专利名称：恶劣环境传感器系统和检测方法
恶劣环境传感器系统和检测方法
背景技术：
本发明一般涉及传感器系统，更具体来说涉及用于测量恶劣环境中物体的工作参 数的传感器系统。旋转机器中的移动物体(例如，飞机发动机中的叶片或压缩器中的叶片)可能会 在恶劣环境中工作期间承受应力。甚至机器的固定物体(例如，燃烧室内衬、喷嘴或叶冠) 可能由于在例如热气体通道或零下温度条件中的极端工作条件而承受应力或应变。物体中 产生的此类应力或应变可能损坏机器。精确地测量物体的工作参数(例如温度和应变)对 于校正或防止机器中可能发生的任何损坏是必不可少的。测量机器中的工作参数的一种方 法是，使用连线的传感器，这需要使用滑环在旋转机器的固定部分与旋转组件之间进行连 线。但是，连线式方法可能是复杂、昂贵且不可靠(部分是因为长期工作中机器的高温)，由 于连线的电子特征可能限制连线的传感器可以精确地工作所在的温度范围。由于上面提到的连线的传感器的局限性，所以机器的工作参数测量只能在机器的 测试期间进行。但是，期望监视机器整个使用寿命中的工作参数以便确保可靠的工作。可 以将现场中采取的工作参数测量与控制参数关联以优化机器的现场工作。可以使用长时间 上的工作参数测量中观察到的变化来评估机器的物体或组件的健康，从而能够实现适合的 维护安排。因此，在本领域中需要一种恶劣环境传感器系统，其在宽温度范围和条件上是精 确的且可以用于机器的使用寿命中使用。还期望，此恶劣环境传感器系统以无线方式在其 中常规电子元件非常不可靠的500F以上的高温下工作。

发明内容
根据本发明的实施例，提供一种用于测量恶劣环境中物体的多个工作参数的系 统。该系统包括配置成收发能量信号的第一能量收发器系统。该系统还包括耦合到第一能 量收发器系统的收发的调制对象(transceived modulant)。该系统还包括至少部分地设置 在物体上且能够被第一能量收发器系统查询的第二能量收发器系统。第二能量收发器系统 还包括传感系统。该系统还包括耦合到第一能量收发器系统的处理器。该处理器配置成基 于收发的调制对象来测量恶劣环境中物体的多个工作参数。根据本发明的另一个示范实施例，提供一种用于测量恶劣环境中物体的多个工作 参数的方法。该方法包括经由第一能量收发器系统收发能量信号。该方法还包括经由与第 二能量收发器系统的无线耦合调制位于第一能量收发器中的收发的调制对象，其中该第二 能量收发器系统至少部分地设置在物体上。而且，该方法还包括通过处理器基于收发的调 制对象计算恶劣环境中物体的一个或多个工作参数。


当参考附图阅读下文的详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方 面和优点，在所有这些附图中相似符号表示相似的部件，其中图1是如涡轮发动机的旋转机器的横截面，并图示与该旋转机器耦合的无线恶劣环境传感器系统的实施例。图2是表示根据本发明实施例的恶劣环境传感器系统的示意图。图3示出恶劣环境传感器系统的另一个实施例。图4是表示根据本发明实施例构造的恶劣环境传感器系统的示意图。图5是表示根据本发明实施例的第二能量收发器系统的示意图。图6是用于测量恶劣环境中物体的工作参数的方法的流程图。
具体实施例方式正如下文详细论述的，本发明的实施例面向一种恶劣环境传感器系统和用于测量 恶劣环境中物体的工作参数的方法。正如本文所使用的，术语“恶劣环境”是指燃气涡轮环 境。例如，在“恶劣环境”中，温度从大约800° F到2500° F之间变化。当介绍本发明的多种实施例的单元时，冠词“一” “一个”、“该”和“所述”应表示有 一个或多个该单元。术语“包括”、“包含”和“具有”应是内含性的，并且意思是除了列出的 单元外，可能有附加的单元。工作参数的任何示例不排除公开的实施例的其他参数。图1是如涡轮发动机的旋转机器10的横截面，并图示与该旋转机器10耦合的 恶劣环境传感器系统的实施例。应该注意，虽然图示的示例针对涡轮发动机(turbine engine)应用，但是本发明可更广泛地应用于以无线方式测量任何旋转机器的组件的工作 参数，其非限制性示例包括风力涡轮机和电动机。而且，本发明还可以应用于机器的固定组 件，例如，暴露于如热气体通道或零下温度条件的极端工作条件下的燃烧室内衬、喷嘴或叶 冠。涡轮发动机10的横截面部分地图解分别设置在叶冠12和叶片16上的恶劣环境传感 器系统的至少两个部件。虽然示出一个叶片16，但是发动机10可以包括围绕轴14旋转的 多个叶片。