皮带监测系统和方法

专利名称：皮带监测系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及传动带(power transmission belt)，更具体地说，本发明涉 及监测这种皮带的状况的系统和方法，尤其涉及监测具有导电加强部件的皮带的系统和方法。
背景技术：
监测传动带等的状况的现有尝试要求对皮带作特殊修改。例如，Gartland的美国 专利第6，715，602号讲述了有目的地嵌入传送带中，以便帮助检测和定位传送带中的裂缝 的包含无端环路的至少一个专用传感器的并入。作为另一个例子，颁发给Ahmed的两个专 利，即，美国专利第6，523，400和6，532，810号讲述了要求嵌入皮带中以帮助检测闭环中的 断裂的专用闭环线或条的使用。在这两种情况下，嵌入这样的传感器是昂贵的，需要特殊的 生产方法以及对于皮带的正常使用非同寻常的附加材料。

发明内容
本发明的目的在于提供感测传动带、传送带等的状况的系统和方法。更具体地说， 本发明的实施例涉及通过使电磁波传播到皮带内的已有导电加强部件中来监测皮带的物 理特征。本发明避免了介入式传感器的使用，它可能损害皮带的坚固性、完整性和强度，从 而在其期望的应用中可能对皮带的性能造成负面影响。皮带监测系统的一个实施例可以包括具有至少一个加强部件的皮带，所述至少一 个加强部件优选地由例如碳纤维线等的导电材料制成。在通过引用并入本文中的共同拥有 美国专利第5，807，194和6，695，733号中讨论了将碳纤维作为加强物并入传动带中。可替 代地或附加地，这样的加强部件可以包含像在混合碳和玻璃复合带中那样，除了导电材料 之外的其它加强材料。本发明的系统优选地还包括皮带监测器，所述皮带监测器可以布置 成与所述皮带相关联。这样的皮带监测器优选地包括例如像压制铁氧体磁芯感应器那样的 场感应器，所述场感应器可以被例如电压信号的施加信号激发，导致电磁场的生成。铁氧体 磁芯感应器可以是环形的或U形的。如果感应器磁芯是环形的，那么它优选地是开口的。所 述电磁场可以受皮带中的加强部件的电特性的变化影响。皮带中的加强部件的电特性的这 些变化可以是诸如损伤、断裂、破裂、疲劳温度的变化等的皮带物理状况的变化的结果。这 些变化的影响可以表现为电磁场的变化，而电磁场的变化可以进一步表现在所述场感应器 的电特性中。所述场感应器的至少一部分的电特征的测量可以使用读出感应器(sense inductor)作出，所述读出感应器可以布置成与所述场感应器相邻，例如，围绕压制铁氧体 磁芯感应器的磁芯。这样的测量可以包括，但不局限于，诸如流入所述场感应器中的电流的 幅度、所述场感应器中的电压的波形对称性的变化、所述场感应器中的电压与电流之间的 相差、和/或所述场感应器中的磁通的幅度那样的电特性的测量。这样的测量可以通过应 用例如包括数字信号处理(DSP)等的数据获取过程来完成。
所述皮带监测系统的一个实施例可以监测诸如可以用在机动车上的皮带(诸如 定时皮带或附件驱动皮带、无级变速器(CVT)皮带、三角皮带(包括碳三角皮带)、风扇皮 带、碳纤维加强热塑性聚氨酯(TPU)皮带、热固性/弹性皮带、无端皮带、长皮带等)的状 况。可替代地，所述皮带监测系统可以与所述皮带相关联地用在诸如静态机器、驱动机构、 传送带等的工业应用中。所述皮带优选地包含诸如碳纤维或碳线那样的导电纤维，所述导 电纤维可以与所述皮带整合在一起，并且可以纵向贯穿所述皮带的至少一部分，以加强所 述皮带。由于如上所述，所述场感应器优选地布置成与包含所述导电加强纤维的所述皮带 相邻，所述纤维可以影响通过激发所述场感应器生成的电磁场。皮带状况的变化，例如皮带 的磨损、作用在皮带上的应力、作用在皮带中的纤维上的应力、皮带温度的变化、和/或皮 带材料的退化等可以表现为场感应器生成的电磁场的变化。电磁场的变化可以表现为所述 场感应器的电特征的变化，诸如所述场感应器的阻抗、流入所述场感应器中的电流的幅度、 所述场感应器中的电压的波形对称性、所述场感应器中的电压与电流之间的相差、所述场 感应器中的磁通的幅度的变化。在操作中，像上述那样的系统可以采用一种监测皮带的方法，所述方法包括如下 步骤将场感应器布置在具有至少一个导电加强部件的皮带附近；通过使电流通过所述场 感应器来激发它，以便生成电磁场；将读出感应器布置成与所述场感应器、所述皮带和所述 电磁场相邻；测量受所述电磁场影响的所述读出感应器的电参数，而所述电磁场受所述皮 带的物理参数影响；以及从所述读出感应器的测量电参数中确定所述皮带的物理状况。