专利名称：传感器组件和用于在传感器组件中使用的微波发射器的制作方法
技术领域：
一般来说，本申请涉及电力系统，并且更具体地说，涉及传感器组件和用于在传感器组件中使用的微波发射器。
背景技术：
在操作期间，已知机器可展现振动和/或其它异常行为。可使用一个或多个传感器来测量和/或监测这种行为并确定例如在机器驱动轴中展现的振动量、机器驱动轴的转速、和/或操作中的机器或电机的任何其它操作特性。这类传感器经常耦合到包括多个监测器的机器监测系统。监测系统从一个或多个传感器接收信号、在信号上执行至少一个处理步骤、并将修改的信号传送到向用户显示测量的诊断平台。至少一些已知机器使用涡电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，使用已知涡电流传感器可能受限，因为这种传感器的检测范围仅仅是涡电流感测元件宽度的约一半。其它已知机器使用光传感器来测量机器部件的振动和/或位置。然而，已知光传感器可由于污染物而变脏及提供不准确的测量，并因此可能不适于工业环境。此外，已知光传感器可能不适于检测通过液体介质和/或包含微粒的介质的机器部件的振动和/或位置。
发明内容
在一个实施例中。提供了 一种用于在包括发射器本体的微波传感器组件中使用的微波发射器，其包括:从发射器本体向外径向延伸的第一臂。第一臂至少部分非线性并且包括至少一个顶点和至少一个凹点。微波发射器还包括从发射器本体向外径向延伸的第二臂。第二臂包括至少一个顶点和至少一个凹点。当接收至少一个微波信号时，第一臂和第二臂生成电磁场。在另一个实施例中，提供了一种微波传感器组件，其包括发射器本体和耦合到发射器本体的微波发射器。微波发射器包括从发射器本体向外径向延伸的第一臂。第一臂至少部分非线性并且包括至少一个顶点和至少一个凹点。微波发射器还包括从发射器本体向外径向延伸的第二臂。第二臂包括至少一个顶点和至少一个凹点。当接收至少一个微波信号时，第一臂和第二臂生成电磁场。信号处理装置到微波发射器，用于将至少一个微波信号传送到微波发射器并基于从微波发射器接收的信号计算接近度测量。在又一个实施例中，提供了一种电力系统，其包括机器和相对于机器放置的微波探头。微波探头包括发射器本体和耦合到发射器本体的微波发射器。微波发射器包括从发射器本体向外径向延伸的第一臂。第一臂至少部分非线性并且包括至少一个顶点和至少一个凹点。微波发射器还包括从发射器本体向外径向延伸的第二臂。第二臂包括至少一个顶点和至少一个凹点。当接收至少一个微波信号时，第一臂和第二臂生成电磁场。信号处理装置耦合到微波发射器，用于将至少一个微波信号传送到微波发射器并基于从微波发射器接收的信号计算接近度测量。
图1是示范电力系统的框图。图2是可与图1所示的电力系统配合使用的示范传感器组件的框图。图3是可与图2所示的传感器组件配合使用的示范微波发射器的正视图。图4是图3所示的微波发射器的放大局部视图。图5是可与图2所示的传感器组件配合使用的示范发射器本体的透视图。
具体实施例方式图1示出示范电力系统100，其包含机器102。在示范实施例中，机器102可以非限定性地是风力涡轮机、水电涡轮机、燃气涡轮机或压缩机。备选地，机器102可以是用于电力系统的任何其它机器。在示范实施例中，机器102使耦合到负载106(例如，发电机)的驱动轴104旋转。在示范实施例中，驱动轴104至少部分由容置在机器102和/或负载106内的一个或多个轴承(未示出)支承。作为备选或补充，轴承可容置在分离的支承结构108 (例如，齿轮箱)或使电力系统100能够按照本文所述起作用的任何其它结构或部件内。在示范实施例中，电力系统100包括至少一个传感器组件110，其测量和/或监测机器102、驱动轴104、负载106和/或使电力系统100能够按照本文所述起作用的、电力系统100的任何其它部件的至少一个操作条件。更具体地说，在示范实施例中，传感器组件110是放置在驱动轴104附近用于测量和/或监测驱动轴104与传感器组件110之间限定的距离(图1中未示出)的接近度传感器组件110。