图1所示的恶劣环境传感器系统的部件是设置在叶冠上的第一能量接口单元18 和设置在涡轮发动机10的旋转叶片16上的第二能量接口单元20。在一个实施例中，两个 能量接口单元可以是安置在发动机10上用于感测能量信号的天线。在非限制示例中，能量 信号可以包含电磁波。能量信号表示旋转机器中恶劣环境参数，例如，旋转机器的移动物体 的工作参数。命令接口单元的非限制性示例可以包括线圈，例如电感线圈、天线结构、绝缘 体上的金属或陶瓷基板上拉制的导体。而且，查询通道22连接第一能量接口单元18和第二能量接口单元20。查询信道 22是接口单元之间用于感测的信号的无线通信路径。因此，第二接口单元20经由查询通道 22将叶片的多种工作条件(例如高温、压力或应变)传送到第一接口单元18。工作参数的 非限制性示例可以包括温度、应变、压力、间隙(clearance)和位移(displacement)。图2示出表示恶劣环境传感器系统24的示意图，恶劣环境传感器系统24包括通 过查询通道28耦合的第一能量收发器系统26和第二能量收发器系统27。第一能量收发器 系统26优选地设为与旋转机器的固定部件相邻或设在其上。另一方面，优选地将第二能量 收发器系统27安装在旋转机器的移动物体上。但是，可以将第二能量收发器系统27安装 在机器的固定部件上，其中固定部件往往暴露于如热气体通道或零下温度条件的极端条件 下。第二能量收发器系统27持续地感测物体的多个工作参数和经由查询通道28收发信息。 由此，第二能量收发器系统27布置成持续地被第一能量收发器系统26查询。在一个实施 例中，查询通道28是磁通道。在一些实施例中，查询通道28可以是例如近场的磁耦合、互相电感耦合或远场电场耦合。图3图示根据本发明的一个实施例的恶劣环境传感器系统30的无线耦合的传感 器电路。如图所示，传感器系统30包括第一能量收发器系统31，其包括传感器电路34中的 第一接口单元32、处理器36和能量源38。如天线的第一接口单元32经由查询通道44发 送能量信号和从第二能量收发器系统33接收能量信号。在一个实施例中，电路34的能量 源38可以是如电池的电压源。第二能量收发器系统33还包括另一个传感器电路41中的第二接口单元40和传 感器组件42，其中传感器电路41可以是设置在如涡轮发动机的叶片的移动物体上的无源 电路。在一个实施例中，传感器组件42可以包括设置在移动物体上用于感测工作条件的具 有介电单元的电容器。移动物体可以承受高温、压力或应变，从而导致介电单元的介电常量 中的变化。这改变了电容器的电容并进一步导致电路41的阻抗的改变。电路41的阻抗的 调制实质上调制了第一能量接口单元32与第二能量接口单元40之间的查询通道44。调制 的查询通道44进一步导 致第一收发器系统31的传感器电路34的阻抗中的改变。由处理 器36测量和计算电路34中的阻抗的此调制，以确定机器的该物体的工作条件。应该注意，本发明的实施例不限于用于执行本发明的处理任务的任何特定处理 器。与本文所使用的术语一样，术语“处理器”应表示能够执行本发明任务所需的计算或运 算的任何机器。术语“处理器”应表示能够接受结构化输入并能够根据预设的规则处理该 输入以产生输出的任何机器。还应该注意，正如本领域技术人员将会理解的，如本文所使用 的短语“配置成”意味着处理器配备有用于执行本发明的任务的硬件和软件的组合。图4是表示恶劣环境传感器系统50的示意图，其图示本发明的不同单元之间的功 能关系。系统50包括用于能量信号的传送和接收的第一能量收发器系统52。第一能量收 发器系统52可以包括具有共用电路的发射器和接收器的组合。第一能量收发器系统52的 电路的阻抗中的任何调制由收发的调制对象54来表示。由此，收发的调制对象54响应于 能量信号中的调制。如图所示，系统50包括位于恶劣环境58中且设置在暴露于恶劣环境 58中的物体上的第二能量收发器系统56。第二能量收发器系统56感测位于恶劣环境58 中的物体的多个工作参数。在一个实施例中，第二能量收发器系统56可以包括具有共用电路的发射器和接 收器的组合。第二能量收发器系统56还可以包括传感器电路和谐振电路。第二能量收发器 系统56的谐振电路的阻抗中的任何调制由传感调制对象(sensing modulant)62来表示。 第二能量收发器系统56还包括能量接口单元64。传感通道66还连接传感调制对象62和 能量接口单元64。