专利名称：用于监控机械耦合结构的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于监控机械耦合结构的系统及相应方法。
背景技术：
如下传感器是公知的:该传感器例如基于萨格纳克效应来确定绝对旋转，因而用于记录大的机械耦合结构在与本地参考框架无关的外力影响下的动态行为。然而，由于这些传感器存在不可避免的漂移，所以频率范围存在下限。因而，本发明的目的是提供用于监控机械耦合结构的系统和方法，该系统和方法能够对机械耦合结构的行为的按时间排列序列进行监控。
发明内容
为了实现该 目的，本发明提供了一种具有权利要求1特征的系统及具有权利要求6特征的方法。系统和方法的优选实施例分别由从属权利要求提供。
下面参考附图描述本发明的优选实施例。附图示出:图1是在根据实施例监控机械耦合结构的过程中系统的示意图；图2是用于确定传感器相对于地球旋转轴方位的示意图；图3是根据另一实施例的方法的流程图；图4是根据另一实施例用于监控的系统；图5是根据另一实施例的系统的示意结构；图6是根据另一实施例的系统的示意结构；图7是根据另一实施例的系统的示意结构；以及图8是根据另一实施例的方法的示意流程。附图中，用同一附图标记指示彼此对应的结构和结构的部件。
具体实施例方式图1不出用于监控机械f禹合结构101的系统100,该系统100包括第一传感器102,其配置用于确定在预定时刻传感器102相对于地球旋转轴的方位作为第一测量值，其中传感器102可与机械耦合结构的第一部分连接。此外，还提供至少一个第二传感器104，该第二传感器104在系统100启动时相对于第一传感器102的第一方位已知，且配置用于确定旋转速度和/或加速度作为第二测量值。同时，该至少一个第二传感器104可与机械耦合结构的第二部分连接。此外，提供中央单元106及通信网络108，中央单元106通过通信网络108与第一传感器102和第二传感器104连接。因而，第一传感器102配置为将第一测量值传送给中央单元106，第二传感器104配置为将第二测量值传送给中央单元106。中央单元106配置为通过第一和第二测量值监控机械耦合结构101。第一传感器102的形式例如为萨格纳克传感器或者科里奥利传感器。这两类传感器可分别利用萨格纳克效应和科里奥利效应检测传感器相对于地球旋转轴的方位。通信网络108的形式可为无线网络或有线网络。这种情况下，可以利用光纤线缆或通过自由空间传播的光通信以及电通信或电磁通信。该方法中，传感器102、104和中央单元106之间的任何通信路径都是可能的。例如，可提供单个传感器102、104分别与中央单元106之间的直接单向通信作为通信路径，这种通信路径特别易于实现。但是，也可以实现更复杂的通信路径，如各个传感器102、104之间以及每个传感器102、104和中央单元106之间的双向通信。需要的话，可通过在传感器102、104中提供GNSS (全球导航卫星系统)传感器技术(未示出)来改进系统，例如可提供GPS (全球定位系统)、伽利略(Gal i Ieo )系统或全球导航卫星系统(Glonass)，因而，可测量传感器102、104的绝对位置。此外，利用GNSS天线与传感器102、104的固定连接，可以通过测量传感器102、104来确定GNSS的天线的旋转(倾斜或扭转)，这是单靠卫星导航系统不能测量的。还可用GNSS的天线确定平移。图2简要示出地球表面200上的第一传感器102如何相对于地球旋转轴202倾斜给定角度Q。利用本发明的系统，·可通过比较测量值和地球的已知恒定旋转速度在传感器102、104中的一个的灵敏传感器轴上的投影值来对机械耦合结构进行长期观察。由于测量值总是与地球旋转速度相关，所以参考地球旋转轴202还可以提供用于避免测量误差(假报警)的标准。如果测量值与地球旋转速度不相关，通常就是出现了测量误差。利用第一传感器102相对地球旋转轴202的该固定关系，可以滤除长期漂移，而且还可实现长期测量，例如检测滑坡、建筑的分布等。第二传感器104的形式可以为旋转传感器，与第一传感器102相比，第二传感器104确定的相对地球旋转轴的方位的精度较低，由此系统的构建成本更合理。第一传感器102的精度例如可为0.01° /小时或更高，而第二传感器的精度仅为1° /小时。