上文相当宽泛地概括了本发明的特点和技术优势，以便使人们可以更好地理解如 下对本发明的详细描述。下文将描述形成本发明的权利要求书的主题的本发明的附加特 点和优势。本领域的技术人员应该懂得，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改 或设计实现本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应该认识到，这样 的等效构造不偏离如所附权利要求所述的本发明的精神和范围。当与附图结合在一起考虑 时，无论就本发明的组织而言还是就本发明的操作方法而言都被认为是本发明的特征的新 特点以及进一步的目的和优势可以从如下的描述中得到更好理解。但是，很容易理解，每个 图形只是为了例示和描述的目的而提供的，而无意作为本发明的限定的定义。


其中相同标号指定相同部件、并入本说明书中形成本说明书的一部分的附图例示 了本发明的实施例，并且与如下描述一起，用于说明本发明的原理。在附图中图1是皮带监测系统的一个实施例的示意性例示；图2是带齿皮带的一个例子的片断图；图3是皮带监测器的一个实施例的示意性例示；图4是皮带监测器的一个实施例的结构的更详细示意性例示；图5是检测皮带状况的方法的一个实施例的流程图；图6是可以应用在本发明系统和方法中的数字信号处理过程的一个实施例的流 程图；图7是可以应用在本发明系统和方法中的温度调整过程的一个实施例的流程图；图8是可以应用在本发明系统和方法中的校准/数字获取过程的一个实施例的流程图；以及图9是可以应用在本发明系统和方法中的提取算法的一个实施例的流程图。
具体实施例方式本发明旨在提供用于感测诸如图2中所示的传动带、传送带等的皮带的状况的系 统和方法，诸如分别例示在图1和5中的系统和方法。更具体地说，本发明的实施例涉及 通过如下面更详细讨论的那样，使电磁波传播到皮带内的加强部件中来监测皮带的物理状 况。转到图1，皮带监测系统100的一个实施例可以包括具有加强部件120的皮带 110，加强部件120优选地由例如像碳纤维、碳线等那样的导电材料制成。这样的导电加强 部件120可以与其它皮带加强部件130混合或以其它方式合并在一起，其它皮带加强部件 130可以是例如绞合或编织线、纺织布(woven fabrics)或非纺织布(nonwoven fabrics) 等，由可以是导电的也可以是不导电的诸如聚酰胺、芳纶、聚氨酯、尼龙、玻璃、腈纶和/或 聚酯那样的材料制成。例如，可以将这样的导电加强部件120与皮带110内的已有纺织布混 合在一起，所述纺织布可以布置在皮带110的诸如滑轮接触面或背面那样的表面的至少一 部分上。可替代地，可以将这样的导电加强部件120织入皮带110的背面布(back fabric), 交叉帘布(cross-cord fabric)或任何嵌入布层，或者以其它方式与皮带110整合在一起。 可替代地，可以将导电加强部件120并入、嵌入或混合到带体材料125中，带体材料125可 以基于例如塑料、弹性体、橡胶、聚氨酯等，并可以包括例如填料、纤维、固化剂或/或任何 数量的各种添加剂。按照本发明的某些实施例，构件120可以是任何期望直径的连续碳纤 维细丝，或直径在5-9微米范围内的一条或多条碳纤维细丝。导电加强部件120优选地纵向贯穿皮带110的至少一部分。可替代地，构件120 可以沿着皮带110的整个长度延伸，或进一步沿着皮带110的整个长度延伸好几圈。构件 120优选地提供穿过皮带110的至少一部分的导电路径。这个导电路径可以由多个导电加 强部件120组成。可替代地或附加地，构件120 (或构件120的至少一部分)可以横向布置 成跨过皮带110的至少一部分延伸，从而沿着皮带的横轴加强皮带。转到图2，例如，可以将 构件120布置在齿200中或与齿200相邻。此外，齿布210可以包括用在皮带或粘合处理 中的化合物或材料。齿布210可以是层状或复合材料。例如，齿布210可以包含诸如具有 导电涂层、导电薄膜等的层那样的导电层。另外，这样的导电层可以覆盖皮带的大部分甚至 全部暴露表面。按照本发明，可以在这样的带导电涂层的皮带中检测“背部裂纹”和皮带老 化和磨损的其它指示。