传感通道66是用于在传感调制对象62与能量接口单元64之间传送和 接收感测的信息的无线通信通道。接口单元64可以是传感器电路或谐振电路中的天线，并 提供与第一能量收发器52和第二能量收发器56的共用接口。这样能够将信息从恶劣环境 中的物体传送到第一能量收发器系统52。图4的示意图中还图示查询通道60，其中查询通道60是第一能量收发器系统52 与第二能量收发器系统56之间的无线通信路径。如本文论述的，收发的调制对象54相应 地随查询信号而改变。在特定实施例中，收发的调制对象54随着传感调制对象62而改变。 查询信号承载恶劣环境58中的物体的多个工作参数的信息。对于查询通道60包括磁耦合 的实施例，第一能量收发器系统54与第二能量收发器系统56之间的耦合的有效耦合常数(k)与查询通道60的磁场⑶的变化速率相关，例如k d/dt(B)。通过传感调制对象62 调制查询通道60，其中传感调制对象62设置在物体上。恶劣环境中的工作参数可能导致物 体中的变形(例如，叶片可能拉伸)，从而调制传感调制对象62并导致查询通道60的进一 步调制。因此，查询通道的调制(d(B)/dt)是传感调制对象62的位移的函数。因为物体的 工作参数实质性地是传感调制对象62的调制的函数，所以可以作为第一能量收发器系统 52与第二能量收发器系统56之间的耦合常数(k)的函数来确定这些工作参数。这是一种 既不使用有源电子装置也不使用任何Ρ/η结的无源方法。而且，耦合到第一能量收发器系统52的处理器68处理该查询信号。处理器58配 置成基于收发的调制对象54来确定恶劣环境58中的物体的多个工作参数。而且，在一个 实施例中，耦合到第一能量收发器系统52的能量源70可以是电压源。图5示出设置在旋转机器的物体上的第二能量收发器系统80的示意图表示。如 图所示，第二能量收发器系统82的传感系统82形成传感器电路，并且除了接口单元86 (如 介电材料)外还包括传感器84。在非限制性示例中，传感器84可以是具有设置在物体上 的介电材料的电容器。在一个实施例中，第二能量收发器系统80可以部分地设置在移动物 体上，其中传感器84可以设置在移动物体上，例如飞机发动机的叶片或燃气涡轮的叶片桶 (bucket)上。第二能量收发器系统80的其余特征可以设置在物体的不移动部分上。不移 动部分可以在恶劣环境的外部。第二能量收发器系统80还包括参考数字94表示的谐振电 路，其包括传感器接口单元90。在一个实施例中，传感器接口单元90是与谐振电路94中的 电感器并联的电容器。谐振电路94的阻抗中的任何改变由传感调制对象92表示。由此， 传感器84的输出经由传感器接口单元90连接到传感调制对象92。如图4所示连接多种传 感器单元的通道表示第二能量收发器系统80中能量信号传输和接收的多种路径。在一个实施例中，传感器84可以从包括电容器、电感器、纳米级NEMS装置、微 观级MEMS装置和中尺度级直写装置的组中选择。直写装置是直接印刷的装置，并且包 括电路镀层，该镀层还可以包括导体、电阻器、电容器或天线。在一些实施例中，接口单 元86可以包括响应温度、应变或可能导致原子结构的重新排列的晶体变形而改变磁导率 (permeability)的材料。接口单元86的实施例还可以包括选为调制电感电路的高磁导率材料或选为调制 电容器电路的电容的相对较高磁导率材料。磁导率材料的非限制性示例可以包括镍(Ni)、 铁(Fe)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、铜(Cu)和金(Au)。在一些实施例中，接口单元86可以 具有相对于空气而言的相对较高磁导率，从而允许使用相对较小的电容器。而且，接口单元 86是可以选为具有高居里点的工作参数响应材料。本发明传感器系统由此可以在高达约 1200°C的温度下产生精确的结果。在另一个实施例中，接口单元86包括设置在恶劣环境中 的物体上的介电单元。该介电单元还可以选自氧化物群。氧化物群的非限制性示例可以包 括玻璃、硼硅酸盐玻璃、氧化锆、氧化铝、压电体、铁电体和氧化镁。该介电单元的介电常数 直接随着物体的恶劣工作参数88变化。物体的恶劣工作参数88的非限制性示例包括温度、 应变、压力、间隙和位移。在一个非限制性示例中，传感器84可以包括设置在涡轮叶片的阻热涂层上的高 介电材料的电容器。高介电材料的非限制性示例可以包括硅酸铪、硅酸锆、二氧化铪、氧化 铝、氧化镁和二氧化锆。该介电材料的介电常数可以直接随着涡轮叶片的温度或应变而变化。