專利名稱：振動和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及其部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦流探頭驅(qū)動器系統(tǒng)和作為數(shù)字處理模塊一部分或作為單 獨的渦流探頭驅(qū)動器模塊的相關(guān)數(shù)字線性化，特別是在危險區(qū)域。本發(fā)明還 涉及振動和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
渦流探頭(ECP )傳感器系統(tǒng)從二十世紀(jì)70年代開始在主要與軸頸(套 筒)軸承一起操作的旋轉(zhuǎn)設(shè)備監(jiān)控和保護(hù)中進(jìn)行非接觸式位移測量。ECP系 統(tǒng)通常也稱為"接近式探頭系統(tǒng)"。
渦流探頭依賴于包括振蕩器的驅(qū)動器。振蕩器用來激勵所連接的渦流探 頭，以使其產(chǎn)生變化的;茲場。當(dāng)該第一磁場靠近鋼制目標(biāo)材料時，將在目標(biāo) 材料表米感生出時變渦流。所述渦流又會產(chǎn)生與原先第 一磁場相反的第二磁 場，因此影響探頭末梢的合成阻抗。感生出的渦流大小取決于探頭末梢和鋼 制目標(biāo)材料之間的距離。因此，探頭阻抗變化是探頭末梢和目標(biāo)材料之間距
離的直接量度。
渦流驅(qū)動器系統(tǒng)中的振蕩器電路通常建立在使用離散匹配晶體管級路 (stage)作為活動元件的Collpits型振蕩器。這種振蕩器是電流驅(qū)動型的， 并基本上以完全飽和模式操作，作為開關(guān)并因此為維持振蕩提供所需的能 量。產(chǎn)生的幅值由驅(qū)動電流的非線性屬性限定，并且因寄生效應(yīng)影響而依賴 于溫度和設(shè)備。為了從多個模塊獲得類似的輸出響應(yīng)，這種成本非常低的方 法要求幅值校準(zhǔn)，以及因驅(qū)動晶體管所使用的PN結(jié)而要求溫度和頻率補(bǔ)償。 此外，由于輸出阻抗和寄生電容的影響，幅值穩(wěn)定性取決于振蕩器電路負(fù)載 的穩(wěn)定性。除了部件之間寄生效應(yīng)的影響之外，這些電容性負(fù)載影響還取決 于頻率，因此影響探頭/電纜諧振總體阻抗值。
即使采用不同的電纜長度，也希望振蕩器頻率在探頭系統(tǒng)全部操作范圍 內(nèi)盡可能保持恒定。此外，對于較長的電纜長度來說，為了優(yōu)化阻抗響應(yīng)而 調(diào)諧諧振電路，通常在電流系統(tǒng)采用并聯(lián)、通常為鐵基的負(fù)載電感。但是，這種鐵基電感跟隨時間而發(fā)生長期變化/漂移，因此對于諧振電路輸出阻抗也 有影響。
利用恒定驅(qū)動電流，輸出電壓將作為諧振阻抗和激勵電流基礎(chǔ)諧波響應(yīng) 的函數(shù)。由于這種特性，對于相等的探頭/電纜系統(tǒng)來說，產(chǎn)生的諧振電壓受 到電平變化影響，因此在不同的驅(qū)動模塊之間，不可以認(rèn)為是恒定的。因此， 這就要求存在不希望的手工校準(zhǔn)，需要更好的維持幅值精度和穩(wěn)定性的裝 置。因此，顯然存在改進(jìn)空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是限定一種驅(qū)動方法和一種渦流探頭驅(qū)動器。
本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)是限定一種能確認(rèn)所連接的探頭系統(tǒng)的功能和/或 類型的驅(qū)動方法和渦流探頭驅(qū)動器。
本發(fā)明另 一個目標(biāo)是限定一種確認(rèn)連接到渦流驅(qū)動器系統(tǒng)的4笨頭/電纜 系統(tǒng)的功能和/或類型的方法。