作为另一个例子，绞合线230可以是玻璃/碳混合物。可替代地或 附加地，导电件可以包含整合到皮带110等中的横向和纵向加强线的组合物。本发明的系统优选地还包括皮带监测器140，皮带监测器140优选地布置成与皮 带110相关联，例如紧挨着一段皮带110。像示意性地例示在图3中那样的皮带监测器140 的一个实施例可以包括微控制器310和温度传感器320。皮带监测器140优选地还包括场 感应器330，感应器330可以是例如开口磁芯、铁氧体线圈感应器等。场感应器330优选地 布置成与皮带110相关联，例如如图4所示，布置在皮带110的上面。铁氧体磁芯感应器可 以是环形的或U形的。如果感应器磁芯是环形的，那么它优选地是开口的，以便允许将场感 应器布置成围绕一段皮带。
在操作中，场感应器330可以在图5的520中被例如电压信号那样的施加信号激 发，图5是检测皮带状况的方法的一个实施例500的流程图。这个信号可以应用在场感应器 330的一个端子上，它可以是诸如交流电压波形信号、或可变直流电波形信号等那样的双极 信号。电压的施加将优选地导致通过场感应器330生成电磁场410。变压器可以包含初级和次级绕组。通常，这样的变压器在次级绕组具有接近无 穷大的阻抗，称为开路绕组的情况下，在初级和次级绕组的电压和电流信号之间呈现接近 90°的相差。可替代地，当次级绕组的阻抗接近0时，上述相差也接近0°。在本发明的一 个实施例中，场感应器起变压器初级绕组的作用。如510所述，布置成与场感应器相关联的 皮带对于场感应器表现为对初级绕组加载的次级绕组。受导电构件和/或存在于皮带之中 的构件的物理状况影响的皮带物理特征将影响生成的电磁场，后者对皮带给予初级绕组的 负载做出贡献。处在良好或完好状况下的皮带可以表现为比具有由磨损、损伤、应力、和/ 或退化等引起的状况的皮带更小的阻抗。在本发明的某些实施例中，优选地是，电磁场410受皮带110中的加强部件120的 电特性的变化影响，后者可能由皮带110的物理状况的变化所致。这些变化的影响可以表 现为电磁场410的变化，并且可以如图5中的540所述被测量。这些变化的影响可以进一 步表现在场感应器330的电特性中。例如，皮带110的结构的损伤可以表现为皮带110的 阻抗的变化。因此，在上面给出的皮带110起次级绕组作用时的例子中，次级绕组上的阻抗 变化可能是皮带110的损伤所致。这样的损伤可能呈现为皮带110的主体的损伤、皮带上 的齿200的损伤、加强部件120的损伤、或像上面讨论过的那样，皮带中的其它材料的损伤 的形式。皮带监测器140可以进一步包括像图3和4中所示的例示性实施例中那样的读出 感应器340。读出感应器340可以布置成与场感应器330相邻，以便如图4中的实施例所 示共享公用磁芯。正如在550中指出的那样，在图5的流程图中，皮带的物理状况可以从读 出感应器的测量电参数中确定。更具体地说，场感应器330的至少一部分的电特征的测量 可以使用读出感应器340来完成。这样的测量可以包括诸如流入场感应器330中的电流的 幅度、场感应器330中的电压的波形对称性的变化、场感应器330中的电压与电流之间的相 差、场感应器330中的磁通的幅度那样的电特性的测量。在双极施加电压，例如，正弦源电压的情况下，场感应器330中的电压与电流之间 的相差将具有90°的相差。也就是说，通过变压器的初级绕组的电流比电压滞后90°。在 电磁场410附近的皮带110中感生的电流一般比施加于场感应器330的电压滞后90°，存 在于感应器330中的感生电压或反向电磁场(EMF)亦如此。像由皮带110和/或加强部件 120的电特征的变化所致的阻抗的变化那样，当将负载施加于次级绕组(皮带110)时，该负 载引出电流。这种被引出的电流通过变压器反射到初级绕组(场感应器330)上。其结果 是，场感应器330从施加电压源中引出更大电流。随着变压器接近最大功率，原来90°的相 移越来越小，这可以用于按照本发明的系统和方法确定皮带110和/或加强部件120的物 理特性的变化。依照本发明的各种实施例，可以使用读出感应器340测量场感应器330的一个实 施例的铁氧体磁芯中的磁通的幅度。磁通的变化与通过皮带110的阻抗施加的负载有关， 并且代表皮带Iio和/或加强部件120的损伤。可以将皮带监测器140校准成存储和/或补偿诸如环境温度、湿度、压力等的皮带110内部或外部的任何现有状况。