專利名稱：傳感器組件及測量機器部件對傳感器的接近度的方法
技術領域：
本申請一般涉及電力系統(tǒng)，并且更具體地涉及傳感器組件和測量機器部件相對于傳感器的接近度的方法。
背景技術：
在操作期間，已知機器可展現(xiàn)振動和/或其它異常行為?？墒褂靡粋€或多個傳感器來測量和/或監(jiān)測這種行為并確定例如在機器驅動軸中展現(xiàn)的振動量、機器驅動軸的轉速、和/或操作中的機器或電機的任何其它操作特性。這類傳感器經(jīng)常耦合到包括多個監(jiān)測器的機器監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)從一個或多個傳感器接收信號、在信號上執(zhí)行至少一個處理步驟、并將修改的信號傳送到向用戶顯示測量的診斷平臺。至少一些已知機器使用渦電流傳感器來測量機器部件中的振動和/或機器部件的位置。然而，使用已知渦電流傳感器可能受限，因為這種傳感器的檢測范圍僅僅是渦電流感測元件寬度的約一半。其它已知機器使用光傳感器來測量機器部件的振動和/或位置。 然而，已知光傳感器可由于污染物而變臟及提供不準確的測量，并因此可能不適于工業(yè)環(huán)境。此外，已知光傳感器可能不適于檢測通過液體介質和/或包含微粒的介質的機器部件的振動和/或位置。

發(fā)明內容
在一個實施例中，提供了一種微波傳感器組件，其包括用于生成包括頻率圖樣的至少一個微波信號的信號處理裝置和耦合到信號處理裝置的至少一個探頭。探頭包括配置成從至少一個微波信號生成電磁場的發(fā)射器，其中，當對象布設在所述電磁場內時發(fā)射器失諧，以使得負載信號從發(fā)射器反射到信號處理裝置。在另一個實施例中，提供了一種電力系統(tǒng)，其包括含有至少一個部件的機器和布設在至少一個部件附近的微波傳感器組件。微波傳感器組件包括用于生成包括頻率圖樣的至少一個微波信號的信號處理裝置和耦合到信號處理裝置的至少一個探頭。探頭包括配置成從至少一個微波信號生成電磁場的發(fā)射器，其中，當對象布設在電磁場內時發(fā)射器失諧，以使得負載信號從發(fā)射器反射到信號處理裝置。在又一個實施例中，提供了一種用于測量機器部件對發(fā)射器的接近度的方法。方法包括向發(fā)射器傳送包括頻率圖樣的至少一個微波信號以及從至少一個微波信號生成電磁場。生成代表電磁場擾亂的負載信號，并且基于該負載信號來計算機器部件到發(fā)射器的接近度。


圖1是示范電力系統(tǒng)的框圖。圖2是可以與圖1所示的電力系統(tǒng)結合使用的示范傳感器組件的框圖。圖3是可以與圖2所示的傳感器組件結合使用的示范微波信號的視圖。3所示的微波信號的示范功率分布的視圖。圖5是圖2所示的傳感器組件的示例接近度響應的視圖。
具體實施例方式圖1示出示范電力系統(tǒng)100，其包含機器102。在示范實施例中，機器102可以非限定性地是風力渦輪機、水電渦輪機、燃氣渦輪機或壓縮機。備選地，機器102可以是用于電力系統(tǒng)的任何其它機器。在示范實施例中，機器102使耦合到負載106(例如，發(fā)電機) 的驅動軸104旋轉。在示范實施例中，驅動軸104至少部分由容置在機器102和/或負載106內的一個或多個軸承(未示出)支承。作為備選或補充，軸承可容置在分離的支承結構108(例如， 齒輪箱)或使電力系統(tǒng)100能夠按照本文所述起作用的任何其它結構或部件內。在示范實施例中，電力系統(tǒng)100包括至少一個傳感器組件110，其測量和/或監(jiān)測機器102、驅動軸104、負載106和/或使電力系統(tǒng)100能夠按照本文所述起作用的系統(tǒng)100 的任何其它部件的至少一個操作條件。更具體地，在示范實施例中，傳感器組件110是布設在驅動軸104附近用于測量和/或監(jiān)測驅動軸104與傳感器組件110之間限定的距離(圖 1中未示出)的接近度傳感器組件110。