用于检测振动的系统和方法
【专利摘要】本发明提供一种振动检测系统。该振动检测系统包括：射频（RF）源；振动传感器，其联接到RF源并且被构造成接收由RF源提供的RF信号并且辐射RF能量；以及计算装置，其联接到所述RF源并且被构造成基于振动传感器的阻抗计算感应到振动传感器的振动能量。
【专利说明】用于检测振动的系统和方法
【技术领域】
[0001]本文公开的主题整体涉及振动检测系统，更具体地，涉及螺旋线圈振动传感器。
【背景技术】
[0002]已知的机器，例如气体涡轮机，包括多个运动部件。在操作期间，各部件可能在机器中出现和/或产生振动。这样的振动可能表示一个或多个部件出现故障，或者可能导致一个或多个部件故障。当不进行检查时，振动可能使设备恶化和质量下降。传感器可以用来监测振动，以确定一个或多个部件的操作状态。例如，振动传感器可以测量在马达驱动轴中引起的振动的量、马达驱动轴的旋转位置或位移、和/或机器或马达的其它操作特征。
[0003]至少某些已知的振动检测系统将绕永磁体悬置的单个线材线圈用作振动传感器。当线圈响应于振动而运动时，随着线圈穿过磁体的磁场线而在线圈中感应出电流。可以监测电流以检测振动。然而，至少某些已知的振动传感器不能够检测较低频率的振动。另外，至少某些已知的振动传感器仅仅在检测到高频振动时生成信号，因此在存在低频振动时不会生成可检测的输出。
【发明内容】
[0004]在Iv方面中，提供一种振动检测系统。该振动检测系统包括:射频(RF)源；振动传感器，其联接到RF源并且被构造成接收由RF源提供的RF信号并且辐射RF能量；以及计算装置，其联接到所述RF源并且被构造成基于振动传感器的阻抗计算感应到振动传感器的振动能量。
[0005]进一步地，所述振动传感器包括:螺旋线圈；以及质量块，所述质量块联接到所述螺旋线圈的端部并且从所述螺旋线圈的端部悬置，其中当所述螺旋线圈暴露于振动时，所述质量块便于所述螺旋线圈的伸展和收缩。
[0006]进一步地，所述计算装置被构造成通过以下方式计算感应到所述振动传感器的振动能量的大小:计算由于所述螺旋线圈中的阻抗改变而造成的功率损失；将计算的功率损失映射到所述螺旋线圈的长度；以及由所述螺旋线圈的长度的振荡确定振动频率。
[0007]进一步地，所述计算装置被构造成利用存储在所述计算装置中的查找表将计算的功率损失映射到所述螺旋线圈的长度，其中所述查找表包括功率损失和相关的螺旋线圈长度的列表。
[0008]进一步地，所述振动传感器还包括电接地的反射器板，所述反射器板被构造成反射所辐射的RF能量。
[0009]进一步地，所述RF信号的频率大致等于所述振动传感器的谐振频率。
[0010]进一步地，所述振动检测系统被构造成将没有振动检测为DC信号。
[0011]进一步地，所述振动传感器的谐振频率为大约3.15千兆赫。
[0012]进一步地，在静止位置中所述振动传感器的阻抗为大约50欧姆。
[0013]在另一个方面中，提供一种振动传感器。振动传感器包括:螺旋线圈，其联接到射频(RF)源并且被构造成辐射RF能量；以及质量块，其联接到螺旋线圈的端部并且从螺旋线圈的端部悬置，其中该质量块便于在线圈暴露于振动时延伸和收缩螺旋线圈，并且其中螺旋线圈的电感取决于螺旋线圈的长度。
[0014]进一步地，所述振动传感器的谐振频率为大约3.15千兆赫。
[0015]进一步地，在静止位置中所述振动传感器的阻抗为大约50欧姆。
[0016]进一步地，所述振动传感器安装在涡轮机组件中，以检测所述涡轮机组件中的振动。
[0017]进一步地，所述振动传感器还包括电接地的反射器板，所述反射器板被构造成反射所辐射的RF能量。
[0018]进一步地，所述电接地的反射器板包括盘形金属板。
[0019]在又一个方面中，提供一种用于检测振动的方法。该方法包括:向振动传感器提供射频(RF)信号；检测振动传感器的阻抗变化；以及基于检测到的阻抗变化计算感应到振动传感器的振动能量。
[0020]进一步地，向振动传感器提供RF信号包括提供频率与所述振动传感器的谐振频率大致相等的RF信号。
[0021]进一步地，计算振动能量包括:计算由于所述振动传感器的螺旋线圈中的阻抗改变而造成的功率损失；将计算的功率损失映射到螺旋线圈的长度；以及由所述螺旋线圈的长度的振荡确定振动频率。
[0022]进一步地，映射计算的功率损失包括利用查找表映射计算的功率损失，所述查找表包括功率损失和相关的螺旋线圈长度的列表。
