专利名称：用于获取能量的系统及设备的制作方法
技术领域：
本申请主要涉及动力生成系统(或发电系统)，并且更具体地涉及在获取能量中使用的系统及设备。
背景技术：
至少一些公知的监测系统包括至少一个传感器，其检测和/或测量机器的操作状态。通常，公知的传感器由外部电源和/或内部电池供能(或提供电力)。为了保存电力， 传感器可在不需要测量时停用，例如在机器未操作时。当期望测量时，传感器可启动以记录来自于机器的测量结果。一旦传感器完成对测量结果的记录，则传感器通常再次停用以保存电力。然而，由于期望保存电力，故传感器可按不频繁的间隔来记录或测量机器的操作特性。使用该实施方式可能出现的一个问题在于，传感器可能不会产生对于机器的稳健的测量数据集。为了向监测系统提供附加电力，至少一些公知的监测系统从受监测的机器上获取能量。例如，公知的压电装置可用于从机器产生的振动中获取能量。所获取的能量通常储存在电池中，以便向监测系统内的传感器或其它装置供能。然而，在监测系统内使用附加的获取装置可将监测系统的成本和/或复杂性增大到抵消或超过从该监测系统所获得的益处的水平。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种传感器组件，其包括变换器(transducer)和与变换器耦接的控制模块。该控制模块构造成用以使传感器组件在第一操作模式与第二操作模式之间有选择地切换，其中，在第一操作模式中，传感器组件测量引至传感器组件的能量数量 (amount)，在第二操作模式中，传感器组件储存引至传感器组件的能量数量。在另一实施例中，提供了一种监测系统，其包括具有变换器的至少一个传感器组件。该监测系统还包括与传感器组件耦接的至少一个传感器节点(node)。控制模块与变换器耦接，且构造成用以使传感器组件在第一操作模式与第二操作模式之间有选择地切换， 其中，在第一操作模式中，传感器组件测量引至传感器组件的能量数量，在第二操作模式中，传感器组件储存弓I至传感器组件的能量数量。在另一实施例中，提供了一种用于检测和获取机器内的振动的传感器组件，其包括变换器，该变换器构造成用以产生表示在传感器组件内检测到的振动能数量的信号。该传感器组件还包括与变换器耦接的控制模块。该控制模块构造成用以使传感器组件在感测操作模式与能量获取操作模式之间有选择地切换。该传感器组件还包括与控制模块耦接的储存装置。该控制模块还构造成用以在传感器组件以感测模式操作时将信号传输至传感器节点，以及在传感器组件以能量获取模式操作时将信号传输至储存装置。
图1为可用于监测机器的示例性监测系统的框图。图2为可用于监测机器的备选监测系统的框图。零件清单100监测系统102 机器104传感器组件106传感器节点108变换器110质量块112 基座114 壳体116 第一表面118 第二表面120中心线122中心线124副变换器126底部表面128纵轴线130信号调节模块132控制模块134控制器136储存装置138信号接口模块140通信模块200监测系统202传感器组件204传感器节点
具体实施例方式图1示出了可用于监测机器102的示例性监测系统100的一部分。在示例性实施例中，监测系统100包括耦接到机器102上的至少一个传感器组件104。此外，在示例性实施例中，监测系统100包括至少一个传感器节点106，其耦接到能使监测系统100如本文所述那样操作的任何适合数目的传感器组件104上。在示例性实施例中，监测系统100检测和/或测量机器102的至少一个操作状态。如本文所用，用语"耦接"不限于构件之间的直接的机械和/或电性连接，而是还可包括构件之间的间接的机械和/或电性连接。在示例性实施例中，各传感器组件104均有选择地从机器102获取能量，且检测和 /或测量机器102的至少一个操作状态。例如，传感器组件104可检测和/或测量振动、旋转速度、温度和/或机器102的能使监测系统100如本文所述那样操作的任何其它适合的操作状态。如本文所用，用语"获取能量"是指将由传感器组件104接收到的至少一部分能量转换成电能的作业。例如，传感器组件104可转换能量，包括而不限于振动能、动能、弹性势能和/或能使传感器组件104由其产生电能的任何其它适合类型的能量。在示例性实施例中，各传感器组件104均包括变换器108、耦接到变换器108上的质量块110，以及耦接到变换器108上的基座112。质量块110、基座112和变换器108各自定位在壳体114内。