此外，在示范实施例中，传感器组件110使用微波信号来测量电力系统100的部件相对传感器组件110的接近度(例如，静态接近度和/或振动接近度)。本文所使用的术语“微波”是接收和/或传送具有约300兆赫(MHz)到约300千兆赫(GHz)之间的一个或多个频率的信号的部件或信号。备选地，传感器组件110可测量和/或监测电力系统100的任何其它部件，和/或可以是使电力系统100能够按照本文所述起作用的任何其它传感器组件或换能器组件。在示范实施例中，每个传感器组件110放置在电力系统100内的任何位置中。此外，在示范实施例中，至少一个传感器组件Iio耦合到诊断系统112，诊断系统112用于在处理和/或分析由传感器组件110生成的一个或多个信号中使用。在示范实施例中，操作期间机器102的操作可引起电力系统100的一个或多个部件(例如，驱动轴104)改变相对至少一个传感器组件110的位置。例如，部件可受到振动和/或部件可随着电力系统100内操作温度的变化而膨胀或收缩。在示范实施例中，传感器组件110测量和/或监测部件相对每个传感器组件110的接近度和/或位置，并将表示部件的测量的接近度和/或位置的信号(以下称作“接近度测量信号”)传送到诊断系统112进行处理和/或分析。图2是可与电力系统100(图1中示出)配合使用的示范传感器组件110的示意图。在示范实施例中，传感器组件Iio包括信号处理装置200和经由数据管道204耦合到信号处理装置200的探头202。此外，在示范实施例中，探头202包括耦合到探头壳体208和/或放置在探头壳体208内的发射器206。更具体地，在示范实施例中，探头202是包括微波发射器206的微波探头202。这样，在示范实施例中，发射器206具有微波频率范围内的至少一个谐振频率。
在示范实施例中，信号处理装置200包含耦合到传输功率检测器212、接收功率检测器214、以及信号调节装置216的定向耦合装置210。此外，在示范实施例中，信号调节装置216包含信号发生器218、减法器220和线性化电路222。当通过发射器206传送微波信号时，发射器206发射电磁场224。在示范实施例中，操作期间信号发生器218生成具有微波频率的至少一个电信号(下文称作“微波信号”)，其中微波频率等于或基本等于发射器206的谐振频率。信号发生器218将微波信号传送到定向耦合装置210。定向耦合装置210将微波信号传送到传输功率检测器212和发射器206。在通过发射器206传送微波信号时，电磁场224从发射器206发射并发射到探头壳体208外。如果一个对象，例如驱动轴104或机器102(图1中示出)的另一个部件和/或电力系统100的另一个部件进入电磁场224和/或改变在电磁场224内的相对位置，对象与场224之间可能发生电磁耦合。更具体地说，因为电磁场224内对象的存在和/或因为这种对象移动，电磁场224例如由于对象内感应的感应效应和/或电容效应而受到扰乱，这些效应可导致电磁场224的至少一部分作为电流和/或电荷感应地和/或电容地耦合到对象。在这种实例中，发射器206失谐(即，发射器206的谐振频率减小和/或改变)并且使负载被感应到发射器206。被感应到发射器206的负载导致微波信号的反射(下文称作“失谐负载信号”)通过数据管道204传送到定向耦合装置210。在示范实施例中，与微波信号的功率幅度和/或相位相比，失谐负载信号具有更低的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示范实施例中，失谐负载信号的功率幅度取决于对象对发射器206的接近度。定向耦合装置210将失谐负载信号传送到接收功率检测器214。在示范实施例中，接收功率检测器214确定基于失谐负载信号的和/或失谐负载信号内包含的功率量，并将表示失谐负载信号功率的信号传送到信号调节装置216。此外，传输功率检测器212确定基于微波信号的功率量和/或微波信号内包含的功率量，并将表示微波信号功率的信号传送到信号调节装置216。