专利名称：测量机器部件对于发射器的接近度的传感器组件和方法
技术领域：
本申请大体上涉及功率系统，并且更具体地涉及测量机器部件相对于发射器的接近度的传感器组件和方法。
背景技术：
已知的机器可在运行期间展现振动和/或其他异常行为。一个或多个传感器可用于测量和/或监测这样的行为并且确定例如在机器传动轴中展现的振动量、该机器传动轴的转速和/或操作机器或马达的任何其他操作特性。通常，这样的传感器耦合于包括多个监测器的机器监测系统。该监测系统从一个或多个传感器接收信号、执行关于这些信号的至少一个处理步骤以及传送修改的信号到诊断平台，其向用户显示测量。至少一些已知的机器使用涡流传感器来测量机器部件中的振动和/或机器部件的位置。然而，已知的涡流传感器的使用可受到限制，因为这样的传感器的检测范围仅是涡流感测元件的宽度的大约一半。其他已知的机器使用光学传感器来测量机器部件的振动和 /或位置。然而，已知的光学传感器可由污染物弄脏并且提供不准确的测量，并且如此可不适合于工业环境。此外，已知的光学传感器可不适合用于通过液体介质和/或包括微粒的介质检测机器部件的振动和/或位置。
发明内容
在一个实施例中，提供微波传感器组件，其包括至少一个探头，该至少一个探头包括配置成从至少一个微波信号产生电磁场的发射器。该发射器还配置成产生代表由安置在电磁场内的物体在该发射器内引起的加载的至少一个加载信号。该微波传感器组件还包括耦合于该至少一个探头的信号处理装置。该信号处理装置包括配置成基于该至少一个加载信号产生大致上线性输出信号的线性化器。在另一个实施例中，提供功率系统，其包括机器和接近该机器安置的微波传感器组件。该微波传感器组件包括至少一个探头，其包括配置成从至少一个微波信号产生电磁场的发射器，其中当该机器的至少一个部件安置在该电磁场内时在该发射器内引起加载。 该发射器还配置成产生代表该引起的加载的至少一个加载信号。该微波传感器组件还包括耦合于该至少一个探头的信号处理装置。该信号处理装置包括配置成基于该至少一个加载信号产生大致上线性输出信号的线性化器。在再另一个实施例中，提供用于测量机器部件相对于发射器的接近度的方法。该方法包括基于传送到该发射器的至少一个微波信号产生电磁场，以及产生代表在该发射器内由该机器部件与该电磁场的相互作用而引起的加载的至少一个加载信号。该机器部件对于该发射器的大致上线性的接近度测量基于该至少一个加载信号产生，并且该接近度测量输出给用户。
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图1是示范性功率系统的框图。图2是可与在图1中示出的功率系统一起使用的示范性传感器组件的框图。图3是可与在图2中示出的传感器组件一起使用的示范性信号处理装置的一部分的框图。图4是可与在图2中示出的传感器组件一起使用的备选信号处理装置的一部分的框图。
具体实施例方式图1示出包括机器102的示范性功率系统100。在示范性实施例中，机器102可以是，但不限于只是风力涡轮机、水电涡轮机、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、电气发动机或压缩机。备选地，机器102可以是在功率系统中使用的任何其他机器。在示范性实施例中，机器 102使耦合于负载106(例如发电机等)的传动轴104旋转。在示范性实施例中，传动轴104至少部分由容置在机器102内和/或负载106内的一个或多个轴承(未示出)支撑。备选地或另外，这些轴承可容置在例如变速箱等独立支撑结构108内或在使功率系统100能够如本文描述的那样起作用的任何其他结构或部件内。在示范性实施例中，功率系统100包括至少一个传感器组件110，其测量和/或监测机器102、传动轴104、负载106和/或使系统100能够如本文描述的那样起作用的功率系统100的任何其他部件的至少一个运行状况。更具体地，在示范性实施例中，传感器组件 110是紧密地接近传动轴104安置用于测量和/或监测在传动轴104和传感器组件110之间限定的距离(在图1中未示出)的接近度传感器组件110。此外，在示范性实施例中，传感器组件110使用微波信号来测量功率系统100的部件关于传感器组件110的接近度。