本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)是限定一種能在危險區(qū)域內(nèi)有效進(jìn)行振動監(jiān)控的 單元禾P方法。
本發(fā)明前述目標(biāo)借助一種確定連接到渦流探頭振蕩器的渦流探頭/電纜 系統(tǒng)狀態(tài)的方法來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，確定該狀態(tài)是建立在渦流探頭振蕩器 的頻率的基礎(chǔ)上的。根據(jù)該方法適當(dāng)確定所述狀態(tài)，包括確定渦流探頭/電纜 系統(tǒng)的系統(tǒng)類型和/或確定渦流探頭/電纜系統(tǒng)的正確功能。所述方法優(yōu)選包 括多個步驟。在第一步驟中，測量渦流探頭振蕩器的頻率。在第二步驟中， 將測量的頻率與一個或多個先前測量的頻率、和/或預(yù)定頻率、和/或預(yù)定的 頻率范圍進(jìn)行比較。在第三步驟中，借助頻率比較結(jié)果確定所述狀態(tài)。所述 方法適當(dāng)?shù)剡€包括附加步驟。在第一附加步驟中，解調(diào)渦流探頭振蕩器的所 述頻率。在第二附加步驟中，測量解調(diào)后的頻率的幅值。在第三附加步驟中， 將測量的幅值與一個或多個先前測量的幅值、和/或預(yù)定幅值、和/或預(yù)定幅 值范圍進(jìn)行比較。而且在第三步驟中，確定所述狀態(tài)包括借助幅值比較結(jié)果 確定所述狀態(tài)。
本發(fā)明的前述目標(biāo)借助布置成確定連接到渦流探頭振蕩器的渦流探頭/ 電纜系統(tǒng)狀態(tài)的單元來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，確定所述狀態(tài)是建立在渦流探頭 振蕩器的頻率的基礎(chǔ)上的。適當(dāng)確定所述狀態(tài)，包括確定渦流探頭/電纜系統(tǒng)的系統(tǒng)類型和/或確定渦流探頭/電纜系統(tǒng)的正確功能。優(yōu)選，所述單元包括 測量裝置，頻率比較裝置和確定裝置。所述測量裝置布置成測量渦流探頭振 蕩器頻率。所述頻率比較裝置布置成將測量的頻率與一個或多個先前測量的 頻率、和/或預(yù)定頻率、和/或預(yù)定頻率范圍比較。所述確定裝置布置成借助 頻率比較裝置的結(jié)果確定所迷狀態(tài)。所述單元適當(dāng)?shù)匕ń庹{(diào)裝置，測量裝 置和幅值比較裝置。所述解調(diào)裝置布置成解調(diào)渦流探頭振蕩器的頻率。所述 測量裝置布置成測量解調(diào)后的頻率的幅值。所述幅值比較裝置布置成將測量 的幅值與一個或多個先前測量的幅值、和/或預(yù)定幅值、和/或預(yù)定幅值范圍 比較。而且，所述確定裝置還布置成借助所述幅值比較裝置的結(jié)果確定所述 狀態(tài)。
本發(fā)明的前述目標(biāo)借助一種振動監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)，該振動監(jiān)控系統(tǒng)布置 成借助來自至少一個渦流探頭的測量值來監(jiān)控至少一個旋轉(zhuǎn)部件。根據(jù)本發(fā) 明，該系統(tǒng)包括位于該至少一個旋轉(zhuǎn)部件本地的分布式單元，該分布式單元 包括根據(jù)前述任意實施方式的單元。該分布式單元適當(dāng)?shù)夭贾玫絽^(qū)域1中， 或者同等環(huán)境中，并且該至少一個旋轉(zhuǎn)部件位于區(qū)域l中，或同等環(huán)境中。
本發(fā)明的前述目標(biāo)進(jìn)一步借助一種振動監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)，該振動監(jiān)控系 統(tǒng)布置成借助來自至少一個渦流探頭的測量值來監(jiān)控至少一個旋轉(zhuǎn)部件。根 據(jù)本發(fā)明，該系統(tǒng)包括位于該至少一個旋轉(zhuǎn)部件本地的分布式單元。該分布 式單元布置成數(shù)字式地處理所述測量值，從而創(chuàng)建警告信號。所述分布式單 元布置成借助至少雙重數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線通信線路向設(shè)備關(guān)斷控制器數(shù)字式地 傳輸所述警告信號。