[0023]进一步地，向振动传感器提供RF信号包括向具有螺旋线圈和质量块的振动传感器提供RF信号，所述质量块联接到所述螺旋线圈的端部并且从所述螺旋线圈的端部悬置，以便当所述螺旋线圈暴露于振动时，所述质量块便于所述螺旋线圈的伸展和收缩。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为示例性润轮机组件的示意图。
[0025]图2为可以用于图1所示的涡轮机组件的示例性振动检测系统的示意图。
[0026]图3为可以用于图2所示的振动检测系统的示例性计算装置的方框图。
[0027]图4A-4C为图2所示的振动检测系统中检测到的功率损失对RF信号频率的示例性曲线图。
【具体实施方式】
[0028]本文所述的系统和方法能够检测诸如涡轮机组件的机器中一个或多个部件的振动。本文所述的振动检测系统包括螺旋线圈振动传感器，其使用射频(RF)源来辐射RF能量。通过监测辐射能量的功率损失，可以确定螺旋线圈的伸展和压缩，并因此可以确定振动的大小。
[0029]本文所述的方法和系统的技术效果包括以下中的至少一个:(a)计算RF信号和辐射的RF能量之间的功率损失；(b)将计算的功率损失映射到振动传感器中的螺旋线圈的长度；以及(c)从螺旋线圈的长度中的振荡确定振动频率。[0030]图1为示例性润轮机组件100的示意图。在示例性实施例中，润轮机组件100包括以串联流动布置联接的压缩机104、燃烧器组件106和涡轮机108，该涡轮机经由轴110可旋转地联接到压缩机104。
[0031]在操作期间，在示例性实施例中，环境空气通过空气入口(未示出)朝向压缩机104引导。环境空气在朝向燃烧器组件106引导之前被压缩机104压缩。在不例性实施例中，压缩空气与燃料混合，所得的燃料-空气混合物在燃烧器组件106内点火，以生成朝向涡轮机108引导的燃烧气体。此外，在示例性实施例中，涡轮机108从燃烧气体提取旋转能量，并且使轴110旋转以驱动压缩机104。此外，在示例性实施例中，涡轮机组件100驱动联接到轴110的负载112，例如发电机。在示例性实施例中，负载112处于涡轮机组件100的下游。或者，负载112可以在涡轮机组件100的上游。
[0032]在涡轮机组件100操作期间产生的振动可能表示至少一个部件和/或随时间的故障，可能促成一个或多个部件的故障，这可能需要更换和/或修复以确保涡轮机组件100的正确操作。因此，其可以有利地能够检测和定量在涡轮机组件100内出现的振动。
[0033]图2为示例性振动检测系统200的示意图，其可以用来检测例如在涡轮机组件100(如图1所示)中产生的振动。振动检测系统200可以例如安装到涡轮机组件100的壳体或部件。振动检测系统200包括振动传感器202,该振动传感器包括螺旋线圈204。螺旋线圈204包括第一端部206和相对的第二端部208。在示例性实施例中，螺旋线圈204由金属导体制成。或者，螺旋线圈204可以由使得振动检测系统200能够如本文所述地那样起作用的任何其它材料制成。为了检测振动，螺旋线圈204用作射频(RF)天线，如以下详细所述。
[0034]在示例性实施例中，螺旋线圈204具有的几何特性包括直径D、长度L、圈数N和节距α (即一个完整圈的宽度)。螺旋线圈204的电性能取决于几何特性。因此，改变几何特性(例如长度L、直径D、圈数N、节距α等)将选择性地改变螺旋线圈204的电性能。螺旋线圈204的几何特性还确定螺旋线圈204的谐振频率。在示例性实施例中，螺旋线圈204的谐振频率为大约3.15千兆赫(GHz)。或者，螺旋线圈204可以具有能够使得振动传感器202如本文所述地那样起作用的任何谐振频率。例如，螺旋线圈204的谐振频率可以在从500兆赫兹(MHz)到IOGHz的范围内。
[0035]线圈第一端部206联接到RF源210，该RF源向螺旋线圈204发射RF信号。更具体地，RF源210利用缆线212联接到螺旋线圈204。缆线212可以为例如50欧姆的同轴缆线。在示例性实施例中，RF源210是能够发射覆盖频率范围的RF信号的信号发生器。或者，RF源210可以是能够使得振动传感器202如本文所述地那样起作用的任何RF信号源。当RF信号经由RF源210供应到螺旋线圈204时，螺旋线圈204辐射RF能量。在示例性实施例中，供应到螺旋线圈204的RF信号是频率与螺旋线圈204的谐振频率基本上相同的RF信号。或者，能够使得振动传感器202如本文所述地那样起作用的任何RF信号可以传递到螺旋线圈204。