用本发明系统和方法分别监控的机械耦合结构101，可以是确定结构的单个部分相对于彼此的方位是否发生变化很重要的结构，例如，可以是建筑、桥梁、船只、飞机或机器等。尽管为了确定损害(例如地震之后)，可靠地确定上述结构中相对彼此的任何运动是重要的，但是，还存在允许其部分沿指定允许方向运动的机械耦合结构。例如，允许风力涡轮机的转子相对于定子进行旋转运动。然而，需要检测会导致转子运动的额外线性分量的转子旋转不平衡，以便在需要时维修风力涡轮机。而且，可将地球表面的部分(如山坡以及地壳连续连接的部分)视为机械耦合结构。图3示出本发明方法的示意流程。该方法中，在第一步S300确定第一传感器102相对地球旋转轴202的方位。之后，在步骤S302将该方位传送给中央单元106。在步骤S304，利用第二传感器104确定第二传感器104的旋转速度或加速度，其中启动系统100时该至少一个第二传感器104具有相对于第一传感器102的已知第一方位。之后，在步骤S306将测量的该至少一个传感器104的旋转速度或加速度传送给中央单元106。之后，在步骤S308，根据传输的第一传感器102的方位以及该至少一个第二传感器104的旋转速度或加速度生成监控值，监控值用于监控机械耦合结构101。在图4所示的混合传感器系统400中，两个或多个旋转速度传感器102、402可基于分辨率不同而且彼此具有相对关系的萨格纳克效应、科里奥利效应及惯性效应获取整体机械结构403或机械耦合结构的部分相对彼此的状态变化(例如，变形)。通过这种方式，又被称为中央传感器或主传感器的分辨率非常高的第一传感器102提供针对地球200的地球旋转向量202的外部参考作为固定参考，而较简单(不那么精确)的传感器402或从属传感器仅获取作为时间函数的针对主传感器102的本地参考。利用这种方式，利用了足够用于旋转测量的从属传感器的灵敏度。因而，从属传感器相对于地球旋转轴202的位置的方位的较差灵敏度就无关紧要了。这样，将单个传感器的不同特性转换给彼此(例如，萨格纳克效应的绝对参考分别转换给科里奥利效应传感器或惯性效应传感器)。未示出中央单元106，该中央单元106可以和所示传感器102、402之一连接用于传输测量值，或者例如可和第一传感器102 (或第二传感器402之一)位于共同外壳内。利用这样的系统，可根据例如由地震造成的变形来确定对建筑物的负载或损坏。结构变形给出损坏前存在的初始测量值，而且该初始测量值可用于对负载损坏可能性进行定量特定判断。该设想中，第一传感器102及多个第二传感器402与建筑403的基础结构紧固连接。由于第一传感器102可基于萨格纳克效应获得绝对旋转，所以可在地震之前、地震中及地震后实时自动确定建筑物相对于地球200的旋转轴202的方位。这使得可确定建筑物方位变化而无需本地参考，建筑物方位可能由于受到如地震等力的影响发生变化。根据图5，可构造另一混合传感器系统500，该系统由两个或多个分辨率不同的基于萨格纳克效应、科里奥利效应和惯性效应以及彼此之间的相对关系的旋转速度传感器102402504构成。因而，可获取整体或部分可运动的机械整体结构的部分，或者整体或部分可运动的机械耦合结构的部分502，506相对彼此的排列变化。这样，分辨率非常高的中央传感器102 (主传感器)提供对地球200的 地球旋转轴202的外部参考作为固定参考，同时，较简单的传感器402504动态捕获作为时间函数的相对主传感器102的参考。因而，测量方法可用作具有可相对彼此运动的部件的不同机械耦合结构502506 (例如机器的部分)的相对运动的惯性测量方法，而且这些部分之间没有光学、电子或机械连接。因而，将单个传感器102402504的不同特性转换给彼此(例如萨格纳克效应传感器相对于科里奥利效应传感器和惯性效应传感器的绝对关系)。因而，系统可用于监控允许一部分机械结构相对彼此在预定范围内运动(允许运动)的系统中的不允许的运动。根据图6，可给出另一混合传感器系统600，该系统包括至少一个加速计604 (图6示出三个这种加速计604)，其中传感器102、604 —同接附到机械耦合结构，或者接附到地球表面602，因而可分别确定地面及结构特征(通过X线断层摄影术、探测)。这种情况下，使
用如下关系:在均匀介质中，测量的旋转速度0彳P激励信号(例如地震波)的横向加速度a