此外，在示范實施例中，傳感器組件110使用微波信號來測量電力系統(tǒng)100的部件相對傳感器組件110的接近度。本文所使用的術語“微波” 是指接收和/或傳送具有約300兆赫(MHz)到約300千兆赫(GHz)之間的一個或多個頻率的信號的部件或信號。備選地，傳感器組件110可測量和/或監(jiān)測電力系統(tǒng)100的任何其它部件，和/或可以是使電力系統(tǒng)100能夠按照本文所述起作用的任何其它傳感器組件或換能器組件。在示范實施例中，每個傳感器組件110布設在電力系統(tǒng)100內的任何位置中。 此外，在示范實施例中，至少一個傳感器組件110耦合到診斷系統(tǒng)112，診斷系統(tǒng)112用于在處理和/或分析由傳感器組件110生成的一個或多個信號中使用。在示范實施例中，操作期間機器102的操作可引起電力系統(tǒng)100的一個或多個部件(例如，驅動軸104)改變相對至少一個傳感器組件110的位置。例如，部件可受到振動和/或部件可隨著電力系統(tǒng)100內操作溫度的變化而膨脹或收縮。在示范實施例中，傳感器組件110測量和/或監(jiān)測部件相對每個傳感器組件110的接近度和/或位置，并將表示部件的測量的接近度和/或位置的信號(以下稱作“接近度測量信號”)傳送到診斷系統(tǒng) 112進行處理和/或分析。圖2是可與電力系統(tǒng)100(圖1中示出)配合使用的示范傳感器組件110的示意圖。在示范實施例中，傳感器組件Iio包括信號處理裝置200和經(jīng)由數(shù)據(jù)管道204耦合到信號處理裝置200的探頭202。此外，在示范實施例中，探頭202包括耦合到探頭外罩208 和/或布設在探頭外罩208內的發(fā)射器206。更具體地，在示范實施例中，探頭202是包括微波發(fā)射器206的微波探頭202。這樣，在示范實施例中，發(fā)射器206具有微波頻率范圍內的至少一個諧振頻率。在示范實施例中，信號處理裝置200包含耦合到傳輸功率檢測器212、接收功率檢測器214、以及信號調節(jié)裝置216的定向耦合裝置210。此外，在示范實施例中，信號調節(jié)裝置216包含信號發(fā)生器218、減法器220、和線性化電路222。當通過發(fā)射器206傳送微波信號時，發(fā)射器206發(fā)射電磁場224。
在示范實施例中，操作期間信號發(fā)生器218生成具有等于或近似等于發(fā)射器206 的諧振頻率的微波頻率的至少一個電信號(下文稱作“微波信號”)。信號發(fā)生器218將微波信號傳送到定向耦合裝置210。定向耦合裝置210將微波信號傳送到傳輸功率檢測器212 和發(fā)射器206。在通過發(fā)射器206傳送微波信號時，電磁場2M從發(fā)射器206發(fā)射并發(fā)射到探頭外罩208外。如果一個對象，例如驅動軸104或機器102(圖1中示出)的另一個部件和/或電力系統(tǒng)100的另一個部件進入電磁場2M和/或改變在電磁場224內的相對位置，對象與場2M之間可能發(fā)生電磁耦合。更具體地，因為電磁場224內對象的存在和/或因為這種對象移動，電磁場2M例如由于對象內感應的感應效應和/或電容效應而受到擾亂，這些效應可導致電磁場224的至少一部分作為電流和/或電荷感應地和/或電容地耦合到對象。在這種實例中，發(fā)射器206失諧(即，發(fā)射器206的諧振頻率減小和/或改變) 并且使負載被感應到發(fā)射器206。被感應到發(fā)射器206的負載導致微波信號的反射(下文稱作“失諧負載信號”)通過數(shù)據(jù)管道204傳送到定向耦合裝置210。在示范實施例中，與微波信號的功率幅度和/或相位相比，失諧負載信號具有更低的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示范實施例中，失諧負載信號的功率幅度取決于對象對發(fā)射器206的接近度。 