[0036]在示例性实施例中，电接地的反射器214联接在螺旋线圈204的第一端部206处。反射器214便于反射从螺旋线圈204福射的RF能量。在示例性实施例中，反射器214是盘形金属板。或者，反射器214可以具有能够使得振动传感器202如本文所述地那样起作用的任何形状和/或组成。
[0037]在示例性实施例中，质量块220联接到螺旋线圈204的第二端部208并且从该第二端部悬挂。质量块220被校准，使得当其处于静止位置时(即质量块220和螺旋线圈204平衡)，螺旋线圈204既不是完全伸展也不是完全压缩。在伸展期间，螺旋线圈204的长度L比处于静止位置中的长度L长。在压缩期间，螺旋线圈204的长度L比处于静止位置中的长度L短。为了检测在结构(例如涡轮机组件100的一个或多个部件(如图1所示))中感应的振动，第一端部206安装到相关的结构。因此，当该结构振动时，质量块220随着螺旋线圈204伸展和压缩而相对于线圈第一端部206振荡。同样，质量块220使得螺旋线圈204在振动期间振荡。螺旋线圈204的伸展和/或压缩程度对应于振动的大小。
[0038]随着螺旋线圈204响应于振动而伸展和压缩,螺旋线圈204的阻抗改变。在示例性实施例中，当线圈204静止时，线圈204的阻抗为大约50欧姆。或者，螺旋线圈可以具有能够使得振动传感器202如本文所述地那样起作用的任何阻抗。因为螺旋线圈204的阻抗在伸展和/或压缩期间改变，所以由于阻抗失配，而使得螺旋线圈204辐射的RF能量的功率也发生改变。
[0039]振动传感器202容纳在封装件230中，该封装件保护振动传感器200的部件免于损坏和/或外部干扰。在示例性实施例中，为了确保振动传感器200基本上沿一个维度测量振动，封装件230防止弹簧204和/或质量块220沿着与长度L垂直的方向运动。为了将振动传感器202安装到涡轮机组件100，封装件230可以利用螺栓、螺柱和/或任何合适的紧固机构联接到涡轮机组件100。
[0040]当螺旋线圈204的阻抗在螺旋线圈204的伸展和/或压缩期间改变时，反射回到RF源210的功率也改变。通过测量表示阻抗的发射的和反射的功率(即功率损失)，联接到RF源210的计算装置240计算由振动传感器202检测到的振动能量的大小，如下详细所述。
[0041]图3为计算装置240的方框图。计算装置240包括至少一个存储装置310和联接到存储装置310以用于执行指令的处理器315。在一些实施例中，可执行指令存储在存储装置310中。在示例性实施例中，计算装置240通过对处理器315编程而执行本文所述的一个或多个操作。例如，处理器315可以通过将操作编码为一个或多个可执行指令以及通过在存储装置310中提供可执行指令而被编程。
[0042]处理器315可以包括一个或多个处理单元(例如在多核架构中)。另外，处理器315可以实施为一个或多个异质处理器系统，其中在单个芯片上具有主处理器以及副处理器。作为另一个示例性的例子，处理器315可以是对称的多处理器系统，其包括多个相同类型的处理器。另外，处理器315可以实施为任何合适的可编程的电路，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)、特定用途集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)和能够执行本文所述功能的任何其它电路。
[0043]在示例性实施例中，存储装置310为能够存储和恢复诸如可执行指令和/或其它数据的信息的一个或多个装置。存储装置310可以包括一个或多个计算机可读介质，例如但不限于，动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态盘和/或硬盘。存储装置310可以被构造成非限制性地存储应用源代码、应用目标代码、关注的源代码部分、关注的目标代码部分、架构数据、执行事件和/或任何其它类型的数据。
[0044]在一些实施例中，计算装置240包括联接到处理器315的展示界面320。展示界面320向用户325展示信息，例如应用源代码和/或执行事件。例如，展示界面320可以包括显示适配器(未示出)，该显示适配器可以联接到显示装置，例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(IXD)、有机LED (OLED)显示器和/或“电子墨水”显示器。在一些实施例中，展示界面320包括一个或多个显示装置。