對于其他系統(tǒng)來說，接近無限間隙(遠(yuǎn)距離)時，由于響應(yīng)為非線性，
所以諧振阻抗(tank impedance)變化變小，這可能被認(rèn)為是一種缺陷。測 量這種小阻抗變化的能力將擴(kuò)大適用的渦流探頭系統(tǒng)的測量范圍。因此，振 蕩器電路應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化，從而對接近最大探頭阻抗時的這種小阻抗變化 (dVout/dZprobe高)敏感。
根據(jù)目標(biāo)監(jiān)控場合，渦流探頭系統(tǒng)設(shè)計方案需要適應(yīng)許多參數(shù)變化。這 些變化包括但不限于位移探頭尺寸、電纜長度、目標(biāo)材料和所需輸出靈敏性。
在其他渦流探頭測量系統(tǒng)操作概念方面，另 一項主要的限制是在探頭和 最終信號調(diào)整之間，即從安裝在設(shè)備上的探頭直接連接到居中設(shè)置的監(jiān)控系 統(tǒng)，可能有數(shù)百米遠(yuǎn)，不易使用長距離的同軸電纜。目前的操作原理將該距離限制到15米左右。因此，常見的做法是采用"孤立"的驅(qū)動器在可接受 的距離之內(nèi)實施要求的調(diào)整。
其他系統(tǒng)據(jù)說存在某些缺陷。模擬渦流探頭系統(tǒng)使用模擬"驅(qū)動器，，以 在探頭和監(jiān)控器之間實施必要的步驟。參數(shù)諸如探頭尺寸、電纜長度、電纜 參數(shù)等的變化通過標(biāo)準(zhǔn)模擬范圍內(nèi)"專門調(diào)諧"的派生物來調(diào)整。這樣導(dǎo)致 了許多不同的部件，它們不太容易在不同的渦流驅(qū)動器系統(tǒng)之間進(jìn)行互換。 對于這種"調(diào)諧，，的商業(yè)沖擊在于， 一般來說，探頭、電纜和驅(qū)動器都必須 來自同一個制造商。對于數(shù)字驅(qū)動器，存在已知技術(shù)來改善單一渦流探頭系 統(tǒng)設(shè)計方案(相對于以固定參數(shù)為基礎(chǔ)的模擬設(shè)計方案的部件變化)的靈活 性。為渦流探頭系統(tǒng)建立線性化曲線之后，所述系統(tǒng)一般保持靜態(tài)。接著， 用于建立該曲線的可用信號處理功率將留置不用，而部件成本保持不變。此 外，模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理，然后數(shù)模轉(zhuǎn)換(以允許與以模擬輸入為基礎(chǔ) 的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)銜接)這樣操作的成本將導(dǎo)致產(chǎn)品較之經(jīng)過驗證的模 擬設(shè)計方案沒有市場竟?fàn)幜Α１景l(fā)明的其他優(yōu)勢將從詳細(xì)說明中體現(xiàn)出來。


參照附圖，現(xiàn)在將更為詳細(xì)地對本發(fā)明進(jìn)行解釋，但是并沒有任何限制
的意思，其中
圖1示出了本發(fā)明的振蕩器；
圖2示出了振蕩器非線性傳遞函數(shù)；
圖3示出了本發(fā)明驅(qū)動器的方塊圖4示出了本發(fā)明的數(shù)字驅(qū)動器的方塊圖5示出了探頭阻抗相對于探頭和目標(biāo)之間的位置/距離的離散數(shù)據(jù)和 曲線擬合數(shù)據(jù)；
圖6示出了線性化處理；
圖7示出了由所述設(shè)備測量的非線性探頭曲線響應(yīng)； 圖8示出了探頭阻抗(L， R)行為與距離/間隙；
