专利名称:用来检测材料与微波元件的接近度的传感器组装件的制作方法
技术领域:
本申请大体涉及传感器组装件,并且更具体而言,涉及用来检测材料与微波元件的接近度的传感器组装件。
背景技术:
至少一些已知的传感器系统用来检测诸如金属、液体或其它物质变型的材料的接近度。材料与传感器的接近度可用于多种应用中,诸如监视系统和/或控制系统。例如,这样的检测方法可用来检测诸如(但不限于)制造系统、监视系统、处理系统、化学系统和/或安全系统的多种系统中的材料的振动和/或位置。
可使用涡电流传感器、磁性拾取传感器或电容传感器来执行已知的检测方法。但是,因为这样的传感器的测量范围一般受到限制,所以可使用这样的传感器的地点和环境也一般受到限制。此外,因为这样的传感器的频率响应一般低,所以这样的传感器的精确性可受到限制。因而,已知的检测系统的好处可受到限制。
发明内容
在一个实施例中,公开一种传感器组装件。该传感器组装件包括配置成产生至少一个微波信号的信号发生器、连接到信号发生器的耦合器、耦接到耦合器的微波元件,以及连接到耦合器的处理模块。微波元件配置成作为所述至少一个微波信号的函数来产生电磁场。微波元件结构构造成在材料与电磁场相互作用时,将加载信号反映到所述耦合器。处理模块配置成利用参考信号来处理加载信号,以产生表示材料与微波元件的接近度的数据信号。数据信号限定亚微波频率。在另一个实施例中,公开一种电力系统。该电力系统包括组件、设置在所述组件附近的至少一个传感器组装件,以及耦接到该至少一个传感器组装件的电装置。该至少一个传感器组装件包括耦合器、耦接到耦合器的微波元件,以及耦接到耦合器的处理模块。微波元件配置成作为至少一个微波信号的函数来产生电磁场。微波元件配置成在材料与电磁场相互作用时,将加载信号反映到所述耦合器。处理模块配置成利用参考信号来处理加载信号,以产生表示材料与微波元件的接近度的数据信号。数据信号限定低于至少大约30 kHz的频率。在又一个实施例中,公开一种用于检测材料的接近度的方法。该方法包括作为至少一个微波信号的函数来在微波兀件处产生电磁场;当材料与电磁场相互作用时使微波兀件失谐,以对微波元件引起加载信号;以及根据加载信号和参考信号在处理模块处产生数据信号。数据信号表示材料与微波元件的接近度。数据信号限定亚微波频率。
图I是可用来检测材料的接近度的示例性传感器组装件的框图。图2是可用来检测材料的接近度的备选传感器组装件的框图。
图3是示例性电力系统的框图。图4是根据本公开的、可用来检测材料的接近度的示例性方法的流程图。
具体实施例方式本文描述的示例性方法和组装件克服了与用来检测材料的接近度的已知的传感器系统相关联的至少一些缺点。具体而言,本文描述的实施例提供一种可用于检测材料与微波元件的接近度的组装件,同时提供表示材料的接近度的亚微波频率数据信号。以下描述以示例的方式而非限制的方式示出了若干实施例。图I示出了可用来检测材料102的接近度的示 例性传感器组装件100。在该示例性实施例中,材料102可为液体,诸如金属的固体,和/或与本文描述的传感器组装件相互作用的任何其它产品或材料。如应当显而易见的那样,本文描述的方法和传感器组装件不限于任何一个特定的应用和/或系统,而且本领域普通技术人员将意识到,本文描述的方法和传感器组装件如下面指示的那样可与多种应用、机器和/或诸如(但不限于)燃气轮机发动机的系统结合起来使用。在该示例性实施例中,传感器组装件100包括信号发生器104和耦接到信号发生器104的耦合器106。应当注意,如本文所用,用语“连接”和“耦接”不限于组件之间的直接的机械连接和/或电连接,而是也可包括多个组件之间的间接的机械连接和/或电连接。信号发生器104配置成以微波频率产生至少一个电信号(下文中称为“微波信号”)。此外,传感器组装件100包括微波元件108,诸如(无限制)微波发射器、微波天线或其它合适的微波装置。微波元件108连接到耦合器106。在该示例性实施例中,微波元件108作为信号发生器104产生的微波信号的函数来产生电磁场110。如本文所用,用语“微波”指的是接收和/或传输具有介于大约300兆赫(MHz)和大约300千兆赫(GHz)之间的频率的信号的信号或成分。