在示范实施例中，减法器220接收微波信号功率和失谐负载信号功率，并计算微波信号功率与失谐负载信号功率之间的差值。减法器220将表示计算的差值的信号(下文称作“功率差值信号”)传送到线性化电路222。在示范实施例中，功率差值信号的幅度与电磁场224内的对象(例如，轴104)与探头202和/或发射器206之间限定的距离226(即，距离226被称为对象接近度)成比例，例如反比或指数比。取决于发射器206的特性(例如，发射器206的几何形状)，功率差值信号的幅度可至少部分展示相对对象接近度的非线性关系。在示范实施例中，线性化电路222将功率差值信号转换成展示对象接近度与接近度测量信号的幅度之间的基本线性关系的电压输出信号(即，“接近度测量信号”)。此外，在示范实施例中，线性化电路222将接近度测量信号传送到诊断系统112(图1中示出)，其中具有适用于诊断系统112内的处理和/或分析的比例因子。在示范实施例中，接近度测量信号具有每毫米几伏特的比例因子。备选地，接近度测量信号可具有使诊断系统112和/或电力系统100能够按照本文所述起作用的任何其它比例因子。图3是可与传感器组件110(图2中示出)一起使用的示范微波发射器206和发射器本体300的正视图。图4是发射器206的放大局部视图。图5是可与传感器组件110一起使用的示范发射器本体300和数据管道204的透视图。在示范实施例中，发射器本体300放置在探头壳体208(图2中示出)之内和/或与之耦合。此外，发射器206耦合到发射器本体300。在示范实施例中，发射器本体300包括前表面302和相对的后表面304。在示范实施例中，发射器206耦合到前表面302并从前表面302的中心306向外径向延伸。更具体地，在示范实施例中，发射器本体300是基本平坦的印刷电路板，并且发射器206包括了与发射器本体前表面302集成形成和/或与之耦合的一个或多个迹线或导体308。备选地，发射器206和/或发射器本体300可以使传感器组件110能够按照本文所述起作用的任何其它布置来配置和/或构建。此外，在示范实施例中，导体308形成了第一臂310和第二臂312，它们的每个都从中心306向外径向延伸。第一臂310包括接近中心306放置的第一端314以及从中心306向外径向放置的第二端316。第二臂312包括接近中心306放置的第一端318以及从中心306向外径向放置的第二端320。此外，在示范实施例中，第一臂310和第二臂312基本与前表面302共面，以使得发射器206不会从前表面302向外轴向延伸很远的距离。备选地，发射器206和/或发射器本体300可包括很多个发射器臂和/或可以是任何形状，只要能够使微波传感器组件110按照本文所述起作用。在示范实施例中，第一臂310和第二臂312径向地彼此交错。更具体地，第一臂310和第二臂312绕中心306彼此交错。因此，第一臂310的径向外边缘322基本以第二臂312的径向内边缘324为界，并且第二臂312的径向外边缘326基本以第一臂310的径向内边缘328为界。此外，当臂310和312以逆时针方向从中心306向外径向延伸时，臂310和312具有绕中心306的、基本螺旋的形状径向。备选地，第一臂310和/或第二臂312可以具有使发射器206能够按照本文所述起作用的任何形状和/或配置。在示范实施例中，第一臂310的宽度330和第二臂312的宽度332基本彼此相等，并且在臂310和312从中心306向外延伸时基本恒定。备选地，宽度330和332彼此不同和/或宽度330和/或宽度332在臂310和312从中心306向外延伸时改变。在一个实施例中，宽度330和宽度332在臂310和312从中心306向外延伸时增加。此外，第一臂310和第二臂312每个都包括至少一个顶点334和至少一个凹点336。更具体地，在示范实施例中，第一臂310包括耦合部分338和绕中心306向外径向螺旋延伸的螺旋部分340，其具有交替的顶点334和凹点336，随着从中心306到内边缘328的半径342的增加，交替的顶点334和凹点336的幅度逐渐增加。