定向耦合裝置210將失諧負載信號傳送到接收功率檢測器214。在示范實施例中，接收功率檢測器214確定基于失諧負載信號的和/或失諧負載信號內包含的功率量，并將表示失諧負載信號功率的信號傳送到信號調節(jié)裝置216。此外， 傳輸功率檢測器212確定基于微波信號的功率量和/或微波信號內包含的功率量，并將表示微波信號功率的信號傳送到信號調節(jié)裝置216。在示范實施例中，減法器220接收微波信號功率和失諧負載信號功率，并計算微波信號功率與失諧負載信號功率之間的差值。減法器220將表示計算的差值的信號(下文稱作“功率差值信號”)傳送到線性化電路222。在示范實施例中，功率差值信號的幅度與電磁場224內的對象(例如，軸104)與探頭202和/ 或發(fā)射器206之間限定的距離226(即，距離2 被稱為對象接近度)成比例，非限定性地例如反比、指數(shù)比、和/或對數(shù)比。取決于發(fā)射器206的特性(例如，發(fā)射器206的幾何形狀)，功率差值信號的幅度可至少部分展示相對對象接近度的非線性關系。在示范實施例中，線性化電路222將功率差值信號轉換成展示對象接近度與接近度測量信號的幅度之間的基本線性關系的電壓輸出信號(即，“接近度測量信號”)。此外， 在示范實施例中，線性化電路222將接近度測量信號傳送到診斷系統(tǒng)112(圖1中示出)，其中具有適用于診斷系統(tǒng)112內的處理和/或分析的比例因子。在示范實施例中，接近度測量信號具有每毫米幾伏特的比例因子。備選地，接近度測量信號可具有使診斷系統(tǒng)112和 /或電力系統(tǒng)100能夠按照本文所述起作用的任何其它比例因子。圖3是可由信號發(fā)生器218(圖2中示出)生成的示范微波信號300的視圖。圖 4是微波信號300的示范功率分布400的視圖。更具體地，功率分布400是在特定頻率404 處(圖4的橫軸上示出)微波信號300內包含的功率量402(圖4的縱軸上示出)的表示。 在示范實施例中，信號發(fā)生器218生成包括至少一個頻率圖樣的微波信號。更具體地，在示范實施例中，信號發(fā)生器218生成的微波信號300是或包括粉紅噪聲信號。備選地，信號發(fā)生器218生成的微波信號300是或包括具有預定幅度和/或頻率圖樣的任何信號。本文所使用的術語“粉紅噪聲”是指這樣的信號其在預定頻帶406上具有的功率分布400與頻帶 406內的頻率成反比。此外，在倍頻程、部分倍頻程、和/或彼此與2的冪相關聯(lián)和/或成比
5例的類似頻帶406之間，粉紅噪聲信號具有的功率分布400基本相同。在示范實施例中，微波信號300包括ー個或多個預定頻帶406內的多個頻率。這些頻帶406可包括第一頻帶408、第二頻帶410、和/或第三頻帶412。更具體地，在示范實施例中，第二頻帶410以2的冪與第一頻帶408成比例。例如，第一頻帶408可包括約1千兆赫(GHz)到約2GHz之間的頻率，而第二頻帶410可包括約2GHz到約4GHz之間的頻率。此外，第三頻帶412可包括約4GHz到約8GHz之間的頻率。這樣，在示范實施例中，微波信號 300的功率分布400在第一頻帶408、第二頻帶410、和/或第三頻帶412上基本相等。在一個實施例中，微波信號300可具有約3GHz和約5GHz之間的中心頻率，并且可具有包括第 ー頻帶408、第二頻帶410、和/或第三頻帶412的帶寬。例如，在這個實施例中，微波信號 300的帶寬在約100千赫(KHz)和約1兆赫(MHz)之間。備選地，微波信號300、第一頻帶 408、第二頻帶410、和/或第三頻帶412可包括使傳感器組件110(圖1中示出)能夠按照本文所述起作用的任何頻率和/或頻率范圍。圖5是可生成為由微波信號300(圖3中示出)驅動的傳感器組件110的傳感器組件110(圖1中示出)的示范接近度響應500的視圖。在示范實施例中，接近度響應500 是上文參考圖2描述的被感應到發(fā)射器206的負載(未示出)的說明。