在示例性实施例中，变换器108包括第一表面116和相反的第二表面 118，它们分别大致垂直于中心线120延伸，该中心线120延伸穿过变换器108。作为备选， 第一表面116和第二表面118可相对于中心线120定向在能使传感器组件104如本文所述那样操作的任何适合的位置上。在示例性实施例中，质量块110耦接到第一表面116上，而基座112耦接到第二表面118上。相比于不包括质量块110的公知传感器组件(未示出)， 质量块110在机器102操作期间有助于增大引至变换器108的轴向振动力。在示例性实施例中，基座112大致为刚性的，且基座112在质量块110通过重力朝变换器108移位时，通过引至传感器组件104的振动力，和/或通过致使质量块110朝变换器108运动的任何其它适合的力而有助于压缩变换器108。作为备选，变换器108、质量块110和基座112可定位成使得可将剪切力引至变换器108。在示例性实施例中，变换器108定向成大致平行于延伸穿过传感器组件104的中心线122。因此，变换器108定位成用以检测和/或测量大致沿轴向穿过传感器组件104引起的振动能(下文称为"轴向振动")。此外，变换器108将来自于轴向振动的能量转换成电能。在示例性实施例中，传感器组件104还包括定位在基座112与壳体114底部表面 126之间的副变换器124。副变换器IM定向成使得其纵轴线1 大致垂直于变换器中心线120。副变换器124检测和/或测量轴向振动和/或相对于中心线120大致横向地穿过传感器组件104引起的振动能(下文称为"横向振动")。此外，副变换器将来自于轴向振动和/或横向振动的能量转换成电能。如本文所用，用语"轴向"表示大致平行于中心线 122的方向，而用语"横向"表示相对于中心线122大致垂直和/或倾斜的方向。在示例性实施例中，变换器108和副变换器124分别由压电材料制成，例如，晶体、 陶瓷化合物如锆钛酸铅，和/或由使变换器108和IM能够如本文所述那样操作的任何其它压电材料制成。作为备选，变换器108和/或副变换器IM可为移动线圈传感器，和/或由能使变换器108和/或副变换器124如本文所述那样操作的任何其它材料制成。在示例性实施例中，传感器组件104还包括耦接到变换器108上的信号调节模块 130，以及耦接到信号调节模块130上的控制模块132。在备选实施例中，信号调节模块130 和/或控制模块132均定位在远程系统内，例如在传感器节点106内。在示例性实施例中， 信号调节模块130从变换器108接收与在传感器组件104内检测到的振动大小成正比的电荷(下文称为"振动信号")。信号调节模块130还可校正振动信号，同步地切换振动信号，和/或放大和/或调控从变换器108接收的振动信号的电压电平。此外，信号调节模块可将振动信号由交流(AC)信号转换成直流(DC)信号。信号调节模块130将调节的振动信号传输至控制模块132。在示例性实施例中，控制模块132从耦接到传感器组件104上的控制器134接收控制信号。更具体而言，在示例性实施例中，控制器134定位在传感器节点106内。作为备选，控制器134可定位在传感器组件104内，远程装置(未示出)内，或监测系统100的能使监测系统100如本文所述那样操作的任何适合的构件内。控制模块132基于控制信号使传感器组件104在第一或感测操作模式与第二或获取操作模式之间有选择地切换。作为备选，控制模块132可产生内部控制信号和/或使用控制模块132内的电路(未示出)，以使传感器组件104在感测模式与获取模式之间有选择地切换。此外，在示例性实施例中，控制模块132耦接到信号调节模块130上。作为备选，信号调节模块130的功能性并入到控制模块132内。在示例性实施例中，控制器134包括处理器，其控制传感器组件104、传感器节点 106和/或监测系统100的操作。如本文所用，用语"处理器"并非仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广义地指代微控制器、微型计算机、可编程序逻辑控制器(PLC)、 专用集成电路以及其它可编程序电路，并且这些用语在文中可互换使用。此外，在示例性实施例中，在感测操作模式中，传感器组件104用作振动传感器。 更具体而言，控制模块132将从变换器108接收的振动信号传输至传感器节点106。经传输的振动信号与在传感器组件104上产生的受检测的振动能成正比。信号调节模块130可在振动信号传输至传感器组件104之前如上文所述那样调节振动信号。传感器节点106将振动信号传输至一个或多个远程装置(未示出)，以便进行附加地处理、分析和/或显示。