可使用模擬信號處理技術或數位訊號處理技術以及使用兩者的混合來利用和驅動發射器 206。例如，在示範實施例中，接近度測量信號具有每毫米幾伏特的比例因子。備選地，接近度測量信號可具有使診斷系統112和/或電力系統100能夠按照本文所述起作用的任何其它比例因子。圖3是可與傳感器組件110(圖1和2中示出)配合使用的發射器300的透視圖。 更具體地說，發射器300是可用作寬帶發射器206 (圖2中示出)的特定類型的寬帶發射器。 在示範實施例中，發射器300是對數螺旋線發射器300，具有由發射器300的形狀和/或尺寸定義的寬廣頻率範圍。更具體地說，在示範實施例中，發射器300可接收和/或傳送頻率介於約2GHz到約800MHz之間的信號。在示範實施例中，發射器300使用印刷電路板301製造，並且以基本二維平面形狀構成。更具體地說，發射器300使用由第一表面302和第二表面304定義的基本圓截面形狀構成。第一表面包括管道306，在示範實施例中，它具有基本螺旋形狀並由金屬線構成。 信號(例如微波信號)可通過管道306傳送，並且更具體地說，經由所需的螺旋長度307傳送。備選地，管道306可由大小經調整以接受管道306並使發射器300能夠按照本文所述起作用的任何其它物質或複合物來製造。發射器300的第二表面304經由數據管道204耦合到信號處理裝置200 (圖2中示出)。具體地說，數據管道204具有第一端308和第二端310。第一端308耦合到發射器第二表面304，並且在示範實施例中，第二端310耦合到信號處理裝置200。在示範實施例中，發射器第二表面304包括從第二表面304延伸到第一表面302的連接裝置312。數據管道204經由連接裝置312耦合第二表面304。操作期間，信號發生器218(圖2中示出)生成具有多個頻率分量的微波信號並將微波信號傳送到定向耦合裝置210(圖2中示出)。定向耦合裝置210(圖2中示出)將微波信號傳送到傳輸功率檢測器212(圖2中示出)和發射器300。在通過發射器300傳送微波信號時，電磁場224(圖2中示出)從發射器300發射並發射到探頭殼體208(圖2中示出)外。更具體地說，微波信號通過管道306傳送。如果一個對象，例如驅動軸104(圖1中示出)或機器102 (圖1中示出)和/或電力系統100 (圖1中示出)的另一個部件進入電磁場2M和/或改變在電磁場224內的相對位置，對象與場2M之間可能發生電磁耦合。更具體地說，因為電磁場224內對象的存在和/或因為這種對象移動，電磁場224由於對象內的感應效應和/或電容效應而受到擾亂，這些效應可導致電磁場224的至少一部分作為電流和/或電荷感應地和/或電容地耦合到對象。在這種實例中，發射器300失諧 (即，發射器206的諧振頻率減小和/或改變等)並且使負載被感應到發射器300。感應到發射器300的負載導致失諧負載信號通過數據管道204(圖2中示出)傳送到定向耦合裝置210。在示範實施例中，與微波信號的功率幅度和/或相位相比，失諧負載信號具有更低的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示範實施例中，失諧負載信號的功率幅度取決於對象(例如，軸104)對發射器300的接近度。定向耦合裝置210將失諧負載信號傳送到接收功率檢測器214(圖2中示出)。此外，接收功率檢測器214測量失真信號中包含的功率量並將表示測量的失諧負載信號功率的信號傳送到信號調節裝置216(圖2中示出)。此外，傳輸功率檢測器212檢測微波信號中包含的功率量並將表示測量的微波信號功率的信號傳送到信號調節裝置216。 在示範實施例中，減法器220(圖2中示出)接收測量的微波信號功率和測量的失諧負載信號功率，並計算微波信號功率與失諧負載信號功率之間的差值。減法器220將表示計算的差值的信號(下文稱作「功率差值信號」)傳送到線性化電路222(圖2中示出)。在示範實施例中，功率差值信號的幅度與電磁場224內的對象(例如，軸104)與發射器300之間定義的距離230 (即，對象接近度)基本成比例，例如反比或指數比。在示範實施例中，發射器300具有平坦的駐波比。因此，當諧振頻率因發射器300 失諧而偏移時，失諧負載信號在寬廣頻率範圍上保持與距離230(圖2中示出)基本成比例或指數比。圖4是可與傳感器組件110(圖1和2中示出)配合使用的發射器400的透視圖。 更具體地說，發射器400是可用作寬帶發射器206 (圖2中示出)的特定類型的寬帶發射器。 在示範實施例中，發射器400是對數周期發射器400，具有由發射器400的形狀和/或尺寸定義的寬廣頻率範圍。更具體地說，在示範實施例中，發射器400可接收和/或傳送頻率介於約300MHz到約1600MHz之間的信號。