用于选择性检测构件上的振动的配有电滤波器的压电薄膜的制作方法

本发明涉及一种探测器装置，该探测器装置使得能够测量在固定不动的或旋转的构件上、尤其机器元件上的振动，特别优选在考虑频率的情况下测量。探测器装置在此利用压电薄膜或以压电材料涂层的薄膜。

背景技术：

一般地，振动被描述为系统的状态变量的重复时间波动。在特殊情况下，系统是机器或机器的构件。在希望有针对性地利用振动功能时，例如在振动磨光机或振动输送机中，系统可有意地进行振动。但是在多种应用中仅在预先给定范围中或在一定的强度下的振动对于系统来说是正常且可容许的。超出特定组件或特定应用的极限的振动值大多被分级为有害的，甚至是对出现的磨损或损伤的指示，该磨损或损伤在后续的进程中会导致构件或机器的失效。因此检测在构件上或机器上的振动是非常有意义的，以借助收集的数据例如可靠地使机器运行，甚至可预告机器部件的失效。

由现有技术已知从输入变量，路程、速度或加速度中得出在机器和构件上的振动的设备。用于测量振动的设备例如基于涡流方法、光学测量方法、电感、压电测量方法。为了实现压电测量方法需要使用压电活性材料。除了陶瓷以外，技术人员还已知作为合适材料的涂有硅表面的晶体和半导体技术。同样具有压电特性的材料是聚偏二氟乙烯(pvdf)。pvdf是一种热塑性塑料，其通过注塑被加工为成型件或通过挤出被加工为薄膜。通过在加工期间的极化，pvdf具有可用程度的压电特性。因此由pvdf制成的注塑件以及薄膜具有压电特性是专业知识，所以他们应用于不同领域，例如作为传感器，尤其在可用的结构空间有限时。

de102012214229a1提出一种具有压电薄膜形式的力传感器的齿轮机器。压电薄膜设置在轴承体上并且用于检测作用到齿轮上的力。电导线连接压电薄膜与评估单元。缺点是，传感器由于其构造不可使用在旋转的构件上。

技术人员同样已知，振动可通过其出现在不同的频率范围中的频率来描述特征。例如，基于转动频率的激励在出现损伤的旋转构件上与在未受损伤的旋转部件上具有不同频率的信号。通过频率修改可评估限定的频率范围。技术人员已知限定频率范围的电信号可近似无衰减地经过的电路。这些电路用作频率相关的滤波器并且可用作高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器。

尤其为了定期或持久地检测构件或机器状态，目前已知的振动测量系统不能为所有应用领域提供满意的实现方案。由于缺少数据，数据评估通常是不完整的。很难得出关于未来状态的陈述。满足状态监测要求的振动测量系统是昂贵的。缺点还在于，其大多不能在没有外部电源的情况下工作，以实现信号接收和传输，尤其因为对信号的评估，例如通过fft(快速傅里叶变换)评估消耗大量能源。

技术实现要素：

基于现有技术，本发明的目的是，提供更好的用于选择性检测构件上的振动的探测器装置，该探测器装置能够连续地检测测量数据并且本身作为自主的系统供给能源。此外，本发明的目的是，即使在结构空间很小的情况下也可实现这种探测器广泛地应用在不同的应用中，对此有利的生产价格也是重要的。探测器对此应特别简单地实施。

所述目的通过根据所附的权利要求1的探测器装置实现。

根据本发明的探测器装置用于选择性检测构件上、尤其机器部件等上的振动。探测器装置优选用于检测滚动轴承上的振动。为此，探测器装置包括压电薄膜、电滤波器、电荷储存器以及信号化器件。

压电薄膜配备有至少一个压电元件，至少一个压电元件优选是薄膜的一体组成部分。这种压电薄膜原则上来说对技术人员是已知的，从而无需详细描述其构造。配备有压电元件的薄膜如此确定尺寸，使得在预期的振动中获得足够的测量灵敏度。薄膜如此安装在构件上，使得出现的机械振动作用到压电元件上。通过选择薄膜的布置方式为系统提供能量，从而一旦出现振动，在压电元件的连接电极上随着与机械振动相关的频率产生电荷。对此无需外部的供电装置。为此证实薄膜面式地足够大地施加在构件上是有利的，例如通过使薄膜粘结在构件上。优选根据预期的频率和强度如此设计薄膜的面积，使得为探测器提供足够的能量。

电滤波器用于从由压电元件提供的电荷中滤出电荷部分。为此将电滤波器连接在压电元件上。可滤出的电荷部分具有预先给定的频率或频率范围，其与观察到的振动相关。因此也可同时例如在相同的频率范围中得出原始信号部分和包络线信号部分。不同的信号处理方法的比较对频率激励的类型(例如，脉冲状或正弦状)以及对可能的损伤类型提供有价值的结论。