例如,微波信号可具有3. 25 GHz或5. 8 GHz的频率。通过使用微波元件108,与目前用来检测材料的接近度的已知的涡电流传感器、磁性拾取传感器或电容传感器相比,本文描述的以及用来检测材料102与微波元件108的接近度的传感器组装件的检测范围可被极大扩展。此外,通过使用微波元件108,与已知的涡电流传感器、磁性拾取传感器和/或电容传感器相比,本文描述的传感器组装件所处的地点和/或位置所受的限制远远更少。此外,因为与已知的传感器相比,频率响应对于微波元件108来说更高,所以本文描述的传感器组装件100可比已知的传感器组装件提供更精确的测量。传感器组装件100包括连接到耦合器106的处理模块112。在该示例性实施例中,处理模块112包括频率混合器114和连接到频率混合器114的滤波器116。在操作期间,信号发生器104产生等于和/或大致等于微波元件108的共振频率的微波信号。信号发生器104将微波信号传输给耦合器106。耦合器106又将微波信号传输给微波元件108。另外,在这个特定的实施例中,耦合器106将参考信号传输给处理模块112。更具体而言,耦合器106将源自微波信号且大致等于微波信号的参考信号传输给频率混合器114。在其它实施例中,参考信号可不同于微波信号。在微波信号通过微波兀件108而传输时,从微波兀件108向外发射出电磁场110。如果诸如材料102的材料进入电磁场110,则在材料102和电磁场110之间可出现电磁耦接。因为在电磁场Iio内存在材料102,所以电磁场110由于材料102内的电感效应和/或电容效应而被打断,电感效应和/或电容效应可导致电磁场110的至少一部分作为电流和/或电荷而以电感的方式和/或以电容的方式耦接到材料102。在这种情况下,微波元件108失谐(即微波元件108的共振频率降低和/或改变等),并且对微波元件108引起加载。对微波元件108引起的加载导致微波元件108和耦合器106内的微波信号的反映(下文中称为“加载信号”)通过稱合器106而传输到处理模块112。加载信号表不材料102与微波兀件108的接近度,接近度可指示材料102在电磁场110内的存在和/或材料102与微波元件108相距的距离。由于材料102,与从信号发生器104供应给微波兀件108的微波信号的功率幅度和/或相位相比,引起的加载信号具有更低的功率幅度和/或处于不同的相位。更一般而言,除了材料102对电磁场110的影响之外,加载信号基本与微波信号相同。因此,微波信号和加载信号之间的差表不材料102与微波兀件108的接近度。加载信号通过稱合器106而传输到处理模块112。进而,处理模块112 接收加载信号,并且结合参考信号来处理加载信号,以产生表不材料102与微波兀件108的接近度的数据信号。数据信号限定亚微波频率。更具体而言,频率混合器114导致加载信号的频率基于参考信号的频率而移位,或者反之亦然。在该示例性实施例中,频率混合器114加上和减去加载信号的频率(fl)和参考信号的频率(fr)。因此,频率混合器114在两个频带中提供数据信号,即上变频带(fl+fr)和下变频带(fl-fr)。上变频带的所产生的频率不小于微波频率。相反,下变频带的所产生的频率基本是标称的,从而提供基本DC数据信号。更一般而言,除了材料102对电磁场110的影响之外,参考信号和加载信号基本相同。如本领域技术人员应意识到的那样,材料102进入到电磁场110中、离开电磁场110和/或在电磁场110内的物理运动大体在远低于300 MHz下进行,从而产生低于300 MHz的频率,即亚微波频率。在该示例性实施例中,传感器组装件100能够实现微波元件108提供的范围和/或频率响应,同时容许亚微波频率数据信号进行简化的后处理。更具体而言,通过使用频率混合器114来在亚微波频带内提供数据信号,本文描述的传感器组装件可显著地简化数据信号的处理、操纵和/或传输。在多种实施例中,例如,在商业上可获得定额成用于亚微波频率信号的多种多样的组件,以对数据信号进行操作。另外,根据本公开,可降低用以对亚微波频率数据信号带进行处理、滤波和/或传输的板级电路的复杂性和/或成本。再次参照图1,滤波器116耦接在频率混合器114和信号处理器118之间。