在示範實施例中，發射器400使用印刷電路板401製造，並且以基本二維平面形狀構成。更具體地說，發射器400使用由第一表面402和第二表面404定義的基本圓截面形狀構成。第一表面402包括管道406，在示範實施例中，它具有包含第一端405和第二端407 的基本非線性形狀。信號(例如，微波信號)可通過管道406傳送，並且更具體地說，傳送到第一端405或第二端407。在示範實施例中，管道406由金屬線構成。備選地，管道406可由大小和形狀經調整以接受管道406並使發射器400能夠按照本文所述起作用的任何物質或複合物來構成。發射器第二表面404經由數據管道204耦合到信號處理裝置200 (圖2中示出)。 具體地說，數據管道204具有第一端308和第二端310。第一端308耦合到發射器第二表面 404。更具體地說，發射器第二表面404包括從第二表面404延伸到第一表面402的連接裝置412。數據管道204經由連接裝置412耦合到第二表面404。操作期間，信號發生器218(圖2中示出)生成具有多個頻率分量的微波信號並將CN 102538649 A微波信號傳送到定向耦合裝置210(圖2中示出)。定向耦合裝置210(圖2中示出)將微波信號傳送到傳輸功率檢測器212和發射器300。在通過發射器400傳送微波信號時，電磁場224(圖2中示出)從發射器400發射並發射到探頭殼體208(圖2中示出)外。更具體地說，微波信號通過管道406傳送。如果一對象，例如驅動軸104(圖1中示出)或機器 102(圖1中示出)和/或電力系統100(圖1中示出)的另一個部件進入電磁場2M和/ 或改變在電磁場224內的相對位置，對象與場2M之間可能發生電磁耦合。更具體地說，因為電磁場224內對象的存在和/或因為這種對象移動，電磁場224由於對象內的感應效應和/或電容效應而受到擾亂，這些效應可導致電磁場224的至少一部分作為電流和/或電荷感應地和/或電容地耦合到對象。在這種實例中，發射器400失諧(即，發射器206的諧振頻率減小和/或改變等)並且使負載被感應到發射器400。感應到發射器400的負載導致失諧負載信號通過數據管道204(圖2中示出)傳送到定向耦合裝置210。在示範實施例中，與微波信號的功率幅度和/或相位相比，失諧負載信號具有更低的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示範實施例中，失諧負載信號的功率幅度取決於對象對發射器400的接近度。定向耦合裝置210將失諧負載信號傳送到接收功率檢測器214(圖2中示出)。此外，接收功率檢測器214測量失真信號中包含的功率量並將表示測量的失諧負載信號功率的信號傳送到信號調節裝置216(圖2中示出)。此外，傳輸功率檢測器212檢測微波信號中包含的功率量並將表示測量的微波信號功率的信號傳送到信號調節裝置216。 在示範實施例中，減法器220(圖2中示出)接收測量的微波信號功率和測量的失諧負載信號功率，並計算微波信號功率與失諧負載信號功率之間的差值。減法器220將表示計算的差值的信號(下文稱作「功率差值信號」)傳送到線性化電路222(圖2中示出)。在示範實施例中，功率差值信號的幅度與電磁場224內的對象(例如，軸104)與發射器400之間定義的距離230 (即，對象接近度)基本成比例，例如反比或指數比。在示範實施例中，發射器400具有平坦的駐波比。因此，當諧振頻率因發射器400 失諧而偏移時，失諧負載信號在寬廣頻率範圍上保持與距離230 (圖2中示出)基本成比例或指數比。圖5是示出用於測量部件相對與電力系統(例如圖1中的系統100)配合使用的發射器的接近度的示範方法500的流程圖。在示範實施例中，具有預定義頻率範圍內的多個頻率分量的至少一個微波信號傳送502到發射器206 (圖2中示出)。由發射器206從微波信號生成504至少一個電磁場224 (圖2中示出)。通過機器部件(例如圖1所示的驅動軸104)與電磁場2M之間的交互使負載被感應506到發射器206，其中表示負載的至少一個失諧負載信號在來自發射器206的數據管道204(圖2中示出)中反射。由至少一個信號處理裝置200 (圖2中示出)接收508負載信號。此外，在示範實施例中，信號處理裝置200基於失諧負載信號測量509軸104對發射器206的接近度。然後，信號處理裝置200生成510電輸出。電輸出傳送512到診斷系統112(圖1中示出)。上述實施例提供了高效和相當準確的傳感器組件，其可用於測量部件相對發射器的接近度。具體地說，本文所述的實施例提供使用在寬頻率範圍上操作的發射器執行接近度測量的傳感器組件。