圖9示出了對表示不同電容設(shè)置的曲線范圍進(jìn)行非線性曲線建模的結(jié)
果；
圖IO示出了多條線性化曲線作為驅(qū)動器電壓的函數(shù)； 圖11示出了系數(shù)曲線擬合示例；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明生成系數(shù)的流程圖； 圖13示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行渦流通道校準(zhǔn)的流程圖，不進(jìn)行補(bǔ)償； 圖14示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行渦流通道校準(zhǔn)的流程圖，進(jìn)行補(bǔ)償； 圖15示出了本發(fā)明的補(bǔ)償/線性化處理流程。
附圖標(biāo)記
圖1示出了本發(fā)明的振蕩器；
100 探頭/探頭阻抗Z
101 電阻R
105 Uout
106 Uin
107 U
110 xl緩存器
111 a倍乘法器/緩存器
113 任選的c倍乘法器、電阻
114 b倍乘法器/緩存器、電阻
115 加法器、增加點
116 xl緩存器
圖2
284 探頭阻抗
285 驅(qū)動器輸出
288探頭阻抗和驅(qū)動器輸出之間的函數(shù)
圖3示出了本發(fā)明驅(qū)動器的方塊302 探頭
303 電纜
305 來自振蕩器部件的高頻輸出信號
308 來自解調(diào)器/峰峰斥全測器的幅值輸出信號
341 驅(qū)動器的"振蕩器"部件，包括探頭和電纜，就像它們是完整振蕩器的一部分
342 解調(diào)器和峰峰檢測器
352本發(fā)明的驅(qū)動器
390 本發(fā)明振蕩器的激勵部分
圖4示出了本發(fā)明的數(shù)字驅(qū)動器的方塊405 來自振蕩器部件的高頻輸出信號
408 來自解調(diào)器/峰峰檢測器的幅值輸出信號
441 驅(qū)動器的"振蕩器"部件，包括探頭和電纜，就像它們是完整振 蕩器的一部分
442 解調(diào)器和峰峰檢測器 492模數(shù)轉(zhuǎn)換器
494 數(shù)字信號處理 496 輸入/輸出接口
圖5示出了探頭阻抗相對于探頭和目標(biāo)之間的位置/距離的離散數(shù)據(jù)和 曲線擬合數(shù)據(jù)；
582 目標(biāo)和探頭之間的位置/距離 584 以歐姆計的#:頭阻抗 586 曲線
圖6示出了線性化處理；
670探頭驅(qū)動器輸出曲線
672 線性化乘法因子曲線
674 線性化輸出曲線(線)
682 以mil計的探頭和目標(biāo)材料之間的位置/距離
685 以Volt計的驅(qū)動器輸出和線性化乘法因子
686 以Volt計的線性化驅(qū)動器輸出
圖7示出了由所述設(shè)備測量的非線性探頭曲線響應(yīng)； 782 探頭和目標(biāo)材料之間的間隙
9783 響應(yīng)
790 測量探頭響應(yīng)曲線
圖8示出了探頭阻抗(L, R)行為與距離/間隙； 882 #:頭和目標(biāo)材料之間的間隙
884 電感(H)
885 電阻(Ohm)
891 探頭線圈電感相對于間隙的曲線 892探頭線圈電阻相對于間隙的曲線
圖9示出了對表示不同電容設(shè)置的曲線范圍進(jìn)行非線性曲線建模的結(jié)
果；
982 #:頭和目標(biāo)材沖牛之間的間隙 993 改變C而計算的探頭響應(yīng)曲線 995 響應(yīng)
圖IO示出了多條線性化曲線作為驅(qū)動器電壓的函數(shù)； 1073不同探頭/電纜的多條不同線性化曲線 1084線性化乘法因子 1085驅(qū)動器輸出電壓
圖IIA和IIB示出了系數(shù)曲線擬合示例； 1172離散Coeff (0)的擬合曲線 1174離散Coeff ( 1 )的擬合曲線 1180無限間隙電壓 1182系數(shù)(0)刻度 1184系數(shù)(1)刻度
1192 Coeff (0)離散點