此外，在示范實施例中，接近度響應500示出了被感應到發(fā)射器206(均在圖2中示出)的、作為電磁場224 內對象相對發(fā)射器206改變的距離226(在橫軸上示出)的失諧負載信號(未示出)的功率的幅度量502 (在縱軸上示出)。在示范實施例中，由于發(fā)射器206接收第一頻帶408、第二頻帶410、和/或第三頻帶412 (均在圖4中示出)內的多個頻率的微波信號300和/或由第一頻帶408、第二頻帶410、和/或第三頻帶412內的多個頻率的微波信號300驅動，因此傳感器組件110促進了生成基本線性的接近度響應500。此外，在示范實施例中，與發(fā)射器206由僅包括單個頻率的微波信號(未示出)來驅動時的傳感器組件110的接近度響應504相比，接近度響應 500更加線性。本文所使用的術語“線性”是指兩個數(shù)量(例如，在對象和發(fā)射器206之間的距離2 和失諧負載信號功率的幅度量502)之間基本成比例的關系。此外，在示范實施例中，調諧發(fā)射器206以促進使傳感器組件110能在諸如第一頻帶408、第二頻帶410、和/ 或第三頻帶412的頻率范圍上生成基本線性的接近度響應500。而且，通過基于粉紅噪聲的微波信號300來驅動發(fā)射器206促進了增加傳感器組件110的檢測范圍(即，使接近度響應500能夠保持基本線性的、對象和發(fā)射器206之間的最大距離226)。此外，向發(fā)射器206提供基于粉紅噪聲的微波信號300可促進調諧傳感器組件 110。例如，在傳感器組件110操作期間，微波信號300可通過多個頻率和/或頻帶406偏移或“掃動”，以促進調諧發(fā)射器206和/或傳感器組件110，從而提供最優(yōu)的接近度響應500。 此外，可通過選擇提供接近度響應500的一個或多個所需特性(例如，最大檢測范圍、頻率穩(wěn)定性、和/或任何所需特性)的一個或多個頻率和/或頻帶406，來優(yōu)化接近度響應500。上述實施例提供了在測量機器部件的接近度中使用的、具有效率且節(jié)省成本的傳感器組件。該傳感器組件利用基于粉紅噪聲的微波信號來驅動發(fā)射器以生成電磁場。當對象(例如，機器部件)布設在該場內時，對象引起電磁場的擾亂。該擾亂使發(fā)射器失諧，并且生成代表被感應到發(fā)射器的負載的負載信號，或者該信號從微波信號通過數(shù)據(jù)管道反射到信號處理裝置。傳感器組件基于負載信號來計算對象的接近度。與通過僅單個頻率來驅動發(fā)射器的已知傳感器形成對比的是，本文描述的傳感器組件通過包括ー種或多個頻率圖樣的基于粉紅噪聲的微波信號來驅動優(yōu)化的發(fā)射器。該微波信號促進了調諧發(fā)射器和/或傳感器組件，并促進了從發(fā)射器生成基本線性的接近度響應信號。這樣，基于粉紅噪聲的微波信號促進了提供穩(wěn)定和魯棒的接近度測量，其在對象和發(fā)射器之間的距離改變時是基本線性的。上文詳細地描述了傳感器組件和用于測量機器部件對發(fā)射器的接近度的方法的示范實施例。傳感器組件和方法不限于本文描述的特定實施例，相反，可以將本文描述的傳感器組件的部件和/或方法的步驟彼此獨立地且分離地利用。例如，還可以將傳感器組件與其他測量系統(tǒng)和方法組合來使用，且該傳感器組件不限于僅結合本文描述的電力系統(tǒng)來實踐。相反，示范實施例可以結合許多其他測量和/或監(jiān)視應用來實現(xiàn)和利用。雖然ー些附圖可能示出、而另ー些未示出本發(fā)明的多種實施例的特定特征，但是這僅是出于方便。根據(jù)本發(fā)明的原理，附圖的任何特征可以與任何其他附圖的任何特征組合來引用和/或要求專利保護。本書面描述使用示例來公開包括最佳模式的本發(fā)明，以及還使本領域技術人員能實踐本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)及執(zhí)行任何結合的方法。本發(fā)明可取得專利的范圍由權利要求確定，且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權利要求字面語言無不同的結構要素，或者如果它們包括與權利要求字面語言無實質不同的等效結構要素，則它們規(guī)定為在權利要求的范圍之內。配件表