第二臂312包括耦合部分344和绕中心306向外径向螺旋延伸的螺旋部分346，其具有交替的顶点334和凹点336，随着从中心306到内边缘324的半径348的增加，交替的顶点334和凹点336的幅度逐渐增力口。因此，第一臂310和第二臂312每个都形成有螺旋“锯齿”图样或带有添加其上的“锯齿”图样的基本螺旋形状，相比不具有螺旋锯齿图样的发射器，这提供了紧凑型发射器本体300内的增加的电长度。在示范实施例中，第一臂310的顶点334和凹点336与第二臂312的顶点334和凹点336并不对齐。更具体地，从中心306延伸并将第二臂312的径向外顶点352切开的半径350和从中心306延伸并将第一臂310的径向内顶点358切开的半径356之间偏移了角距离354。因此，与可包括彼此对齐的顶点334和/或凹点336的发射器相比，减少量的电容耦合存在于第一臂310和第二臂312之间，并且减少量的能量被限制在发射器本体300之内和/或第一臂310和第二臂312之内。从而，与现有技术发射器相比，来自微波信号的增加量的能量可被传送到电磁场224。在示范实施例中，数据管道204包括内导体360和基本围住内导体360的外导体362，以使得导体360和362同轴。此外，在示范实施例中，数据管道204是半刚性线缆364，其将发射器206耦合到信号处理装置200(图2中示出)。备选地，数据管道204是使传感器组件110能够按照本文所述起作用的任何其它线缆或管道。在示范实施例中，第一臂310经由耦合部分338耦合到内导体360，而第二臂312经由耦合部分344耦合到外导体362。在操作期间，至少一个微波信号经由数据管道204被传送到发射器206。分别经由内导体360和外导体362将微波信号传送到第一臂310和第二臂312。当微波信号通过第一臂310和第二臂312传送时,发射电磁场224(图2中不出)。基于被感应到发射器206的负载，确定接近度测量，如上面更全面描述的。与现有技术发射器相比，发射器206的基本螺旋锯齿图样提供了紧凑型发射器本体300内的、增加的电长度。此外，与现有技术发射器相比，发射器206的螺旋锯齿图样和第一臂310和第二臂312的非对齐顶点334和凹点336促进了向电磁场224发射增加量的电磁能。上述实施例提供了用于在测量机器部件的接近度中使用的有效和节省成本的传感器组件。该传感器组件通过微波信号为发射器赋能。该发射器包括以锯齿图样从发射器中心向外径向螺旋延伸的两个臂。当诸如机器部件的对象放置在场内时，由于场的扰乱负载被感应到发射器。该传感器组件基于被感应到发射器的负载来计算对象对发射器的接近度。与不包含螺旋锯齿图样的已知发射器形成对比的是，本文描述的微波发射器使得能够朝向对象发射增加量的能量。因此，该微波发射器促进了提供稳定的电磁场，用于在测量对象和发射器之间的接近度中使用。上文详细描述了传感器组件和微波发射器的示范实施例。传感器组件和发射器并不局限于本文所述的具体实施例，而是可独立且分离于本文所述的其它部件和/或步骤来使用传感器组件和/或发 射器的部件。例如，发射器还可与其它测量系统和方法组合使用，而并不局限于仅与本文所述的传感器组件或电力系统一起实践。更确切地，示范实施例可与许多其它测量和/或监测应用结合实现和使用。虽然本发明的多种实施例的特定特征可在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但是这只是为了方便起见。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合引用和/或要求专利保护。本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们具有与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。配件表