在该示例实施例中,滤波器116是低通滤波器,该低通滤波器结构构造成使超过30 kHz的信号衰减,并且随后传送具有低于30 kHz的频率的信号。因此,在操作期间,低通滤波器116传送来自频率混合器114的在下变频带中的数据信号,同时衰减在上变频带中的数据信号。滤波器116提供经滤波的数据信号,包括基本仅处于下变频带的数据信号。应当意识到,在其它实施例中,低通滤波器或其它滤波器可结构构造成传送处于一个或多个频率的信号,同时衰减处于其它频率的信号。信号处理器118作为经滤波的数据信号的函数来确定材料102与微波元件108的接近度。信号处理器118输出指示接近度的经处理的数据信号。信号处理器118执行用于处理数据信号的函数,以提供材料102与微波元件108的接近度。该函数可为线性多项式或高阶多项式。该函数可表示关于在制造期间完成以改进和/或确保传感器组装件的精度的各个单独的传感器组装件的校准测试。函数存储在信号处理器118中。信号处理器118包括用于将经滤波的数据信号转换成数字数据信号的模数(A/D)转换器120,使得信号处理器118可处理数字数据信号。虽然示出和描述为包括在处理模块112中,但是应当意识到,在其它实施例中,信号处理器118和/或A/D转换器120可包括定位在处理模块112附近和/或远离处理模块112的另一个模块。在又一些实施例中,可省略信号处理器118和/或A/D转换器120中的任一个,和/或另一个组件可包括在处理模块112中,以使得能够如本文描述的那样对数据信号进行处理、滤波和/或传输。图2示出了可用来检测材料202的接近度的示例性传感器组装件200。传感器组装件200包括信号发生器204、连接到信号发生器204的耦合器206,以及耦接到耦合器206的微波元件208。传感器组装件200包括耦接到耦合器206的处理模块212。更具体而言,耦合器206耦接到包括在处理模块212中的频率混合器214。在操作期间,与传感器组装件100 一致,稱合器206将加载信号传输给频率混合器214。·在该示例性实施例中,传感器组装件200包括参考信号发生器220。参考信号发生器220耦接到频率混合器214。参考信号可基本等于信号发生器204所产生的微波信号。相反,参考信号可不同于以及基本不等于信号发生器204所产生的微波信号。如上面参照图I所描述的那样,在操作期间,频率混合器214提供处于下变频带和处于上变频带的数据信号。下变频带大体以加载信号频率和参考信号频率之间的差定位。因此,可选择参考信号,以提供处于任何期望频率的数据信号。例如,如果微波信号限定大约5. 80 GHz的频率,并且参考信号限定大约5. 79 GHz的频率,则下变频带基本以大约10. O MHz存在。应当意识到,可选择多种不同的微波频率和/或参考信号频率,以定位处于任何期望频率的数据信号。更具体而言,可调节或选择微波信号和/或加载信号的频率,以将数据信号的频率进一步限制在任何期望值以下,诸如大约200 MHz、大约100 MHz、大约100kHz、大约30 kHz、大约20 kHz、大约5 kHz、大约I kHz和/或其它合适的频率,包括任何离散的亚微波频率等。可能能够基于一个或多个环境约束、传感器组装件要求和/或用于对数据信号进行处理、滤波和/或传输的期望组件来选择数据信号的频率。如应当显而易见的那样,可依照下变频带的地点来选择滤波器216。具体而言,例如,如果数据信号限定20 kHz的频率,则滤波器216可为带通滤波器或陷波滤波器。陷波滤波器216可限定处于20 kHz的中心频率,其具有足够的带宽,以确保下变频带中的数据信号通过,而没有超过标称的衰减,同时上变频带始终被有效地衰减。另外,滤波器216可用来过滤噪声和/或包括在数据信号中但在滤波器216的带宽之外的其它伪像。再次参照图2,传感器组装件200包括探头壳体224。如所显示的那样,耦合器206和微波元件208中的每个都定位在探头壳体224内。探头壳体224可结构构造成促进传输电磁场210和/或安装在特定的地点、机器和/或系统中。另外,如图2中显示的那样,处理模块212不包括信号处理器和/或A/D转换器。