1194 Coeff ( 1 )離散點
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明生成系數(shù)的流程101210根據(jù)本發(fā)明的第一步步驟，獲取基準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)，包括無線間隙、 相對于位置的電壓
1220在第一步驟之后第二步驟，創(chuàng)建基準(zhǔn)線性化曲線，相對于位置 的因子
1230在第二步驟之后第三步驟，應(yīng)用n階多項式曲線擬合，n+l個
系數(shù)
1240第四步驟，K個樣本全部完成，如否則返回第一步驟，如是，則 到第五步驟
1250第五步驟，用m階多項式曲線擬合k個樣本的每個具體系數(shù)，m+l 個系數(shù)
1260第六步驟，全部n+l個系數(shù)？如否，則返回第五步驟，如是，則 到第七步驟
1270第七步驟，存儲n+l組m+l個系數(shù)
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行渦流通道校準(zhǔn)的流程圖，不進(jìn)行補(bǔ)償； 1310根據(jù)本發(fā)明的第一步驟，為探頭類型和電纜長度加載n+l組m+l 個系數(shù)
1320在第一步驟之后第二步驟，安裝目標(biāo)探頭系統(tǒng)
1330在第二步驟之后第三步驟，測量并存儲無線間隙系統(tǒng)響應(yīng)
1340第四步驟，計算n+l組系數(shù)
1350第五步驟，為ECP通道存儲n+l組線性化函數(shù)系數(shù)
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行渦流通道校準(zhǔn)的流程圖，進(jìn)行補(bǔ)償； 1410根據(jù)本發(fā)明的第一步驟，為探頭類型和電纜長度加載n+l組m+l 個系數(shù)；
1420在第一步驟之后第二步驟，加載補(bǔ)償函數(shù)系數(shù) 1430在第二步驟之后第三步驟，安裝目標(biāo)探頭系統(tǒng) 1440在第三步驟之后第四步驟，測量并存儲無限間隙系統(tǒng)響應(yīng)和振 蕩頻率系統(tǒng)響應(yīng)
1450在第四步驟之后第五步驟，計算n+l組線性化系數(shù)
1460在第五步驟之后第六步驟，計算補(bǔ)償系數(shù)1470在第六步驟之后第七步驟，用補(bǔ)償系數(shù)校正線性化系數(shù)
1480在第七步驟之后第八步驟，為ECP通道存儲n+l個線性化函數(shù)
系數(shù)
圖15示出了本發(fā)明的補(bǔ)償/線性化處理流程1510根據(jù)本發(fā)明的第一步驟，為ECP通道加載n+l個(經(jīng)過補(bǔ)償?shù)? 線性化系數(shù)
1520在第一步驟或第四步驟之后第二步驟，記錄ECP測量樣本 1530在第二步驟之后第三步驟，向線性化函數(shù)應(yīng)用補(bǔ)償后的測量樣
本
1520在第三步驟之后，第四步驟，存儲線性化樣本值并返回第二步驟
具體實施例方式
為了說明本發(fā)明的方法和設(shè)備，現(xiàn)在針對圖1至15描述本發(fā)明功能以 及用途的一些示例。
著眼于自動關(guān)斷、狀態(tài)監(jiān)控和長期設(shè)備健康，用來監(jiān)控關(guān)鍵機(jī)器上的振 動的檢測系統(tǒng)需要安裝在該機(jī)器上的振動傳感器。大多數(shù)常用傳感器為徑向 位移探頭，諸如渴流探頭，它需要模擬振蕩器/解調(diào)器單元，通常稱為"驅(qū)動 器"或"位移監(jiān)測器(proximitor )，，。另一種探頭是"地震"傳感器，其測量 表面振動的加速度或位移，通常不需要驅(qū)動器。驅(qū)動器包括用來激勵所連接 的渦流探頭使其產(chǎn)生交變磁場的振蕩器。該磁場在處于接近鋼制目標(biāo)材料的 范圍時，將根據(jù)接近范圍而在目標(biāo)材料表面感生出時變渦流。所述渦流又會 產(chǎn)生與原先磁場相反的磁場并因此影響探頭末梢的合成阻抗。感生渦流的幅 度取決于探頭末梢和鋼制目標(biāo)材料之間的距離。因此，探頭阻抗變化表征了 探頭末梢和目標(biāo)材料之間距離的直接測量值。因此，這種非接觸式方法可以 用來測量距離/間隙(平均DC分量)和目標(biāo)機(jī)器軸線的振動(AC分量)。