同相，而且，彼此独立地获取的这些信号的比例与式(I)所示相速度对应:Ω(λ../) =( I )相速度c (非均匀介质中的表观相速度为旋转速度&和加速度a之比)随地面状况变化剧烈(例如，花岗岩具有特定相速度)，因而，可通过该系统进行探测。因而，可分别用手持设备搜索沉积物、用固定安装的传感器网络分析时间依赖性。根据图7所示系统700的实施例，第一传感器或主传感器102与第二传感器或从传感器104通过自组织网络互相连接并通过该网络通信。由于不需要用户干预，这减小了每个传感器所需传输功率而且有助于网络扩建/缩减。该方法中，第一传感器102连接到中央单元106。中央单元106提供用于数据使用和解释的重要功能，如接收传感器数据、确定时间(“时戳”)(GPS、无线时钟等)、控制传感器(例如开/关、范围切换)、早期报警应用中在超过阈值的情况下进行分析(例如有限差分、相位关系、方向确定、阈值检测、噪声消除、传感器完整性检查、漂移校正)，而且，必要的话给出报警。在出现由传感器102，104测量并由中央单元106检测的机械耦合结构101变形的情况下，可用有限差分计算保证传感器102，104的完整性并可确定变形程度。只要从属传感器没有离开它们的原始位置/排列，就可重新校准从属传感器随时间而越来越不精确的惯性测量。一方面，这可通过在启动初期对传感器位置/排列、以及必须的话还有传感器相对于地球旋转轴的定位来进行精确初始测量并在时间h存储平均单次测量值，然后重新显示该平均单次测量值来实现，另一方面可通过比较经过时间^后(例如，系统启动后经过预定时间间隔后，必要的话，还要在预定时间间隔后进行重复)的测量值和主传感器的测量值，由于主传感器具有较高精度，所以随时间产生的测量误差较小。第一方法可用于所有类型的旋转传感器，因而也适用于由于其有限精度不能自己分辨地球旋转速度作为测量值参考信号的传感器。这种情况下，由于通过主传感器的当前测量对单个从属传感器的空间近似度的实际条件的可行性进行了检查，所以第二种方法相当大地增加了自校准方法的完整性。必须考虑的是，要成功地进行自校准，不应出现改变从属传感器原始位置/排列的事件。真实情况下(地震、位置骤变) ，该信息主要由从属传感器的数据直接给出。另一可能性是从属传感器自校准，从属传感器自身具有以足够高的精度测量地球旋转速度作为参考信号的能力。因而，在经一段时间后漂移值超过容限阈值的情况下，从属传感器可根据地球旋转速度测量的原始值以前后一致为原则启动自校准。而且，主传感器可能必须在经过更长时间后又进行该过程，以在非常长的时间内保持稳定漂移值。这时，与当前主测量值进行比较可再次相当大地增加方法的完整性。如上所述，中央单元106还可与第一传感器102或者甚至与第二传感器104之 起位于同一外壳内。可以通过用时钟作为单个传感器102104的时间测量设备702704来提供时间参考，或者也可以通过保证具有低延迟时间(传输协议的规定)的无线通信通道来提供时间参考，其中，可在中央单元106为每个传感器102104分配(每个时钟的)定时。时间参考例如用于得到处理的按时间排列序列并使在不同时间确定的测量值彼此相关。这样，可确定损坏随时间的分布，而且可得到有关系统完整性的结论。例如，可假设，在处理机械耦合结构102的部分的进行中的偏移分布时，与机械耦合结构101连接的所有传感器102104分别以期望的时间顺序得到与传感器102104各自的位置有关的方位和加速度变化。在单个传感器102104分别测量方位或加速度与时间的关联时，可认为与期望偏离是出现了测量误差。
根据图8，示出一种方法的流程图，其中，在步骤800，例如由于地震出现了机械耦合结构101的结构变化。在步骤802，产生了旋转速度变化、旋转角度变化(偏斜)、加速度变化或者方位变化，在步骤S804在第一传感器102读到这些变化。之后，在步骤S806，比较测量值与配置文件的标称值。需要的话，在步骤S808，读取第二传感器104的值，第二传感器104例如排列成传感器阵列。在步骤S810，随后进行信号处理，例如分别进行滤波或者降噪或者漂移减小。信号处理过程中，还可根据传输的第一和第二测量值的按时间排列序列确定与时间有关的频谱。而且，还可得到所有第一和第二传感器102104的测量值的精确按时间排列序列，可生成所有这些的时间有关的频谱，其代表了机械耦合结构的特征，并且可从这些频谱中的变化来分别推导出机械耦合结构中的变化和损坏。这些功能可用作早期预警功能。接下来的步骤S812中，确定旋转速度，需要的话，还确定加速度。步骤S814中，通过与主传感器102进行比较，可计算第一传感器102和第二传感器104之间的变化，由此可辨别例如变形。此外，检查数据完整性，以避免测量误差。在与安全相关的条件下，启动报警功能。在步骤S816，随后生成记录文件，并可把文件传输给控制站，可激活早期预警功能。之后，在步骤S804再次 读取主传感器102，重新对机械耦合结构101进行监控。