依照各种实施例，场感应器330的波形对称性的变化可以通过使用一种或多种数 字信号处理(DSP)模式比较技术来检测和测量。这种比较技术的实施例600的一个例子例 示在图6中，它可以包括在630中例如通过应用16-位、希格玛-德尔塔、模拟-数字转换 器检测跨过读出感应器340的信号。信号的修整(conditioning) 640，例如，使用全波整流， 可以保护信号的逼真性。这样的信号可以是频率的函数，并可以存储在多维阵列等中。在 650中可以针对所测温度调整所检测和/或经修整的信号。这种调整过程的实施例700例 示在图7中。在660中可以获取随后的数据并将其与设置的校准数据相比较。可以将这个 数据存储在非易失性存储块中。660中的数据获取和比较可以使用校准和数据获取过程来 完成。这种过程的例子例示在图8中。在670中，如果经修整和经过温度补偿的数据值小 于指示皮带损伤的阈值，DSP过程600的流程返回到630并获取新数据。但是，如果在670 中，经修整和经过温度补偿的数据值大于指示皮带损伤的阈值，则可以在680中发出警告。图7是可以在步骤650中应用在DSP过程600中的温度调整过程的实施例700的 流程图。在710中，测量环境温度。在715中，将多项式温度补偿方程应用于所测量温度。 在730中从来自740的原始获取数据中减去在720中得出的方程结果。可以将在750中所 得的补偿数据供应给DSP过程600，以便用在650中。图8是可以应用在用在图6中的DSP流程600中的数据上的校准/数据获取过程 的一个实施例的流程图。在810中，设置扫描频率。在820中，可以分配一些时间，以便使 场感应器330的磁芯达到稳定。在830中，初始化数据获取。在840中，确定数据获取是否 完成，如果未完成，则启动等待状态。如果在步骤840中数据获取已完成，在850中进行温 度补偿700。在860中，将来自860的温度补偿数据存储在校准数据阵列中。在870中，递 增扫描频率，并在880中，递增阵列元。在890中，确定经递增的频率是否等于阈值。如果 不等于阈值，校准/数据获取过程返回到820。如果经递增的频率确实等于阈值，结束校准 /数据获取过程800。图9是可以用作数据获取和校准过程800的一部分的提取算法的实施例900的流 程图。在920中，构建表示例如校准数据与任何随后获取数据之间的变化率的差阵列。该差 阵列、任何校准或随后获取数据可以包括与信号等的频率、振幅、波形对称性有关的信息。 例如，在920中，可以从经校准的X元素中减去新获取的阵列元X，并且可以将结果存储成差 X。然后，在930中，可以递增阵列元X。一旦在940中确定920中的元素相减完成了，可以从 差阵列中提取数据，并且可以修改差阵列。例如，在950中，可以以提供平方模数数据的方 式将内容平方。这样的数据可以有利地增大感知幅度，从而有助于更好地检测细小的变化。 在960中，通过应用例如窗口可以开成单位系数的矩形窗口的有限脉冲响应滤波器那样的 滤波器，可以获得多点移动平均值，例如，二十(20)点移动平均值(rolling average) 0这 样就可以得出代表任何校准数据与随后数据之间的变化的某些值。在970中可以将这样的 值与可以被存储或被计算以便确定皮带的状况的特定阈值相比较。皮带状况的指示可以表 示成在990中发送给任何外部设备、系统100内部的任何其它部件、皮带监测器140内部的 任何其它部件或任何其它用户的警告、信号、信息、数据等。如果在970中未授权发出警告， 则继续执行数据获取过程800。尽管已经详细描述了本发明及其优势，但应该明白，本文可以不偏离如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围地作出各种各样的改变、替换和变更。此外，本申请的范 围无意局限于描述在说明书中的过程、机器、制造、物质的成分、器件、方法和步骤的特定实 施例。本领域的技术人员可以容易地从本发明的公开文本中体会到，可以按照本发明利用 基本上执行与本文所述的相应实施例相同的功能或基本上获得与本文所述的相应实施例 相同的结果的当前已有或以后开发的过程、机器、制造、物质的成分、器件、方法或步骤。于 是，所附权利要求书旨在使这样的过程、机器、制造、物质的成分、器件、方法或步骤包括在 它的范围之内。
权利要求