介电常数中的任何变化直接体现为传感器电路的传感器电容的变化。这引起谐振电路 的阻抗中的调制。第二能量收发器系统80还包括能量接口单元96。在一个实施例中，能量接口单元 96是用于经由查询通道98将能量信号收发器到(图3的)第一能量收发器系统52的收发 器天线。第二能量收发器系统80还包括补偿组件100。在一个实施例中，补偿组件100是 仅随噪声参数102而不随第二能量收发器系统80的传感系统82感测的工作参数88而变 化的调制对象。噪声参数102可以包括温度变化和发射功率变化。传感系统82可能易受 诸如功率、空隙(gap)和噪声参数102等变化的影响。补偿组件100由此配置成确定因噪 声参数102所致的误差。第二能量收发器系统80基本根据补偿组件100确定的误差来调 整能量信号，然后进一步收发这些能量信号。因此，补偿组件100确保恶劣环境传感器系统 进行正确的工作参数测量。而且，第二能量收发器系统80包括能量转换单元104。在一个实施例中，此能量转 换单元104将接收的能量转换到能够由传感调制对象92和传感接口单元90发射和影响的 形式。在另一个实施例中，第二能量收发器系统80可以包括能量变换器。该能量变换器可 以布置成将谐振电路94(该电路包括传感系统82中的能量接口 96和传感器组件)的工作 频率范围移位到更适合的范围，并放大第一能量接口单元32 (如图3所述)处检测到的最 终频率移位。图6示出用于测量恶劣环境中物体的工作参数的方法200的实施例。该方法200 包括经由第一能量收发器系统收发器能量信号，如框202所示。在框204中，该方法200包 括经由与第二能量收发器系统的无线耦合调制位于第一能量收发器系统中的收发的调制 对象，其中该第二能量收发器系统至少部分地设置在物体上。而且，在框206中，该方法200 包括通过处理器基于收发的调制对象计算恶劣环境中物体的一个或多个工作参数。在一些实施例中，在恶劣环境传感器系统的电感实施例中，该调制单元可以包括 高磁导率材料，或在电容实施例中可以包括高电容率(permittivity)材料。可以在恶劣环 境传感器的实施例中使用的高导磁率材料的一些示例包括但不限于，铁合金、镍合金、铁镍 合金、铬或其他铁磁合金。高电容率材料的示例可以包括但限于，氧化物、陶瓷、氧化铝、硅 酸钡以及常规电容器陶瓷材料，如NPO和X7R或LiNbO315可以基于恶劣环境的组件和正在测 量的机器参数来选择适合的材料，因为不同的材料可能对工作参数具有不同的磁响应。恶 劣环境传感器系统的实施例可以用于检测包括旋转组件或固定组件的任何机器中的多种 工作参数，其中任何机器包括但不限于压缩机或飞机发动机中的涡轮机、如燃气或蒸汽涡 轮机的能量发生涡轮机或发电机。有利地，恶劣环境传感器系统提供对旋转机器的固定物体以及移动物体的多种工 作参数的测量。此所获信息帮助确定机器的整体健康和可靠性。而且，恶劣环境传感器系 统有效地构成在恶劣环境中工作的机器的仪表测量的组成部分。这样实现以增强的精度、 灵敏度和专一性从机器测量工作参数数据。恶劣环境传感器系统应用于机器的仪表测量中 成功地促成维护时间和成本上的缩减。虽然本公开是参考示范实施例来描述的，但是本领域技术人员将理解，在不背离 本公开范围的前提下可以进行多种更改以及以等效物替换其单元。此外，在不背离本公开 的基本范围的前提下，可以进行多种修改以调整特定情况或材料以适应本公开的教导。因此，本公开不应局限于作为实现本公开设想的最佳实施方式来公开的特定实施例，而是本 开关将包含落在所附权利要求的范围内的所有实施例。 本文撰写的描述使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使得本领域 技术人员能够实施和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本 领域技术人员可设想到的其他示例。如果此类其他示例具有并未与权利要求的字面语言不 同的结构元素或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性不同的等效结构元素，它们 理应在权利要求的范围内。单元列表
10旋转机器
12叶冠
14轴
16叶片
18第一能量接口单元
20第二能量接口单元
22查询通道
24恶劣环境传感器系统
26第一能量收发器系统
27第二能量收发器系统
28查询通道