权利要求
1.一种用于监控机械耦合结构(101、403、502、506、602)的系统，具有: 第一传感器(102),用于确定所述第一传感器在预定时间相对于地球旋转轴(202)的方位作为第一测量值，其中所述第一传感器(102)能够与所述机械耦合结构(101、403、502,506,602)的第一部分连接； 至少一个第二传感器(104、402、504、604)，其在所述系统启动时具有相对于所述第一传感器(102)的已知的第一方位，所述第二传感器用于确定旋转速度或加速度作为第二测量值，其中，所述至少一个第二传感器(104、402、504、604)能够与所述机械耦合结构(101、403、502、506、602)的第二部分连接； 中央单元(106);以及 通信网络(108)，所述中央单元(106)通过所述通信网络(108)与所述第一传感器(102)以及所述第二传感器(104、402、504、604)连接； 其中，所述第一传感器(102)用于将所述第一测量值传输给所述中央单元(106)，所述第二传感器(104、402、504、604)用于将所述第二测量值传输给所述中央单元(106)，而且，所述中央单元(106)用于通过所述第一测量值和所述第二测量值监控所述机械耦合结构(101、403、502、506、602)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于: 所述至少一个第二传感器(104、402、504、604)由旋转传感器构成，与所述第一传感器(102)相比，该旋转传感 器确定地球旋转轴(202)方位的精度较低。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于: 所述第一传感器(102)和所述第二传感器(104、402、504、604)包括时间测量单元(702、704)，并且把所述第一测量值和所述第二测量值连同进行测量时的时间传输给所述中央单元(106);而且 所述中央单元(106)用于根据传输的所述第一测量值和第二测量值以及传输的所述时间确定所述第一传感器(102)和所述第二传感器(104、402、504、604)相对彼此的方位的按时间排列序列。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于: 所述至少一个第二传感器(104、402、504、604)由加速度传感器构成。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的系统，其特征在于: 所述第一传感器(102)和所述至少一个第二传感器(104、402、504、604)在不同位置接附到被监控的所述机械耦合结构(101、403、502、506、602 )。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的系统，其特征在于: 所述通信网络(108)用于所述第一传感器和所述第二传感器(102、104、402、504、604)之间的双向直接通信。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的系统，其特征在于: 所述第二传感器(104、402、504、604)配置成在所述系统启动后的预定时间间隔之后基于所述第一传感器(102)的测量值重新被校准。