更具體地說，這種發射器具有基本平坦的駐波比，使發射器在發射器的S參數中具有穩定的行為模式。結果，即使發射器的諧振頻率偏移，發射器的S參數保持可用於關聯相關距離的規則模式。這樣，使本文所述的傳感器組件能提供相當準確的測量。上文詳細描述了用於測量機器部件相對發射器的接近度的傳感器組件和方法的示範實施例。該方法和傳感器組件並不局限於本文所述的具體實施例，而是可獨立且分離於本文所述的其它部件和/或步驟來使用傳感器組件的部件和/或方法的步驟。例如，傳感器組件還可與其它測量系統和方法組合使用，而並不局限於僅與本文所述的電力系統一起實踐。更確切地，示範實施例可與許多其它測量和/或監測應用結合實現和使用。雖然本發明的多種實施例的特定特徵可在一些附圖中示出而在其它附圖中未示出，但是這只是為了方便起見。根據本發明的原理，附圖的任何特徵可與任何其它附圖的任何特徵組合引用和/或要求其權益。本書面描述使用示例來公開包括最佳模式的本發明，以及還使本領域技術人員能實踐本發明，包括製作和使用任何裝置或系統及執行任何結合的方法。本發明可取得專利的範圍由權利要求確定，且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例包括與權利要求字面語言無不同的結構要素，或者如果它們具有與權利要求字面語言無實質不同的等效結構要素，則它們規定為在權利要求的範圍之內。配件表
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權利要求
1.一種傳感器組件(110)，包括至少一個探頭002)，包括從具有預定義頻率範圍內的多個頻率分量的至少一個微波信號生成至少一個電磁場0 )的發射器006)，其中，在部件(104)與所述至少一個電磁場交互時負載被感應到所述發射器；耦合到所述發射器的數據管道O04)，其中，表示所述負載的至少一個負載信號在來自所述發射器的所述數據管道內反射；以及至少一個信號處理裝置O00)，配置成接收所述至少一個負載信號並生成電輸出。
2.如權利要求1所述的傳感器組件(110)，其中，所述至少一個信號處理裝置(200)還配置成基於所述至少一個負載信號計算所述部件(104)對所述發射器Q06)的接近度。
3.如權利要求1所述的傳感器組件(110)，其中，所述電輸出與所述部件(104)的接近度測量基本成比例。
4.如權利要求1所述的傳感器組件(110)，其中，所述發射器(206)包括基本二維平面形狀。
5.如權利要求1所述的傳感器組件(110)，其中，所述發射器(206)是寬帶發射器。
6.如權利要求5所述的傳感器組件(110)，其中，所述寬帶發射器是對數螺旋線發射ο
7.如權利要求5所述的傳感器組件(110)，其中，所述寬帶發射器是對數周期發射器。
8.一種電力系統(100)，包括包含至少一個部件(104)的機器(102)；放置在所述至少一個部件附近的至少一個傳感器組件(110)，其中，所述至少一個傳感器組件包括至少一個探頭(20 ，包括從具有預定義頻率範圍內的多個頻率分量的至少一個微波信號生成至少一個電磁場0 )的發射器006)，其中，在所述至少一個部件與所述至少一個電磁場交互時負載被感應到所述發射器；耦合到所述發射器的數據管道O04)，其中，表示所述負載的至少一個負載信號在來自所述發射器的所述數據管道內反射；和至少一個信號處理裝置000)，配置成接收所述至少一個負載信號並生成電輸出；以及耦合到所述至少一個傳感器組件的診斷系統(112)。
9.如權利要求8所述的電力系統，其中，所述至少一個信號處理裝置(200)還配置成 基於所述至少一個負載信號計算所述至少一個部件(104)對所述發射器的接近度。
10.如權利要求8所述的電力系統，其中，所述發射器(206)包括基本二維平面形狀。
全文摘要
本發明的名稱為「測量部件對發射器的接近度的傳感器組件和方法」。提供一種傳感器組件(110)，包括至少一個探頭(202)，探頭包括從具有預定義頻率範圍內的多個頻率分量的至少一個微波信號生成至少一個電磁場(224)的發射器(206)，其中，在部件(104)與至少一個電磁場交互時負載被感應到發射器；耦合到發射器的數據管道(204)，其中表示負載的至少一個負載信號在來自發射器的數據管道內反射；以及配置成接收至少一個負載信號並生成電輸出的至少一個信號處理裝置(200)。
文檔編號G01B7/02GK102538649SQ20111041196
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月21日 優先權日2010年11月22日
發明者B·L·謝克曼, S·Y·葛, Y·李 申請人:通用電氣公司