30恶劣环境传感器系统
32第一接口单元
33第二能量收发器系统
34传感器电路
36处理器
38能量源
40第二接口单元
41另一个传感器电路
42传感器部件
44调制的查询通道
50恶劣环境传感器系统
52第一能量收发器系统
54收发的调制对象
56第二能量收发器系统
58恶劣环境
60查询通道
62传感调制对象
64能量接口单元
66传感通道
68处理器
70能量源80第二能量收发器系统82传感系统 84传感器86接口单元90传感器接口单元92传感调制对象94谐振电路96能量接口单元100补偿部件102噪声参数104能量转换单元200用于测量恶劣环境中物体的工作参数的方法202经由第一能量收发器系统收发能量信号的方法步骤204经由与第二能量收发器系统的无线耦合调制位于第一能量收发器系统中 的收发的调制对象的方法步骤，其中第二能量收发器系统至少部分地设置在物体上206 通过处理器基于收发的调制对象计算恶劣环境中物体的一个或多个工作 参数的方法步骤。
权利要求
一种用于测量恶劣环境(58、88)中物体的多个工作参数的系统(30、50)，所述系统(30、50)包括配置成收发能量信号的第一能量收发器系统(31、52)；耦合到所述第一收发器系统(31、52)的收发的调制对象(54)；至少部分地设置在所述物体上且能够被所述第一收发器系统(31、52)查询的第二能量收发器系统(33、56、80)，其中所述第二收发器系统(33、56、80)包括传感系统(82)；以及耦合到所述第一收发器系统(31、52)的处理器(36)，所述处理器(36、68)配置成基于所述收发的调制对象(54)来确定所述恶劣环境(58、88)中所述物体的所述多个工作参数。
2.如权利要求1所述的系统(30、50)，其中所述传感系统(82)包括接口单元(86)和 传感器(84)。
3.如权利要求2所述的系统(30、50)，其中所述接口单元(86)包括介电单元。
4.如权利要求2所述的系统(30、50)，其中所述传感器(84)包括电容器、电感器、纳米 级NEMS装置、微观级MEMS装置、中尺度级直接印刷的装置。
5.如权利要求1所述的系统(30、50)，其中所述第二能量收发器系统(33、56、80)还包 括传感器电路。
6.如权利要求1所述的系统(30、50)，其中所述第二能量收发器系统(33、56、80)还包 括传感器接口单元(90)、传感调制对象(92)、能量转换部件(104)、能量变换器、补偿部件 (100)和能量接口单元(96)。
7.如权利要求6所述的系统(30、50)，其中所述传感器接口单元(90)包括与电感器并 联的电容器以形成谐振电路。
8.如权利要求7所述的系统(30、50)，其中所述第二能量收发器系统(33、56、80)的所 述传感调制对象(92)是所述谐振电路中的阻抗。
9.如权利要求1所述的系统(30、50)，其中所述传感系统(82)包括工作参数响应材 料，所述工作参数响应材料包括高磁导率材料、高介电材料、高居里点材料、高电容率材料。
10.一种测量恶劣环境(58、88)中物体的工作参数的方法(200)，包括经由第一能量收发器系统收发(202)电磁信号；经由与第二能量收发器系统的无线耦合调制(204)位于所述第一能量收发器系统中 的收发的调制对象，其中所述第二能量收发器系统至少部分地设置在所述物体上；以及通过处理器基于所述收发的调制对象计算(206)所述恶劣环境中所述物体的一个或 多个工作参数。
全文摘要
提供一种用于测量恶劣环境(58、88)中物体的多个工作参数的系统(30、50)。该系统(30、50)包括第一能量收发器系统(31、52)，配置成收发能量信号。该系统(30、50)还包括耦合到第一能量收发器系统(31、52)的收发的调制对象。该系统(30、50)还包括至少部分地设置在物体上且能够被第一能量收发器系统查询(31、52)的第二能量收发器系统(33、56)。第二能量收发器系统(33、56、80)还包括传感系统(82)。该系统还包括耦合到第一能量收发器系统(31、52)的处理器(36)。处理器(36)配置成基于收发的调制对象(54)来确定恶劣环境(58、88)中物体的多个工作参数。
文档编号G01D21/02GK101986126SQ20101024647
公开日2011年3月16日 申请日期2010年7月28日 优先权日2009年7月28日
发明者C·U·哈德维科, E·伯克坎 申请人:通用电气公司