作为备选，振动信号可储存在传感器组件104和/或传感器节点106内，且振动信号可在预定的时间取回、处理和/或传输。在示例性实施例中，在获取操作模式期间，传感器组件104用作功率获取装置。更具体而言，控制模块132将从变换器108接收的振动信号传输至定位在传感器组件104、传感器节点106和/或使监测系统100能够如本文所述那样操作的任何适合的装置或系统中的储存装置136。储存装置136可包括但不限于仅包括电池、电容器和/或使变换器108能够将电荷储存于其中的任何其它适合的装置。在获取操作模式期间，接收到的振动信号还与引至传感器组件104的受检测的振动能成正比。信号调节模块130可在振动信号传输至储存装置136之前如上文所述那样调节振动信号。然而，相比于以感测模式操作，信号在获取模式中用于再充电和/或保持储存装置136的期望的能量水平。在一个实施例中，信号还可用于使传感器组件104内、传感器节点106内和/或监测系统100的任何其它适合构件内的电路至少部分地通电。在示例性实施例中，控制器134有选择地将传感器组件104从感测模式切换至获取模式，反之亦然。在一个实施例中，控制器134使传感器组件104以预定时间和/或在已满足预定标准之后，在模式之间周期性地切换。例如，控制器134可大约每十二小时、大约每小时和/或使监测系统100能够如本文所述那样操作的任何其它适合的时间期间使传感器组件104从获取模式切换至感测模式。在备选实施例中，控制器134和/或控制模块132 可从传感器组件104和/或传感器节点106的一个或多个构件接收表示传感器组件104应当何时切换操作模式的控制信号。例如，当储存装置136内的能量水平达到或超过阈值时， 储存装置136可将控制信号传输至控制器134和/或控制模块132。在该实施例中，传感器组件104在每当储存装置136具有足以使传感器组件104内和/或传感器节点106内的电路通电的电荷时，可自动地从获取模式切换至感测模式。在又一实施例中，使用者可将控制信号传输至控制器Π4和/或控制模块132，以在感测模式与获取模式之间切换传感器组件 104。此外，在一个实施例中，控制器134和/或控制模块132使传感器组件104能够显著地抑制和/或主动地控制传感器组件104和/或机器102内的一种或多种共振。在该实施例中，控制器134和/或控制模块132将一个或多个信号传输至变换器108和/或副变换器124。该信号有选择地激励变换器108和/或副变换器124，且从而导致变换器108和 /或124的扩张和/或移位。变换器108和/或124的扩张和/或移位可引起在传感器组件104内和/或机器102内的振动，这可用于抵消、抑制和/或消除传感器组件104内和/ 或机器102内的其它振动。在示例性实施例中，监测系统100包括耦接到至少一个传感器组件104上的至少一个传感器节点106。在示例性实施例中，传感器节点106包括信号接口模块138、通信模块140，以及储存装置136如电池和/或电容器。在示例性实施例中，传感器组件104通过信号接口模块138耦接到传感器节点106 上。信号接口模块138从变换器108和/或控制模块132接收振动信号。信号接口模块 138可例如通过对电压滤波、校正、调整，和/或通过调整使监测系统100能够如本文所述那样操作的信号的任何其它适合的特性来处理所接收的振动信号。处理之后，信号接口模块 138将处理的振动信号传输至通信模块140。在示例性实施例中，传感器节点106通过通信模块140与其它传感器节点106和/ 或远程监测装置(未示出)进行通信。在示例性实施例中，通信模块140包括无线收发机， 其能够通过任何适合的无线通信协议和/或机理与其它传感器节点106和/或远程监测装置通信。在一个实施例中，传感器节点106与其它传感器节点106和/或与远程监测装置形成网状网络。作为备选，传感器节点106和/或远程监测装置形成使监测系统100能够如本文所述那样操作的任何其它适合的网络。通信模块140从信号接口模块138接收经处理的振动信号，且将该信号传输至其它传感器节点106和/或远程监测装置以便进一步处理、显示和/或分析。在操作期间，来自于机器102的振动引入到传感器组件104中。变换器108和/ 或副变换器1 将来自于轴向和/或横向振动的能量转换成电能。变换器108将电能传输至信号调节模块130。副变换器IM将电能传输至储存装置136。作为备选，副变换器124 可通过振动信号将电能传输至信号调节模块130。