如本文使用的，术语“微波”指接收和/或传送具有在大约300兆赫(MHz)和大约300千兆赫 (GHz)之间的一个或多个频率的部件或信号。备选地，传感器组件110可测量和/或监测功率系统100的任何其他部件，并且/或可以是使功率系统100能够如本文描述的那样起作用的任何其他传感器或换能器。在示范性实施例中，每个传感器组件110安置在功率系统 100内的任何位置中。此外，在示范性实施例中，至少一个传感器组件110耦合于诊断系统 112供在处理和/或分析由传感器组件110产生的一个或多个信号中使用。在运行期间，在示范性实施例中，机器102的运行可使功率系统100的一个或多个部件(例如传动轴104)关于至少一个传感器组件110改变位置。例如，可在部件内引起振动并且/或部件可随着功率系统100内的运行温度变化而伸展或收缩。在示范性实施例中， 传感器组件110测量和/或监测部件相对于每个传感器组件110的接近度、位置和/或振动量，并且传送代表测量的部件的接近度、位置和/或振动量的信号(在下文中称为“接近度测量信号”)到诊断系统112供处理和/或分析。图2是可与功率系统100(在图1中示出)一起使用的示范性传感器组件110的示意图。在示范性实施例中，传感器组件Iio包括信号处理装置200和经由数据管道204 耦合于信号处理装置200的探头202。此外，在示范性实施例中，探头202包括耦合于探头外壳208和/或安置在探头外壳208内的发射器206。更具体地，在示范性实施例中，探头 202是包括微波发射器206的微波传感器探头202。如此，在示范性实施例中，发射器206具有在微波频率范围内的至少一个谐振频率。在示范性实施例中，信号处理装置200包括定向耦合装置210，其耦合于传输功率检测器212、接收功率检测器214和信号调节装置216。此外，在示范性实施例中，信号调节装置216包括信号发生器218、减法器220和线性化器222。发射器206在微波信号传送通过发射器206时发射电磁场224。在运行期间，在示范性实施例中，信号发生器218产生具有等于或近似等于发射器206的至少一个谐振频率的微波频率的至少一个电信号(在下文中称为“微波信号”)。 信号发生器218传送该微波信号至定向耦合装置210。定向耦合装置210传送该微波信号的一部分至发射器206并且传送该微波信号的剩余部分至传输功率检测器212。当微波信号传送通过发射器206时，电磁场2M从发射器206发射并且到探头外壳208外。如果例如传动轴104或机器102(在图1中示出)和/或功率系统100的另一个部件等物体进入电磁场224内并且/或改变在电磁场224内的相对位置，可在该物体和场2M之间发生电磁耦合。更具体地，因为物体在电磁场224内的存在和/或因为这样的物体移动，电磁场 224可例如因为在该物体内引起的感应和/电容效应(其使电磁场224的至少一部分作为电流和/或电荷而感应地和/或电容性地耦合于物体)而被干扰。在这样的实例中，发射器206失谐(即，发射器206的谐振频率减小和/或改变)并且在发射器206内引起加载。 在发射器206内引起的加载使微波信号的至少一个反射(在下文中称为“失谐加载信号”) 传送通过数据管道204到定向耦合装置210。在示范性实施例中，该失谐加载信号具有比微波信号的功率幅度更低的功率幅度以及/或者具有与微波信号的相位不同的相位。此外， 在示范性实施例中，该失谐加载信号的功率幅度取决于物体对于发射器206的接近度。定向耦合装置210传送该失谐加载信号到接收功率检测器214。在示范性实施例中，接收功率检测器214确定基于失谐加载信号的功率量和/或确定包含在失谐加载信号内的功率量并且传送代表失谐加载信号功率的信号到信号调节装置216。此外，传输功率检测器212确定基于微波信号的功率量和/或确定包含在微波信号内的功率量并且传输代表微波信号功率的信号到信号调节装置216。在示范性实施例中， 减法器220接收微波信号功率和失谐加载信号功率，并且计算微波信号功率和失谐加载信号功率之间的差。减法器220传送代表该计算的差的信号(在下文中称为“功率差信号”) 到线性化器222。在示范性实施例中，该功率差信号的幅度与在电磁场224内的物体(例如传动轴104)和探头202以及/或发射器206之间限定的距离226(即，距离2 称作物体接近度)成比例，例如反比例或指数比例。