權利要求
1.一種微波傳感器組件(110)，包括信號處理裝置000)，用于生成包括頻率圖樣的至少一個微波信號；以及耦合到所述信號處理裝置的至少一個探頭002)，所述至少一個探頭(20 包括配置成從所述至少一個微波信號生成電磁場的發(fā)射器O06)，其中，當對象布設在所述電磁場內時所述發(fā)射器失諧，以使得負載信號從所述發(fā)射器反射到所述信號處理裝置。
2.如權利要求1所述的微波傳感器組件(110)，其中，所述信號處理裝置(200)配置成計算所述至少一個微波信號中包含的功率量；計算所述負載信號中包含的功率量；以及基于所述微波信號功率和所述負載信號功率之間的差值來計算對象對所述發(fā)射器的接近度。
3.如權利要求1所述的微波傳感器組件(110)，其中，所述信號處理裝置生成的微波信號包括的頻率圖樣與所述頻率圖樣的功率分布成比例。
4.如權利要求1所述的微波傳感器組件(110)，其中，所述信號處理裝置(200)生成的微波信號包括的頻率圖樣與所述頻率圖樣的功率分布成反比。
5.如權利要求1所述的微波傳感器組件(110)，其中，所述信號處理裝置(200)生成包括多個頻帶內的頻率圖樣的微波信號，其中，所述多個頻帶的第一頻帶的功率分布基本等于所述多個頻帶的第二頻帶的功率分布。
6.如權利要求5所述的微波傳感器組件(110)，其中，所述信號處理裝置(200)生成所述微波信號，以使得所述第一頻帶的頻率范圍與所述第二頻帶的頻率范圍成比例。
7.如權利要求1所述的微波傳感器組件(110)，其中，所述發(fā)射器(206)配置成在由所述微波信號驅動所述發(fā)射器時，生成與對象對所述發(fā)射器O06)的距離有關的基本線性輸出ο
8.如權利要求7所述的微波傳感器組件(110)，其中，所述發(fā)射器(206)還配置成在由所述微波信號驅動所述發(fā)射器時，生成與對象對所述發(fā)射器O06)的距離有關的基本線性輸出，所述微波信號包括與所述頻率的功率譜密度成反比的頻率圖樣。
9.一種電力系統(tǒng)(100)，包括包括至少一個部件(104)的機器(102)；以及布設在所述至少一個部件附近的微波傳感器組件(110)，所述微波傳感器組件包括信號處理裝置000)，用于生成包括頻率圖樣的至少一個微波信號；以及耦合到所述信號處理裝置的至少一個探頭002)，所述至少一個探頭(20 包括配置成從所述至少一個微波信號生成電磁場的發(fā)射器O06)，其中，當對象布設在所述電磁場內時所述發(fā)射器失諧，以使得負載信號從所述發(fā)射器反射到所述信號處理裝置。
10.如權利要求9所述的電力系統(tǒng)(100)，其中，所述信號處理裝置(200)配置成計算所述至少一個微波信號中包含的功率量；計算所述負載信號中包含的功率量；以及基于所述微波信號功率和所述負載信號功率之間的差值來計算所述至少一個部件 (104)對所述發(fā)射器的接近度。
全文摘要
本發(fā)明傳感器組件及測量機器部件對傳感器的接近度的方法。一種微波傳感器組件(110)，包括用于生成包括頻率圖樣的至少一個微波信號的信號處理裝置(200)和耦合到信號處理裝置的至少一個探頭(202)。探頭包括發(fā)射器(206)，其配置成從至少一個微波信號生成電磁場，其中，當對象布設在電磁場內時發(fā)射器失諧，以使得負載信號從發(fā)射器反射到信號處理裝置。
文檔編號G01S13/08GK102565786SQ20111039367
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權日2010年11月22日
發(fā)明者B·L·謝克曼, 髙宇軒 申請人:通用電氣公司