信号调节模块130例如通过滤波、校正、同步切换、调控和/或调整信号的电压电平来调节振动信号。经调节的振动信号然后传输至控制模块132，且控制模块132有选择地将该信号传输至储存装置136或传感器节点106。例如，在示例性实施例中，控制模块132 通常将受调节的振动信号传输至储存装置136，且仅在预定的时间切换该信号以引导至传感器节点106。换言之，控制模块132通常致使传感器组件104以获取模式操作来激励储存装置136。控制模块132在期望的时间切换传感器组件104而以感测模式操作，以便获取振动测量结果且将表示一个或多个振动测量结果的振动信号传输至传感器节点106。传感器节点106通过信号接口模块138接收振动信号，且例如可通过滤波、校正、 调整电压，和/或通过调整信号的任何其它适合特性来处理所接收的信号。信号接口模块 138将处理的振动信号传输至通信模块140。通信模块140将处理的振动信号传输至其它传感器节点106和/或远程监测装置，以便用于进一步处理、显示和/或分析。因此，在示例性实施例中，传感器组件104和/或传感器节点106优化为用于对引至传感器组件104的振动进行检测和自其获取能量。更具体而言，单个变换器108可用于产生振动信号，该振动信号使控制模块132能够有选择地对储存装置136再充电，和/或将表示一个或多个振动测量结果的该信号传输至传感器节点106和/或远程监测装置。传感器组件104和/或传感器节点106有助于提供有效且成本效益合算的在监测系统100内的振动感测和能量获取的组合。图2示出了可用于监测机器102的备选监测系统200。除如本文另外规定的之外， 监测系统200类似于监测系统100(图1中所示)，且相似的构件以相同的参考标号标示。 在示例性实施例中，监测系统200包括耦接到机器102上的至少一个传感器组件202，以及耦接到传感器组件202上的至少一个传感器节点204上。传感器组件202大致类似于传感器组件104(图1中所示)，只是信号调节模块 130、控制模块132和/或储存装置136定位在传感器节点204内，而非收容在传感器组件 202中。因此，在示例性实施例中，变换器108和/或副变换器IM将"原始"(S卩，未处理和未调节的)电信号传输至传感器节点204。该信号表示在传感器组件202内检测到的振动能数量。传感器节点204接收信号接口模块138内的原始信号。在备选实施例中，信号调节模块130的功能性并入到信号接口模块138和/或控制模块132内。因此，信号接口模块138如上文所述那样调节和/或处理该原始信号。在示例性实施例中，控制模块132和/或控制器134收容在传感器节点204内。控制模块132耦接到信号接口模块138、储存装置136、通信模块140和控制器134上。信号接口模块138将经受调节和/或处理的信号传输至控制模块132。控制模块132和/或控制器134以类似于上文参照图1所述的方式有选择地将信号传输至储存装置136或通信模块140。该信号传输至储存装置136，以便于再充电和/或使储存装置136的期望的能量水平能够保持。当通信模块140接收该信号时，通信模块140将信号传输至其它传感器节点 204和/或远程监测装置(未示出)，以便进行附加地处理、显示和/或分析。如本文所述，在示例性实施例中，传感器组件104优化为对引至传感器组件104的振动能进行检测和自其获取能量。更具体而言，相比于公知的传感器，单个变换器108可用于产生振动信号，该信号使控制模块132能够有选择地对储存装置136进行再充电，和/或将表示一个或多个振动测量结果的信号传输至传感器节点106和/或远程监测装置。此外， 与仅检测振动能的公知传感器相比，由于在获取操作模式期间获取的能量，传感器组件104 和/或传感器节点106有助于加强和增加测量、加强或优化采样率，以及/或者延长电池寿命。传感器组件104和/或传感器节点106还可有助于减少外部功率数量，否则传感器节点106、传感器组件104和/或监测系统100的任何其它适合构件或会需要该外部功率。上述实施例提供了有效且成本效益合算的监测系统以便在监测机器中使用。本文所述的监测系统有助于使传感器组件能够有选择地以感测模式和能量获取模式操作。在感测模式期间，传感器组件将表示在传感器组件内检测到的振动量的信号传输至传感器节点。传感器节点将信号传输至其它传感器节点或远程监测装置以便分析、显示和/或处理。 在能量获取模式期间，传感器组件将信号传输至储存装置，以便用于再充电或保持储存装置的能量水平。