一种系统，包含具有至少一个加强部件的皮带，所述至少一个加强部件包含导电加强材料；布置成与所述皮带相关联的皮带监测器，所述皮带监测器包含通过施加信号激发的场感应器；以及监测装置，用于监测受所述导电加强部件的电特性的变化影响的所述场感应器的至少一部分的电特征，以便确定所述导电加强部件的物理状况从而监测所述皮带的物理特征。
2.按照权利要求1所述的系统，其中，所述导电加强材料包含碳纤维皮带加强物。
3.按照权利要求1所述的系统，其中，所述导电加强材料与非导电加强材料被织在一起。
4.按照权利要求1所述的系统，其中，所述导电加强材料被布置成与所述皮带整合在一起。
5.按照权利要求1所述的系统，其中，所述导电加强材料被布置在所述皮带的外部的 至少一部分上。
6.按照权利要求1所述的系统，其中，所述导电加强材料被布置成与所述皮带上的齿整合在一起。
7.按照权利要求1所述的系统，其中，所述加强部件沿着所述皮带的至少一部分纵向布置。
8.按照权利要求1所述的系统，其中，所述加强部件跨过所述皮带的至少一部分横向布置。
9.按照权利要求1所述的系统，其中，所述场感应器包含导电线和铁氧体磁芯。
10.按照权利要求1所述的系统，其中，作为施加所述施加信号的结果，所述场感应器 生成电磁场。
11.按照权利要求1所述的系统，其中，所述监测装置包含布置成与所述场感应器相邻 的读出感应器。
12.按照权利要求11所述的系统，其中，所述场感应器的所述电特征是表现在所述读 出感应器中的所述场感应器的阻抗。
13.按照权利要求11所述的系统，其中，所述场感应器和所述读出感应器共享公用磁-I-H心。
14.按照权利要求1所述的系统，其中，所述场感应器的所述电特征是流入所述场感应 器中的电压与电流之间的相差。
15.按照权利要求1所述的系统，其中，所述场感应器的所述电特征是所述场感应器中 的磁通的幅度。
16.按照权利要求1所述的系统，其中，所述场感应器的所述电特征是所述场感应器中 的电压的波形对称性的变化。
17.按照权利要求1所述的系统，其中，所述场感应器的所述电特征是流入所述场感应 器中的电流的幅度。
18.按照权利要求1所述的系统，其中，所述施加信号是电压信号。
19.按照权利要求1所述的系统，其中，所述皮带来自由如下构成的组定时皮带、附件 驱动皮带、碳无级变速器皮带、碳三角皮带、风扇皮带、碳热塑性聚亚氨酯皮带、长皮带、静态机器皮带、和传送带。
20.一种方法，包含将第一感应器布置成与包含导电加强部件的皮带相邻；通过使信号通过所述第一感应器来激活它，以便生成电磁场；将第二感应器布置成与所述第一感应器、所述皮带和所述电磁场相邻；使用所述第二感应器测量受所述电磁场影响的所述第一感应器的电特征，而所述电磁 场受所述导电加强部件的物理状况影响；以及从测量的电特征中确定所述皮带的物理状况。
21.按照权利要求20所述的方法，其中，所述第一感应器包含导电线和铁氧体磁芯。
22.按照权利要求20所述的方法，其中，所述第一感应器和所述第二感应器共享公用 磁芯。
23.按照权利要求20所述的方法，其中，所述第一感应器的所述电特征是表现在所述 第二感应器上的所述第一感应器的阻抗。
24.按照权利要求20所述的方法，其中，所述电特征代表流入所述第一感应器中的电 压与电流之间的相差。
25.按照权利要求20所述的方法，其中，所述电特征代表所述第一感应器中的磁通的 幅度。
26.按照权利要求20所述的方法，其中，所述电特征代表所述第一感应器中的电压的 波形对称性的变化。
27.按照权利要求20所述的系统，其中，所述电特征代表流入所述第一感应器中的电 流的幅度。全文摘要
一种皮带监测系统，应用具有至少一个加强部件的皮带，所述至少一个加强部件由导电加强材料制成。将皮带监测器布置成与所述皮带相关联。所述皮带监测器包含通过施加信号激发的场感应器。监测受所述导电加强部件的电特性的变化影响的所述场感应器的至少一部分的电特征，以便确定所述导电加强部件的物理状况，从而监测所述皮带的物理特征。这种监测可以由布置成与所述场感应器相邻或相关联的读出感应器来完成。
文档编号G01N27/22GK101946174SQ200980105727
公开日2011年1月12日 申请日期2009年1月15日 优先权日2008年1月16日
发明者A·K·麦卡尔, C·瓦尔克, D·哈尼斯, G·诺克斯, I·布达乌德, R·默菲特, W·D·林恩, W·斯图尔特 申请人:盖茨公司;施拉德尔电子学有限公司