[0045]在示例性实施例中，计算装置240包括用户输入界面335。在示例性实施例中，用户输入界面335联接到处理器315并且接收来自用户325的输入。用户输入界面335可以包括例如键盘、定点装置、鼠标、触笔、接触感应面板(例如触摸板或触摸屏)、陀螺仪、加速度计、定位检测器和/或声音用户输入界面。单个部件(例如触摸屏)可以用作展示界面320的显示装置和用户输入界面335。
[0046]在一些实施例中，计算装置240包括联接到处理器315的通信接口 340。通信接口340与一个或多个远程装置通信。为了与远程装置通信，通信接口 340可以包括例如有线网络适配器、无线网络适配器和/或移动通信适配器。在示例性实施例中，除非另有说明，否则处理器315计算感应到振动传感器202的振动能量大小，如本文所述。
[0047]如上所述，螺旋线圈204辐射的(和反射的)RF能量中的功率取决于螺旋线圈204延伸和/或收缩的程度。因此，在示例性实施例中，计算装置240根据阻抗改变(例如通过计算功率损失)来确定螺旋线圈204延伸和压缩的量。也就是，计算装置240根据阻抗改变来确定振动的大小。在示例性实施例中，计算装置240以分贝(dB)计算功率损失。或者，计算装置240以使得振动检测系统200能够如本文所述地那样起作用的任何单位计算功率损失。
[0048]计算装置240将计算的功率损失映射或关联到螺旋线圈204展现的长度L (即延伸和/或收缩的程度)。计算的功率损失可以利用存储在存储装置310中的查找表350或数学公式映射到长度L。查找表350包括功率损失以及与每个功率损失相关的对应长度L的列表。查找表350可以从振动传感器202的校准测量中生成。
[0049]例如，为了生成查找表350中的条目，可以在静止位置的长度L处测量螺旋线圈204的功率损失。为了生成额外的条目，螺旋线圈204伸展和/或压缩到已知的长度L，并且测量对应的功率损失。在一个实施例中，曲线配合到功率损失和长度数据，以确定功率损失和长度之间的功能关系。可以通过计算装置240使用这种功能关系，以将计算的功率损失映射到螺旋线圈204的长度L。通过跟踪随时间推移的功率损失(以及因此跟踪螺旋线圈204的长度L)，可以确定螺旋线圈204的振荡。这样的振荡表示振动传感器202所经历的振动的频率。在示例性实施例中，可以在例如展示界面320上显示绘制的功率损失对线圈长度、功率损失对时间、线圈长度对时间和/或振动频率对时间的曲线图。或者，可以在展示界面320上显示使得用户325能够确定感应到振动传感器202的振动的任何信息。
[0050]图4A-4C为检测到的功率损失对RF信号频率的示例性曲线图。如上所述,在示例性实施例中，RF信号的频率与螺旋线圈204的谐振频率基本上相同。
[0051]图4A为当螺旋线圈204处于压缩状态(即长度L比处于静止位置中的长度L短)时绘制的用于振动传感器202的示例性功率损失对RF信号频率的曲线图400。如图4A所示，在大约3.15GHz的谐振频率处，测量的功率损失为大约-4.2dB。
[0052]图4B为当螺旋线圈204处于中间状态(即静止位置)时绘制的用于振动传感器202的示例性功率损失对RF信号频率的曲线图402。如图4B所示，在大约3.15GHz的谐振频率处，测量的功率损失为大约-7.9dB。
[0053]图4C为当螺旋线圈204处于伸展状态(即长度L比处于静止位置中的长度L长)时绘制的用于振动传感器202的示例性功率损失对RF信号频率的曲线图404。如图4C所示，在大约3.15GHz的谐振频率处，测量的功率损失为大约-11.6dB。因此，图4A-4C示出了振动传感器202的功率损失取决于螺旋线圈204的长度L。
[0054]要注意的是，即使在线圈204中没有振动能量时，振动检测系统200 (如图2所示)也产生输出。具体地，即使在螺旋线圈204处于静止位置时，振动检测系统200也测量非零功率损失。因此，与仅仅在实际振动期间产生输出的至少某些已知的振动传感器相比，振动检测系统200总是产生可测量的输出。另外，与至少某些已知的振动传感器相比，振动检测系统200能够测量较低频率的振动。例如，在一些实施例中，振动检测系统200可以检测小至0.5赫兹(Hz)的振动，或者甚至将没有振动检测为DC信号(即0Hz)。