取决于发射器206的特性(例如发射器206的几何形状)，功率差信号的幅度可关于物体接近度至少部分展现非线性关系。在示范性实施例中，线性化器222将功率差信号变换成电压输出信号(即，“接近度测量信号”)，其在物体接近度和接近度测量信号的幅度之间展现大致上线性关系。此外， 在示范性实施例中，线性化器222传送接近度测量信号到诊断系统112 (在图1中示出)， 该接近度测量信号具有适合用于在诊断系统112内处理和/或分析的比例因子。在示范性实施例中，该接近度测量信号具有每毫米伏特数的比例因子。备选地，该接近度测量信号可具有使诊断系统112和/或功率系统100能够如本文描述的那样起作用的任何其他比例因子。图3是可与传感器组件110 (在图2中示出)一起使用的示范性信号处理装置200
5的一部分的框图。在图3中图示的实施例中，信号处理装置200包括多个模拟部件，例如多个运算放大器，如在本文更充分描述的。备选地，信号处理装置200可包括使信号处理装置 200能够如本文描述的那样起作用的任何其他部件。在示范性实施例中，传输功率检测器 212确定基于微波信号的功率量和/或确定包含在微波信号内的功率量并且传送代表微波信号功率的信号到减法器220，如在上文参照图2描述的。此外，在示范性实施例中，接收功率检测器214确定基于失谐加载信号的功率量和/或确定失谐加载信号内包含的功率量并且传送代表失谐加载信号功率的信号到减法器220，如在上文参照图2描述的。在示范性实施例中，减法器220包括差分放大器300，其从微波信号功率中减去失谐加载信号功率并且传送功率差信号到线性化器222。在备选实施例中，减法器220可包括确定微波信号功率与失谐加载信号功率之间的差的任何其他装置。在示范性实施例中，功率差信号与在物体(例如传动轴104 (在图1中示出))和探头202以及/或发射器206 (都在图2中示出)之间限定的距离226(在图2中示出)成指数性比例、对数性比例和/或反比例。在示范性实施例中，线性化器222包括耦合于差分放大器300的回路放大器302 和耦合于回路放大器302的比例放大器304。在示范性实施例中，差分放大器300、回路放大器302和比例放大器304是运算放大器。备选地，线性化器222包括使线性化器222能够如本文描述的那样起作用的任何其他装置或多个装置。回路放大器302从差分放大器300 接收功率差信号并且基于该功率差信号产生大致上线性输出信号。更具体地，回路放大器 302的输出传送到传递函数装置306。在示范性实施例中，传递函数装置306产生对应于输入信号的变换的输出信号(即，输出信号是输入信号的变换)。在一个实施例中，输入信号的变换包括使输入信号移位、偏移和/或反相。如此，传递函数装置306传送输出信号(其是从回路放大器302输出的信号的变换)到回路放大器302使得提供传递函数反馈回路。 回路放大器302从功率差信号中减去变换的信号并且产生代表计算的差的电压输出。回路放大器302的这样的传递函数反馈回路使回路放大器302能够将功率差信号变换成电压输出信号(即，“接近度测量信号”)，其展现物体接近度和接近度测量信号的幅度之间的大致上线性关系。回路放大器302传送接近度测量信号到比例放大器304来调整接近度测量信号的幅度。在示范性实施例中，比例放大器304将接近度测量信号的幅度提高至适合于在诊断系统112内处理和/或分析的幅度。在示范性实施例中，接近度测量信号具有每毫米伏特数的比例因子。备选地，接近度测量信号可具有使诊断系统112和/或功率系统100能够如本文描述的那样起作用的任何其他比例因子。放大的接近度测量信号可传送到诊断系统 112和/或任何其他装置或系统用于输出或显示给用户以及/或供进一步处理和/或分析。图4是可与传感器组件110(在图2中示出)一起使用的备选信号处理装置200 的一部分的框图。在图3中图示的实施例中，信号处理装置200包括至少一个数字部件，例如处理器，如本文更充分描述的。备选地，信号处理装置200可包括使信号处理装置200能够如本文描述的那样起作用的任何其他部件。在示范性实施例中，传输功率检测器212确定基于微波信号的功率量和/或确定包含在微波信号内的功率量并且传送代表微波信号功率的信号到模-数(A-D)转换器400。