因此,数据信号是模拟信号,模拟信号可被另一个装置用来确定材料202与微波元件208的接近度,包括材料202在电磁场210内的存在和/或材料202和微波元件208之间的距离。可在多种应用中采用本文描述的方法和组装件。示例性应用可包括(无限制)控制系统、监视系统、操作系统、安全系统和/或诊断系统。在图3中示出示例性电力系统326。电力系统326包括组件328、设置在组件328附近的至少一个传感器组装件300,以及耦接到传感器组装件300的电装置330。组件328可包括(但不限于)燃气轮机发动机组件,诸如旋转的涡轮轴、涡轮壳、燃料,或燃气轮机发动机的其它可移动的或不可移动的组件等。在这个特定的实施例中,组件328包括驱动负载332的旋转的涡轮轴。在这个示例性实施例中,传感器组装件300用来监视组件328,包括在操作期间的位置、振动和/或其它行为。具体而言,必要时,电装置330包括用以监视组件328的监视系统和/或用以控制组件328的控制系统,这取决于被监视的行为。例如,如果振动(被传感器组装件300监视)超过预先限定的阈值,则电装置330可使例如旋转的涡轮轴的组件328停止旋转。传感器组装件300可包括本文描述的传感器组装件实施例或与本公开的一个或多个教导一致的其它传感器组装件中的一个或多个。在该示例性实施例中,传感器组装件300提供数据信号给电装置330,以控制和/或监视组件328。除了本公开的多种应用之外,本文描述的方法和组装件可用来在多种条件下检测·材料的接近度。在许多示例性实施例中,方法和组装件可包含静态检测和/或动态检测。静态检测可包括例如检测材料与微波元件的接近度,以确定材料的膨胀和/或收缩。另外,动态检测可包括例如检测材料与微波元件的接近度,以检测机器组件的运动,例如旋转的涡轮轴的振动。图4是可用来检测诸如图I中显示的材料102的材料的接近度的示例性方法400。在本文中,参照本文参照图I所描述的传感器组装件来描述方法400。但是,应当意识到,本文描述的方法可应用于多种多样的传感器组装件,并且因此不限于本文描述的传感器组装件的具体实施例。相反,本文描述的传感器组装件不应理解为限于本文描述的特定的方法。在该示例性实施例中,方法400包括作为至少一个微波信号的函数、在微波元件108处产生402电磁场110 ;当材料102与电磁场110相互作用时使微波元件108失谐404,以对微波元件108引起加载信号;以及根据所述加载信号和参考信号,在处理模块112处产生406数据信号。数据信号表示材料102与微波元件108的接近度。数据信号限定亚微波频率。方法400也可包括将数据信号转换成数字信号,以及作为数字数据信号的函数来确定材料102与微波元件108的接近度。另外或备选地,产生406数据信号可包括在频率方面混合加载信号与参考信号。另外,方法400可包括产生参考信号,使得参考信号限定不同于至少一个微波信号的频率。上面描述的实施例提供用于检测材料的接近度的高效且成本有效的传感器组装件。具体而言,本文描述的实施例提供检测材料与微波元件的接近度的传感器组装件。可包括传感器组装件,以提供应力监视(例如,旋转的涡轮轴)、二进制开关或二进制计数器、电介质监视器(例如,浸入一种或多种流体中,以测量电磁响应)、应变仪(例如,使形成于柔性衬底上的微波元件弯曲)、和/或其它合适的应用。与目前用来检测材料与微波元件的接近度的已知的涡电流传感器、磁性拾取传感器或电容传感器相比,本文描述的传感器组装件实施例可包括极大扩展的检测范围。此外,与已知的涡电流传感器、磁性拾取传感器和/或电容传感器相比,本文描述的传感器组装件的地点和/或位置所受的限制远远更少。另外,因为与已知的传感器相比,频率响应对于微波元件来说更高,所以本文描述的传感器组装件可比已知的传感器组装件提供更精确的测量。本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明,以及还使本领域技术人员能实践本发明,包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义,且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素,或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素,则它们规定为在权利要求的范围之内。部件列表