復(fù)數(shù)探頭阻抗定義為
Zp = i + >丄
其中，阻抗R表示探頭線圈的導(dǎo)線阻抗，并且因為目標(biāo)材料吸收磁場能 量而覆蓋了大多數(shù)的探頭損失。感抗L表示線圈自感，并且由于磁場耦合目 標(biāo)材料而對探頭損失發(fā)揮較小的作用。后者表示在探頭的工作間隙范圍內(nèi)存在較小的振動頻率。
特別的情況是無限間隙或者寬闊間隙的情況。這種情況表示探頭阻抗不 受磁場耦合損失的影響。因此，這種情況表示為由線圈導(dǎo)線阻抗和自感構(gòu)成 的純線圈屬性，表示為Z。。
探頭和同軸接頭電纜一起形成并聯(lián)LC諧振電路(tank circuit )，因為同 軸電纜可以認(rèn)為是"分布式"電容。探頭/電纜組合通常描述為加載了探頭阻 抗(線圈)的有損傳輸線路(電纜)。
輸出諧振阻抗(探頭和電纜)是振蕩電路整體的一部分。所用振蕩器的 類型是自激振蕩器。在系統(tǒng)啟動時，向諧振電路的電容施加電荷。電容將其 能量釋放到電感(線圈)。由于線圈導(dǎo)線電阻電壓降低帶來的損耗，振蕩將 會衰減。但是，振蕩器電路將確保能量損失得到補(bǔ)償，而且還保證振蕩幅值 在限定的幅值水平保持恒定。
非常重要的概念是僅在諧振阻抗為純電阻性的時候才發(fā)生振蕩。在該所 謂的諧4^f莫式下，諧振輸出阻抗為純電阻性的，因此合成電壓響應(yīng)是探頭相 對于目標(biāo)位置的直接測量值。諧振(振蕩)頻率主要由探頭電感和電纜電容 限定。因此，當(dāng)使用不同類型的探頭(電感)或改變電纜長度時，將會影響 振蕩頻率。要注意，探頭對目標(biāo)位置的影響也會輕微影響合成振蕩頻率。
振蕩器輸出的峰到峰值電壓水平認(rèn)為是探頭和目標(biāo)之間距離的測量值， 并且低頻幅值變化(包絡(luò))將作為距離隨時間變化的測量值，因此表示目標(biāo) 振動。解調(diào)器輸出將消除高頻分量并建立高精度的峰峰值檢測器，該檢測器 將用作根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)字處理的基本輸入。
阻抗電壓響應(yīng)和探頭目標(biāo)距離之間的關(guān)系并不是線性的，因此需要進(jìn)一 步處理來獲取距離測量值的線性關(guān)系(對于目前的模擬系統(tǒng)來說， 一般采用 的輸出靈敏性為200mV/mil)。此外，從上述內(nèi)容可以得出，探頭(R、 L) 和電纜(R、 C)的變化可能影響合成諧振輸出阻抗，并因此引入誤差，尤 其是在各種產(chǎn)品之間31入誤差，因此需要手工校準(zhǔn)來確保固定的線性輸出結(jié) 果。
本發(fā)明還包括向數(shù)字領(lǐng)域進(jìn)行變換，這種變換提供了所需的靈活性，以 允許根據(jù)本發(fā)明的自動補(bǔ)償和線性化方案，消除任何的手工校準(zhǔn)需求以及用
于補(bǔ)償和線性化的固定硬件方案(正如目前全模擬設(shè)計方案中所用)中存在 的約束。這在以下進(jìn)一步討論?？紤]到用于硬件控制和信號后期處理(非線性探頭阻抗響應(yīng)的線性化)的數(shù)字設(shè)計核心，以下系統(tǒng)概念用于本發(fā)明的驅(qū) 動器系統(tǒng)。