此外，在示范性实施例中，接收功率检测器214确定基于失谐加载信号的功率量和/或确定失谐加载信号内包含的功率量并且传送代表失谐加载信号功率的信号到A-D转换器400。在示范性实施例中，A-D转换器400将代表微波信号功率的模拟信号转换成代表微波信号功率的数字信号(在下文中称为“数字微波功率信号”)。A-D转换器400将代表失谐加载信号功率的模拟信号转换成代表失谐加载信号功率的数字信号(在下文中称为“数字加载功率信号”)。A-D转换器400传送该数字微波功率信号和该数字加载功率信号至处理器402。处理器402包括任何适合的可编程电路，其可包括一个或多个系统和微控制器、 微处理器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)和能够执行本文描述的功能的任何其他电路。上文的实施例仅是示范性的，并且从而不意在以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含义。处理器402与减法器404和线性化器406 (即，减法器404和线性化器406包含在处理器402内)一起来编程。减法器404计算数字微波功率信号与数字加载功率信号之间的差并且产生所得的功率差信号。减法器404传送该功率差信号至线性化器406。在示范性实施例中，该功率差信号与在物体(例如传动轴104(在图1中示出))和探头202以及/ 或发射器206(都在图2中示出)之间限定的距离226(在图2中示出)成指数比例、对数比例和/或反比例。在示范性实施例中，线性化器406包括在处理器402内编程的传递函数。处理器 402执行该传递函数以将功率差信号变换成输出信号(即，“接近度测量信号”)，其展现物体接近度和该输出信号的幅度之间的大致上线性关系。更具体地，在示范性实施例中，该传递函数使用功率差信号和该功率差信号的变换来产生大致上线性的接近度测量信号。在一个实施例中，功率差信号的变换包括使功率差信号移位、偏移和/或反相。在这样的实施例中，该传递函数从功率差信号中减去该功率差信号的变换以产生大致上线性的接近度测量信号。线性化器406传送该接近度测量信号至数-模(“D-A”)转换器408。在示范性实施例中，D-A转换器408将数字接近度测量信号转换成模拟接近度测量信号。此外，D-A转换器408可采用与上文参照图3描述的相似的方式将该模拟接近度测量信号的幅度调整到适合的水平。D-A转换器408传送该模拟接近度测量信号到诊断系统112和/或任何其他装置或系统用于显示给用户以及/或供进一步处理和/或分析。备选地，信号处理装置200不包括D-A转换器408，并且接近度测量信号作为数字信号传送到诊断系统112和/或任何其他装置或系统。在备选实施例中，传输功率检测器212和/或接收功率检测器214可省略，并且处理器402可计算包含在微波信号和失谐加载信号中的功率或计算基于微波信号和失谐加载信号的功率。在这样的实施例中，A-D转换器400将微波信号和失谐加载信号转换成相应的数字信号，并且处理器402对这些数字信号进行本文描述的计算。本文描述的系统和方法的技术效果包括下列中的至少一个(a)基于传送到发射器的至少一个微波信号产生电磁场；(b)产生代表在发射器内由机器部件与该电磁场的相互作用引起的加载的至少一个加载信号；(c)基于该至少一个加载信号产生机器部件对于发射器的大致上线性的接近度测量；以及(d)输出该接近度测量给用户。上文描述的实施例提供测量机器部件的接近度中使用的高效和成本有效的传感器组件。该传感器组件用微波信号驱动发射器来产生电磁场。当物体(例如机器部件)安置在场内时，该物体使该电磁场被干扰。该干扰使发射器失谐，并且代表在发射器内引起的加载的加载信号被产生，或从微波信号反射通过数据管道到信号处理装置。信号处理装置使用包括基于模拟或基于数字的传递函数的线性化器来从加载信号产生大致上线性的接近度测量。传感器组件、功率系统和用于测量机器部件关于发射器的接近度的方法的示范性实施例在上文详细描述。传感器组件、功率系统和方法不限于本文描述的具体实施例，相反地，传感器组件和/或功率系统的部件以及/或方法的步骤可独立并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。