[0055]本文所述的实施例能够检测例如涡轮机组件的机器中的一个或多个部件的振动。本文所述的振动检测系统包括螺旋线圈振动传感器，其使用射频(RF)源来辐射RF能量。通过监测辐射能量的功率损失，可以确定螺旋线圈的伸展和压缩，并因此可以确定振动的大小。
[0056]与至少某些已知的振动检测系统不同，本文所述的振动检测系统可以测量较低频率的振动，并且总是产生可测量的输出。因为本文所述的振动检测系统总是产生可测量的输出，所以与至少某些已知的振动检测系统相比，本文所述的振动检测系统可以是更加敏感和/或精确的。
[0057]以上详细描述了用于检测振动的系统和方法的示例性实施例。本文所述的系统和方法并不限于本文所述的特定实施例，相反，系统的部件和/或方法的步骤可以与本文所述的其它部件和/或步骤独立地和分开地使用。例如，本文所述的振动检测系统可以用于多种机器，并不限于用于涡轮机组件。
[0058]尽管可能在某些附图中示出而在其它附图中没有示出本发明各种实施例的具体特征，但是这仅仅是为了方便的目的。根据本发明的原理，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征结合起来进行参考和/或要求保护。
[0059]本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。这样的其它示例旨在属于权利要求书的范围内，只要它们具有与该权利要求书的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与该权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。
【权利要求】
1.一种振动检测系统，其包括: 射频源； 振动传感器，所述振动传感器联接到所述射频源并且被构造成: 接收由所述射频源提供的射频信号；以及 辐射射频能量； 计算装置，所述计算装置联接到所述射频源并且被构造成根据所述振动传感器的阻抗计算感应到所述振动传感器的振动能量。
2.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述振动传感器包括: 螺旋线圈；以及 质量块，所述质量块联接到所述螺旋线圈的端部并且从所述螺旋线圈的端部悬置，其中当所述螺旋线圈暴露于振动时，所述质量块便于所述螺旋线圈的伸展和收缩。
3.根据权利要求2所述的振动检测系统，其特征在于，所述计算装置被构造成通过以下方式计算感应到所述振动传感器的振动能量的大小: 计算由于所述螺旋线圈中的阻抗改变而造成的功率损失； 将计算的功率损失映射到所述螺旋线圈的长度；以及 由所述螺旋线圈的长度的振荡确定振动频率。
4.根据权利要求3所述的振动检测系统，其特征在于，所述计算装置被构造成利用存储在所述计算装置中的查找表将计算的功率损失映射到所述螺旋线圈的长度，其中所述查找表包括功率损失和相关的螺旋线圈长度的列表。
5.根据权利要求2所述的振动检测系统，其特征在于，所述振动传感器还包括电接地的反射器板，所述反射器板被构造成反射所辐射的射频能量。
6.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述射频信号的频率大致等于所述振动传感器的谐振频率。
7.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述振动检测系统被构造成将没有振动检测为DC信号。
8.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，所述振动传感器的谐振频率为大约3.15千兆赫。
9.根据权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于，在静止位置中所述振动传感器的阻抗为大约50欧姆。
10.一种振动传感器，其包括: 螺旋线圈，所述螺旋线圈联接到射频源并且被构造成辐射射频能量；以及质量块，所述质量块联接到所述螺旋线圈的端部并且从所述螺旋线圈的端部悬置，其中当所述螺旋线圈暴露于振动时，所述质量块便于所述螺旋线圈的伸展和收缩，并且其中所述螺旋线圈的电感取决于所述螺旋线圈的长度。
【文档编号】G01H11/00GK103728010SQ201310470749
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2012年10月10日
【发明者】B.L.谢克曼, D.R.奥康诺尔 申请人:通用电气公司