每種探頭的不同電纜長度會導(dǎo)致探頭/電纜組件不同的最大阻抗響應(yīng)，為 了適應(yīng)這種情況，驅(qū)動器振蕩器操作建立在使用最長電纜長度作為線性化處 理的基準(zhǔn)并采用外部補(bǔ)償電容和/或阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，以允許使用較短 的電纜長度。補(bǔ)償?shù)闹饕康脑谟?，相對于無限間隙測量響應(yīng)，獲得實際電 纜長度相對于基準(zhǔn)電纜長度的均等阻抗響應(yīng)。為此，可以在適合多種探頭和 電纜長度的單個阻抗范圍內(nèi)優(yōu)化驅(qū)動器振蕩器，因此利用最優(yōu)的動態(tài)輸入范 圍。此外，對振蕩器的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以允許獨立控制幅值水平和阻抗測量 靈敏性兩者。然后可以數(shù)字式地控制這些參數(shù)，并將其用于不同類型的探頭 的設(shè)計優(yōu)化。本發(fā)明振蕩器最重要的參數(shù)是非線性增益屬性。該屬性允許在 更高的探頭系統(tǒng)阻抗情況下獲得更大的增益。當(dāng)每單位距離探頭阻抗變化隨 著探頭遠(yuǎn)離目標(biāo)而變得越來越小，根據(jù)本發(fā)明的特征將提供更大的輸出增 益。因此本發(fā)明的振蕩器在某種程度上進(jìn)行線性化，因此擴(kuò)展探頭系統(tǒng)的可 用距離測量范圍。
當(dāng)然，振蕩器電路受到反饋環(huán)路單位增益(1 )以及反饋環(huán)路0。相位相 對于輸出信號的偏移的邊界條件的制約。這些邊界條件需要適用于全部可預(yù) 見的探頭/電纜阻抗范圍，以維持所需的激勵振蕩。
圖1所示的框圖說明了利用運(yùn)算放大器110、 116或同等元件作為基礎(chǔ)
構(gòu)造模塊的振蕩器優(yōu)化設(shè)計方案。該振蕩器設(shè)計方案采用了雙反饋環(huán)路，其
中一條支路指定為電壓限制器112,以產(chǎn)生既定的與輸出信號105同相的受 限電壓輸入106。在電壓限制器112內(nèi)包括高增益區(qū)段，以保證在振蕩啟動 的早期階段電壓受到限制。增益區(qū)段alll和b114與輸出分壓器R101和 Zpr。belOO相結(jié)合，保證總體反饋增益歸一化并與輸出信號105同相，以滿足 振蕩邊界條件。在一些實施方式中，增益區(qū)段alll、 M15和cll3可以實施 為電阻和加法器115，這只是用電阻在緩沖運(yùn)算放大器116周圍實現(xiàn)增益區(qū) 段alll、 bll4的常見手法。
由于電壓限制器112具有非線性，所以輸出電壓U107也會包含振蕩頻 率的更高階諧波。在振蕩時，探頭/電纜電路將發(fā)生諧振，因此用作基礎(chǔ)振蕩 頻率的帶通濾波器。因此，僅基礎(chǔ)諧波信號將耦合返回輸入106。可選地引 入增益因子C113,以抵消這種固定的非線性效應(yīng)?？梢詾樵撜袷幤麟娐吠茖?dǎo)出以下方程
t/ = ".", +&,(1)
y zPr。te " (2)
p I 7
八卞厶Pi"Me
從方程(1 )、 (2)和(3)中，可以為輸出電壓定義以下關(guān)系
"。 ,=^^~"一 (4) K +(")
0&
從(4")可以看出U。ut105是Zpr。bc100的二階函數(shù)，因此具有非線性特 性。由于探頭/電纜阻抗具有最大值(無限間隙)，所以最大振蕩幅值UMax 定義為
Uumit定義為，對于較小的輸出電壓U，隨著探頭/電纜阻抗變化，對于 全部輸出電壓響應(yīng)來說，極限電壓水平保持恒定。從方程(5)中，可以推 導(dǎo)出ULimit的關(guān)系，并將其帶入方程(4)以獲得U。ut相對于U腿的關(guān)系。
^ +(1-")
{/=J Ms^--(6)
u卯, D max
"~~ + (1 —
利用方程(6)并將輸出電壓函數(shù)對探頭阻抗求微分，可以確定一種關(guān) 系，得出相對于阻抗變化的最大輸出電壓變化 A +(1-。)
d6L, 工乂 _ TT 及
+(1一")
7
7
7
^p油