例如，传感器组件还可结合其他测量系统和方法使用，并且不限于只用本文描述的功率系统实践。相反，示范性实施例可以连同许多其他测量和/或监测应用实现和使用。尽管本发明的各种实施例的具体特征可在一些图中而不在其他图中示出，这仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其他图的任何特征来参考和/或要求权利。该书面描述使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。部件列表
权利要求
1.一种微波传感器组件(110)，其包括包括发射器O06)的至少一个探头002)，所述发射器(206)配置成从至少一个微波信号产生电磁场；以及产生代表由安置在所述电磁场内的物体在所述发射器内引起的加载的至少一个加载信号；和耦合于所述至少一个探头的信号处理装置O00)，所述信号处理装置包括配置成基于所述至少一个加载信号产生大致上线性的输出信号的线性化器(222)。
2.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其中所述信号处理装置(200)配置成当所述发射器由所述至少一个微波信号激励时产生代表所述物体对于所述发射器O06) 的接近度的大致上线性的输出。
3.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其中所述线性化器(222)包括在处理器002)内编程的传递函数。
4.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其中所述线性化器(222)包括至少一个运算放大器(300)。
5.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其进一步包括第一功率检测器012)， 其检测包含在所述至少一个微波信号中的功率的量。
6.如权利要求5所述的微波传感器组件(110)，其进一步包括第二功率检测器014)， 其检测包含在所述至少一个加载信号中的功率的量。
7.如权利要求1所述的微波传感器组件(110)，其中所述信号处理装置(200)配置成基于包含在所述至少一个微波信号中的功率的量和包含在所述至少一个加载信号中的功率的量之间的差来计算所述物体对于所述发射器O06)的接近度。
8.一种功率系统(100)，其包括机器(102)；和接近所述机器安置的微波传感器组件(110)，所述传感器组件包括包括发射器O06)的至少一个探头002)，其配置成从至少一个微波信号产生电磁场，其中当所述机器的至少一个部件安置在所述电磁场内时在所述发射器内引起加载；以及产生代表引起的加载的至少一个加载信号；和耦合于所述至少一个探头的信号处理装置O00)，所述信号处理装置包括配置成基于所述至少一个加载信号产生大致上线性的输出信号的线性化器(222)。
9.如权利要求8所述的功率系统(100)，其中所述信号处理装置(200)配置成当所述发射器由所述至少一个微波信号激励时产生代表所述至少一个部件对于所述发射器O06) 的接近度的大致上线性的输出。
10.如权利要求8所述的功率系统(100)，其中所述信号处理装置(200)包括处理器 002)，并且其中所述线性化器(22 包括在所述处理器内编程的传递函数。
全文摘要
本发明涉及测量机器部件对于发射器的接近度的传感器组件和方法。微波传感器组件(110)包括至少一个探头(202)，其包括配置成从至少一个微波信号产生电磁场的发射器(206)。该发射器还配置成产生代表由安置在电磁场内的物体在该发射器内引起的加载的至少一个加载信号。该微波传感器组件还包括耦合于该至少一个探头的信号处理装置(200)。该信号处理装置包括配置成基于该至少一个加载信号产生大致上线性输出信号的线性化器(222)。
文档编号G01H11/00GK102538946SQ201110437599
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者B·L·谢克曼, W·普拉特, 高宇轩 申请人:通用电气公司