8.一种用于监控机械耦合结构(101、403、502、506、602)的方法，包括如下步骤: 通过第一传感器(102)确定所述第一传感器(102)在预定时间相对于地球旋转轴(202)的方位作为第一测量值；将所述第一测量值传输给中央单元(106)； 确定至少一个第二传感器(104、402、504、604)的旋转速度或加速度作为第二测量值，所述第二传感器(104、402、504、604)在系统启动时具有相对于所述第一传感器(102)的已知的第一方位； 将所述第二测量值传输给所述中央单元(106)； 根据所述第一测量值和所述第二测量值生成监控值。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于: 所述第二传感器(104、402、504、604)独立于传输的所述第一传感器(102)的方位来测量所述第二传感器的方位变化，而且，通过传输的所述第一传感器(102)的方位来确定所述第二传感器(104、402、504、604)的位置相对于所述第一传感器(102)的位置的变化。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于: 所述第一传感器(102)和所述第二传感器(104、402、504、604)的每一个接附到机械耦合结构(101、403、602 )的不同部分，其中所述不同部分相对彼此不能够运动地机械耦合。
11.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于: 所述第一传感器(102)和所述第二传感器(504)的每一个接附到机械耦合结构(502、506)的不同部分(502、506)，其中所述不同部分(502、506)相对彼此能够运动地机械耦合； 各个不同部分(502、506)能够相对彼此进行通过机械耦合允许的运动；而且 所述中央单元(106)确定的监控值指示所述不同部分(502、506)之间是否存在允许运动或不允许运动。
12.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于: 从外界向所述机械耦合结构(101、403、502、506、602)施加震动激励； 所述第二传感器(604)由平移传感器构成，而且，根据测量到的所述第一传感器(102)的方位以及测量到的所述平移传感器(604)的加速度来确定测量到的所述机械耦合结构(101、403、502、506、602)中的震动的表观相速度。
13.如权利要求8至12中任意一项所述的方法，其特征在于: 在所述第一传感器(102)的测量值不包括地球旋转速度的情况下，所述中央单元(106)检测测量误差。
14.如权利要求8至13中任意一项所述的方法，其特征在于: 所述中央单元(106)根据传输的第一测量值和传输的第二测量值的按时间排列序列确定与时间相关的频谱，并根据该频谱生成另一监控值。
15.如权利要求8至14中任意一项所述的方法，其特征在于: 在所述系统启动后的预定时间间隔之后重新校准所述第二传感器(104、402、504、604)。
全文摘要
本发明提供了一种用于监控机械耦合结构(101、403、502、506、602)的系统，具有第一传感器(102)，配置用于确定所述第一传感器在预定时间相对于地球旋转轴(202)的方位作为第一测量值，其中所述第一传感器(102)可与所述机械耦合结构(101、403、502、506、602)的第一部分连接；至少一个第二传感器(104、402、504、604)，其在所述系统启动时具有相对于第一传感器(102)的已知第一方位，其配置用于确定旋转速度或加速度作为第二测量值，其中，所述至少一个第二传感器(104、402、504、604)可与所述机械耦合结构(101、403、502、506、602)的第二部分连接；中央单元(106)；以及通信网络(108)，中央单元(106)通过所述通信网络(108)与第一传感器(102)以及第二传感器(104、402、504、604)连接；其中，第一传感器(102)配置用于将第一测量值传输给中央单元(106)，第二传感器(104402504604)配置用于将第二测量值传输给中央单元(106)，而且，中央单元(106)配置用于通过第一和第二测量值监控机械耦合结构(101、403、502、506、602)。
文档编号G01M5/00GK103238040SQ201180057776
公开日2013年8月7日 申请日期2011年12月5日 优先权日2010年12月6日
发明者G·多纳, 安德烈亚斯·瑞斯, 海纳·伊格尔, 乌利齐·施莱柏, 约阿希姆·瓦色尔曼 申请人:诺思罗普·格鲁曼·利特夫有限责任公司