就此方面，下面仅讨论频率，这也包括对更宽的或更窄的频率范围的考虑，该频率范围可根据特定的应用情况来选择。

在非常简单的应用情况下，例如仅在原始信号中滤出从0至1khz的频率范围并且评估该信号。较高频率的频率部分用作系统的能量提供部分。在另一应用情况下可想到的是，并行地涉及多个频率范围。这种应用示例只有在希望使(例如由不平衡引起的)简单的脉冲激励与轴承和齿部激励分开时才存在。在这种情况下，在必要时需要使用单独的压电薄膜作为纯粹的能量发生器或外部的能源，因为可能在剩余频率范围中的能量不再足以运行探测器。

滤波器也可构造成简单滤波器的组合，以例如形成在高通滤波器、整流装置和低通滤波器上的包络线。在简单的情况下滤波器可通过其他的电路方案形成，借此可对原始信号数据与包络线数据在相同的频率范围中进行直接比较。

根据预先给定的频率滤出的电荷部分累积在电荷储存器中。对此，电荷储存器连接在电滤波器上。因此电荷储存器随着时间积累由压电薄膜产生的并且由滤波器选择的电荷。因此，在电荷储存器上的电荷值是对在受监控的构件上的特定振动出现的度量，在受监控的构件上安装有薄膜。一旦在电荷储存器上达到预定的电荷极限值，则借助信号化器件生成电信号。每时间单位的频率选择的能量收益提供作为历史值的有价值的检测结果。针对多个结构相同的设备比较该能量收益，从而可得出关于机器状态的详细结论。在特别有利的构造方案中，该参数此时还涉及机械功率。因此，通过所述结构在电荷储存器上随时间累积能量。在特定的实施方式中，探测器的能量消耗可用作正常振动时恒定水平的变量，从而在电荷储存器上仅在未预期的振动值的情况下达到电荷极限值。

通过该结构能够以有利的方式实现一种传感器，该传感器可持久地对出现的振动提供值，可成本有利地制造，具有简单的结构并且尤其可安装在有限的结构空间中。对检测的振动的评估使得能够在至今不可提供的范围中对机器的构件状态以及对由于磨损、材料失效或安装错误而引起的可能的损害的推断。

在第一优选实施方式中，探测器装置具有多个不同的电滤波器。为了以从高至低的频率检测振动，其中一个滤波器优选构造成高通滤波器、其中一个构造成带通滤波器并且其中一个构造成低通滤波器。高通滤波器通常构造用于滤出高于极限频率的频率，而低通滤波器通常滤出低于极限频率的频率。而带通滤波器具有在频率下限和频率上限之间的范围，滤出在该范围中的频率。通过组合滤波器提供能够使用在不同频率的宽泛应用范围中的探测器装置。为了积累滤出的电荷部分，在探测器装置中，每个滤波器具有一个电荷储存器并且每个电荷储存器具有一个信号化器件。探测器装置的特点不仅在于多样化地应用在完全不同的频率范围中，而且滤出的频率数量是可变的。例如可收集关于出现的振动的频率和强度的检测结果。

本发明的探测器装置一方面适用于检测预先给定的频率范围，其方式是仅如此构造其中一个信号化器件，使得在电荷储存器上达到预定的电荷极限值时生成信号。未用于达到预先给定的电荷极限值的电荷可用作信号化器件的激活电荷。由此提供一种探测器装置，该探测器装置本身能够以有利的方式供给能量。因此在优选的实施方式中，利用出现的机械振动的一部分来借助压电薄膜产生装置的供给能量以及必要时暂时将供给能量储存在相应的储存器中，并且利用出现的机械振动的另一部分来填充电荷储存器，电荷储存器在达到电荷极限值时生成信号，以告知出现不期望的工作状态。探测器装置由此可持续地、无需维护地工作并且其可应用在旋转的构件上。在最简单的情况下使用无源的滤波器元件，其无需工作能量。在使用有源的滤波器电路的情况下，可从外部的电源获取工作能量或者通过使用由压电薄膜提供的电荷获取工作能量。优选在最后所述的情况下使用不是由于待监控的振动引起的电荷部分，以使储存在电荷储存器上的值、即测量结果不会失真。

在优选的改进方案中，在其中多个信号化器件构造成在电荷储存器上达到预定的电荷极限值时生成电信号的情况下，探测器装置适用于同时检测多个频率范围。在该工作方式中，将以压电方式产生的电荷中的大部分输送给电荷储存器以达到预定的极限值。由此不是用于达到预定电荷极限值的电荷可能无法再被充分提供用于在信号化器件上生成信号。在这种情况下，探测器装置需要具有与频率无关的能源，能源可布置在薄膜上或外部。能源可设置在薄膜上或可集成在薄膜的结构中。能源例如构造成电池、太阳能电池或供电接口。可想到其他的与频率无关的能源。供电接口例如可与电池、太阳能电池或另一压电元件连接。为了储存与频率无关地产生的电荷，可将储存器件布置在薄膜上。由此提供用于运行信号化器件所需的能量。储存器件设置在薄膜上或可集成在薄膜的结构中或布置在薄膜外部。