100传感器组装件
102材料 104信号发生器
106稱合器
108微波发射器
110电磁场
112处理模块
114频率混合器
116滤波器
118信号处理器
120 ADC转换器
200传感器组装件
204信号发生器
206耦合器
208微波发射器
210电磁场
212处理模块
214频率混合器
216滤波器
222参考信号发生器
224探头壳体
300传感器组装件
326电力系统
328组件
330电装置
332负载
400方法
402产生
404失谐
406产生。
权利要求
1.一种传感器组装件(100、200),包括 配置成产生至少一个微波信号的信号发生器(104、204); 连接到所述信号发生器的耦合器(106、206); 耦接到所述耦合器的微波元件(108、208),所述微波元件配置成作为所述至少一个微波信号的函数来产生电磁场(110、210),其中,所述微波元件结构构造成在材料(102、202)与所述电磁场相互作用时,将加载信号反映到所述耦合器;以及 连接到所述耦合器的处理模块(112、212),所述处理模块配置成利用参考信号来处理所述加载信号,以产生表示所述材料与所述微波元件的接近度的数据信号,其中,所述数据信号限定亚微波频率。
2.根据权利要求I所述的传感器组装件,其中,所述处理器模块(112、212)配置成产生具有高达大约I MHz的频率的所述数据信号。
3.根据权利要求I所述的传感器组装件,其中,所述处理模块(112、212)包括配置成组合所述加载信号与所述参考信号的频率混合器(114、214)。
4.根据权利要求3所述的传感器组装件,其中,所述信号发生器(104、204)耦接到所述处理模块(112、212),并且其中,所述参考信号基本等于所述至少一个微波信号。
5.根据权利要求3所述的传感器组装件,进一步包括耦接到所述处理模块(112、212)的参考信号发生器(222),并且其中,所述处理模块配置成利用所述信号发生器(104、204)产生的所述参考信号来处理所述加载信号。
6.根据权利要求5所述的传感器组装件,其中,所述信号发生器(104、204)配置成产生具有介于大约300 MHz和大约6. O GHz之间的频率的所述参考信号。
7.根据权利要求3所述的传感器组装件,其中,所述处理模块(112、212)包括信号处理器(118)和耦接在所述频率混合器(114、214)和所述信号处理器之间的低通滤波器(116、216),所述低通滤波器结构构造成使至少超过大约100 kHz的频率衰减。
8.根据权利要求7所述的传感器组装件,其中,所述信号处理器(118)配置成作为所滤波的数据信号的函数来确定所述材料(102、202)与所述微波元件(108、208)的所述接近度。
9.根据权利要求I所述的传感器组装件,其中,所述耦合器(106、206)和所述微波元件(108、208)被封入单探头壳体(224)中。
全文摘要
本发明涉及用来检测材料与微波元件的接近度的传感器组装件。公开一种用来检测材料与微波元件的接近度的传感器组装件。一个示例传感器组装件(100、200)包括配置成产生至少一个微波信号的信号发生器(104、204)、连接到信号发生器的耦合器(106、206)、耦接到耦合器的微波元件(108、208),以及连接到耦合器的处理模块(112、212)。微波元件配置成作为所述至少一个微波信号的函数来产生电磁场。微波元件结构构造成在材料(102、202)与电磁场相互作用时,将加载信号反映到所述耦合器。处理模块配置成利用参考信号来处理加载信号,以产生表示材料与微波元件的接近度的数据信号。数据信号限定亚微波频率。
文档编号G01V3/08GK102841383SQ201210202418
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月19日 优先权日2011年6月21日
发明者B.L.谢克曼, S.A.克拉克, S.L.卢什 申请人:通用电气公司