权利要求
1.一种用于在包括发射器本体(300)的微波传感器组件(110)中使用的微波发射器(206)，所述微波发射器包括: 耦合到所述发射器本体的第一臂(310)，所述第一臂从所述发射器本体向外径向延伸，所述第一臂至少部分非线性并且包括至少一个顶点(334)和至少一个凹点(336);以及 耦合到所述发射器本体的第二臂(312)，所述第二臂从所述发射器本体向外径向延伸，所述第二臂包括至少一个顶点和至少一个凹点，其中，当接收至少一个微波信号时，所述第一臂和所述第二臂生成电磁场。
2.按权利要求1所述的微波发射器(206)，其中，所述第一臂(310)和所述第二臂(312)每个都具有从所述发射器本体(300)的中心(306)向外径向延伸的螺旋形状。
3.按权利要求1所述的微波发射器(206)，其中，所述第一臂(310)具有在第一方向中从所述发射器本体(300)的中心(306)向外径向延伸的螺旋形状，并且所述第二臂(312)具有在所述第一方向中从所述中心向外径向延伸的螺旋形状。
4.按权利要求1所述的微波发射器(206)，其中，所述第一臂(310)绕所述发射器本体(300)的中心(306)与所述第二臂(312)交错。
5.按权利要求1所述的微波发射器(206)，其中，所述第一臂(310)和所述第二臂(312)每个都具有以锯齿图样从所述发射器本体(300)的中心(306)向外径向延伸的螺旋形状。
6.按权利要求5所述的微波发射器(206)，其中，所述锯齿图样形成所述第一臂(310)和所述第二臂(312)内的多个顶点(334)，并且其中所述第一臂的所述顶点和所述第二臂的所述顶点随着所述第一臂和所述第二臂从所述中心(306)向外延伸而在幅度上增加。
7.按权利要求6所述的微波发射器(206),其中，相对于从所述中心(306)延伸的半径，所述第一臂(310)的所述顶点(334)与所述第二臂(312)的所述顶点不对齐。
8.一种微波传感器组件(110),包括: 发射器本体(300)； 耦合到所述发射器本体的微波发射器(206)，所述微波发射器包括: 从所述发射器本体向外径向延伸的第一臂(310)，所述第一臂至少部分非线性并且包括至少一个顶点(334)和至少一个凹点(336);以及 从所述发射器本体向外径向延伸的第二臂(312)，所述第二臂包括至少一个顶点和至少一个凹点，其中，当接收至少一个微波信号时，所述第一臂和所述第二臂生成电磁�。灰约� 耦合到所述微波发射器的信号处理装置(200)，用于将至少一个微波信号传送到所述微波发射器并基于从所述微波发射器接收的信号计算接近度测量。
9.按权利要求8所述的微波传感器组件(110)，还包括将所述微波发射器(206)耦合到所述信号处理装置(200)的半刚性线缆(364)，所述半刚性线缆包括内导体(360)和外导体(362)。
10.按权利要求9所述的微波传感器组件(110)，其中，所述内导体(360)耦合到所述第一臂(310)，而所述外导体(362)耦合到所述第二臂(312)。
全文摘要
本发明名称为“传感器组件和用于在传感器组件中使用的微波发射器”。一种用于在包括发射器本体(300)的微波传感器组件(110)中使用的微波发射器(206)，其包括从发射器本体向外径向延伸的第一臂(310)。第一臂至少部分非线性并且包括至少一个顶点(334)和至少一个凹点(336)。微波发射器还包括从发射器本体向外径向延伸的第二臂(312)。第二臂包括至少一个顶点和至少一个凹点。当接收至少一个微波信号时，第一臂和第二臂生成电磁场。
文档编号G01B7/14GK103090775SQ201110393610
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者李瑢宰, B·L·谢克曼, 高宇轩 申请人:通用电气公司
专业数控铣床产品供应商
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