在优选的实施方式中，探测器装置的信号化器件构造成用于将电信号无线传输至信号接收器。信号优选构造成电脉冲。信号接收器优选构造成脉冲计数器。

信号接收器例如可与探测器装置分开地布置。分开的布置尤其适用于信号从旋转的构件传输到固定的构件上。在最简单的情况下生成光学信号，光学信号可作为警报信号被操作人员感知。

更为优选的实施方式是，在构件固定不动的情况下，将信号接收器集成到探测器装置中。在集成的结构方式中还提出，可连接在信号接收器上的评估单元也一起集成到探测器装置中。优选地，评估单元为了检测其他信号而可与其他的信号接收器连接并且用于评估至少一个检测到的信号。持续的评估能够推断构件的状态并且可提前发现构件上的损伤或构件功能中的不利影响。

在优选的实施方式中，薄膜由聚偏二氟乙烯(pvdf)，一种透明的半结晶的氟热塑性塑料构成。为了制造压电性能，pvdf被极化，即，使其机械延展并且同时为了定向偶极子而暴露于强定向的电磁场中。为了加载电极，通常给压电薄膜涂覆金属。使用的金属层至少由蒸发在薄膜上的材料、例如金或铜-镍合金构成。在之后的使用中，在电极上获取与力成比例的电荷分离作为电测量信号。同样可使pvdf薄膜在其上侧和下侧设有导体电路。此外可使薄膜本身实施成导电薄膜。

粘结方法以特别有利的方式适用于薄膜在构件上的安置。也可想到的是，借助封装附加地包封薄膜，以例如针对任何类型环境影响实现更好的保护或在可爆炸的氛围中使点火电源的危险最小化。

在有利的实施方式中，薄膜具有其中多个压电元件，压电元件可构造成薄膜的彼此分开的区段。以这种方式，例如可检测在构件上出现的以不同方向传播的振动。此外，提出一种优选的实施方式，其中多个压电元件构造为堆叠，以由此提高测量灵敏度。

附图说明

下面根据附图详细阐述本发明的优选实施方式。

具体实施方式

唯一的附图示出了根据本发明的用于选择性检测构件上的振动的探测器装置01的结构的原理示意图。对此，探测器装置01可安装在构件(未示出)、机器元件等上。探测器装置01包括压电薄膜02。

薄膜02构造有至少一个压电有源元件或薄膜本身具有压电有源特性并且构造用于提供电荷，其中，电荷随频率出现，频率与在构件上产生的机械振动相关。电荷例如经由薄膜上的连接电极截取或通过集成到薄膜中的导体传导。

在示出的示例中，在薄膜02上布置三个电滤波器03，其中一个构造成高通滤波器，其中一个构造成低通滤波器并且其中一个构造成带通滤波器，他们用于从预先确定的频率范围中滤出频率。电滤波器03为了接收提供的电荷而与连接电极(未示出)连接。

在示出的示例中，探测器装置01还包括三个电荷储存器05，电荷储存器布置在薄膜02上，使得每个电荷储存器05在其输入端与电滤波器03电连接。电荷储存器05分别在其输出端与信号化器件06电连接。在此，始终有一个电滤波器03、一个电荷储存器05以及一个信号器件06形成串联布置的电路连接。

电荷储存器05储存由压电元件产生的并且之后根据预先给定的频率滤出的电荷部分。一旦在电荷储存器05上达到预先确定的电荷极限值，信号化器件06触发无线电信号形式的电脉冲。脉冲无线地传输给信号接收器07。信号接收器07构造成，从不同的滤波器03接收不同信号。信号接收器07与用于传输接收的信号的评估单元08连接。评估单元08用于接收和处理由信号接收器07提供的信号以及用于输出经处理的信号。为此，评估单元具有输出端口09。评估单元08还具有用于接收和处理附加信号的接收端口10，附加信号例如从远端的控制单元(未示出)传输给评估单元08。输出端口09用于输出不同信号。

可从原理示意图中看出，在薄膜02上布置能源12，能源用于根据频率提供工作能量。能源12设置在薄膜02上或集成到薄膜02的结构中。对此，能源例如可形成为电池、太阳能电池或供电接口。供电接口例如可与电池、太阳能电池或另一压电元件连接。在其他实施方式中可取消能源，因为通过薄膜02自主地提供能量。

为了暂时储存与频率相关产生的能量，将储存器件13布置在薄膜02上。储存器件13与能源12和各个滤波器03电连接并且用于将工作能量提供给滤波器03。储存器件13设置在薄膜02上或集成在薄膜02的结构中。

附图标记列表

01探测器装置

02压电薄膜

03电滤波器

04–

05电荷储存器

06信号化器件

07信号接收器

08评估单元

09输出端口

10接收端口

11–

12能源

13储存器件