因此，监测系统能够通过测量由机器所引起的振动的同一变换器从该机器获取增加的能量数量。该能量可用于增加传感器组件的数据采样率和/或激励监测系统的一个或多个构件。上文详细描述了在能量获取中使用的系统和设备的示例性实施例。该系统和设备不限于本文所述的特定实施例，而相反，该系统和/或设备的构件可与本文所述的其它构件独立地和分开地使用。例如，传感器组件还可结合其它测量系统和方法来使用，且不限于仅结合如本文所述的监测系统来实施。确切而言，示例性实施例可结合许多其它功率系统应用来实施和使用。尽管在一些图中示出了本发明的各种实施例的特定特征而在另一些图中则未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，一幅图中的任何特征可结合任何其它图中的任何特征来参照和/或主张权利。本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种传感器组件(104)，包括: 变换器(108)；以及与所述变换器耦接的控制模块(132)，所述控制模块构造成用以使所述传感器组件在第一操作模式与第二操作模式之间有选择地切换，在所述第一操作模式，所述传感器组件测量引至所述传感器组件的能量数量，在所述第二操作模式，所述传感器组件储存引至所述传感器组件的能量数量。
2.根据权利要求1所述的传感器组件(104)，其特征在于，所述变换器(108)包括压电材料。
3.根据权利要求1所述的传感器组件(104)，其特征在于，所述传感器组件(104)还包括与所述控制模块(13 耦接的副变换器(IM)。
4.根据权利要求1所述的传感器组件(104)，其特征在于，所述变换器(108)定向为大致平行于沿轴向延伸穿过所述传感器组件的中心线(122)，使得所述变换器按如下方式中的至少一种进行操作对大致平行于所述中心线的引起的振动进行检测和自其获取能量。
5.根据权利要求4所述的传感器组件(104)，其特征在于，所述传感器组件还包括定向为大致垂直于所述中心线(120)的副变换器(IM)，使得所述副变换器按如下方式中的至少一种进行操作对大致横向于所述中心线的引起的振动进行检测和自其获取能量。
6.根据权利要求1所述的传感器组件(104)，其特征在于，所述传感器组件(104)还包括信号调节模块(130)，所述信号调节模块(130)与所述变换器(108)耦接，且构造成用以按如下方式中的至少一种进行操作对从所述变换器接收的信号的电压电平进行校正和调離iF. ο
7.一种监测系统(100)，包括:包括变换器(108)的至少一个传感器组件(104)； 与所述至少一个传感器组件耦接的至少一个传感器节点(106)；以及控制模块(132)，所述控制模块(13 与所述变换器耦接，且构造成用以使所述至少一个传感器组件在第一操作模式与第二操作模式之间有选择地切换，其中，在所述第一操作模式，所述至少一个传感器组件测量引至所述至少一个传感器组件的能量数量，在所述第二操作模式，所述至少一个传感器组件储存引至所述至少一个传感器组件的能量数量。
8.根据权利要求7所述的监测系统(100)，其特征在于，所述至少一个传感器节点 (106)包括通信模块(140)，所述通信模块(140)构造成用以当所述至少一个传感器组件(104)以第一模式操作时从所述变换器(108)接收信号；以及将所述信号传输至远程系统。
9.根据权利要求7所述的监测系统(100)，其特征在于，所述监测系统(100)还包括定位在所述至少一个传感器节点(106)和所述至少一个传感器组件(104)中的至少一个内的储存装置(136)，所述储存装置构造成用以在所述至少一个传感器组件以第二模式操作时从所述变换器(108)接收信号。
10.根据权利要求7所述的监测系统(100)，其特征在于，所述变换器(108)包括压电材料。
全文摘要
本发明涉及用于获取能量的系统及设备。具体而言，提供了一种传感器组件(104)。该传感器组件包括变换器(108)和与变换器耦接的控制模块(132)，该控制模块构造成用以使传感器组件在第一操作模式与第二操作模式之间有选择地切换，其中，在第一操作模式中，传感器组件测量引至传感器组件的能量数量，在第二操作模式中，传感器组件储存引至传感器组件的能量数量。
文档编号G01D21/02GK102313576SQ201110130359
公开日2012年1月11日 申请日期2011年5月12日 优先权日2010年5月13日
发明者L·坎贝尔 申请人:通用电气公司