利用方程(7)的結(jié)果，并且根據(jù)接近最大探頭阻抗(Z賺)的變化大部 分相關(guān)，以便擴(kuò)展探頭范圍，則將最大電壓變化定義為 ") = 0 (8)
從方程(8)的結(jié)果可以得出，對于特定類型的探頭和探頭電纜長度來說，特定的Zn^是已知的，因此留下變量R和增益因子a來優(yōu)化響應(yīng)。
才艮據(jù)最大探頭系統(tǒng)阻抗、輸出電壓和極限電壓，在參數(shù)a、 b和R之間 存在固定的關(guān)系。通過選擇兩個參數(shù)，根據(jù)預(yù)定的最大設(shè)定值，可以利用方 程(5)確定剩下的參數(shù)，重寫為方程(9)、 (10)和(11):
(9)
7 f/
6(a,i )-"版
A ，
乂
及(a》):=《
乂
(10) (11)
U(z)關(guān)系的屬性，如方程(1)所限定，取決于參數(shù)設(shè)定a、 b和R。在 這方面，必須注意，對于最大預(yù)期探頭系統(tǒng)阻抗時的既定最大輸出電壓，可 能存在滿足這些要求的多種結(jié)果。但是，正如從方程(1)所得出的，函數(shù) U(z)主要取決于參數(shù)a、 b和R。
參數(shù)a和b還確定振蕩器傳遞函數(shù)的非線性屬性。如果a〈l且b",則 傳遞函數(shù)將具有非線性屬性，此時低阻抗值被放大的程度超過較高的阻抗 值。如果&=1，則傳遞函數(shù)在輸出電壓和阻抗之間具有線性屬性。最后，如 果a〉l且b〈1，則傳遞函數(shù)將具有非線性屬性，此時高阻抗值放大的程度超 過較低阻抗值。
圖2示出了在a二1.272、 5=0.153且11=604時，振蕩器具有非線性輸出響 應(yīng)288的情形。因此當(dāng)探頭阻抗Zpr。be284增大時，輸出LU258放大效果更 為劇烈。這樣，我們可以借助振蕩器拓展單位距離移動的小阻抗變化。
利用參數(shù)a和b的固定關(guān)系優(yōu)化振蕩器的響應(yīng)作為非線性探頭阻抗響應(yīng) 線性化的第一步，并利用固定參數(shù)Ui^it和計算變換因子c,僅留下參數(shù)R (與已知的ECP系統(tǒng)的Z腿相結(jié)合)來確定最大輸出電壓。
從方程(6)可以得出，相對于既定最大電壓來說，在給定方程(8)中 的R和a(和b)關(guān)系的情況下，輸出電壓變化單純?nèi)Q于探頭/電纜阻抗變 化。
根據(jù)以上設(shè)計，獨立控制輸出信號幅值并優(yōu)化阻抗變化響應(yīng)的目標(biāo)，以 下控制參數(shù)適用于
1. 非線性參數(shù)a和b組合。
2. 幅值增益電阻值R (與固定增益因子a組合)
16參照以上內(nèi)容和方程(5),可以得出當(dāng)R與實際探頭阻抗(Zp)匹配時，
對于不同情況來說可以得到某種程度的硬件優(yōu)化，其中實際探頭阻抗可能因 探頭和電纜特性變化而不同。 一般來說，當(dāng)電纜長度加長時，這些變化可能 會有更大的影響，因此將不能結(jié)合線性化函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
因此根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器是基于"自激"振蕩器的探頭激勵，而非探頭 /電纜系統(tǒng)利用可變頻率信號發(fā)生器調(diào)諧成諧振的設(shè)計方案。本發(fā)明的設(shè)計方 案優(yōu)勢很多，諸如確定的、主要為電阻性的探頭/電纜諧振阻抗負(fù)載。利用傳 統(tǒng)的運(yùn)算放大器或同等元件，諧振阻抗負(fù)載將不包含寄生電容阻抗。根據(jù)本 發(fā)明的電路是電壓受控的環(huán)路。利用高精度的電壓限制器，利用輸出信號作 為輸入，并利用高精度的增益限定電阻，部件因素導(dǎo)致的幅值變化，相同的 諧振阻抗增益，在不同的產(chǎn)品之間將具有更高的精度。這樣將部分或完全消 除手工硬件校準(zhǔn)的需求。電路是不依賴頻率的。這樣將消除對并聯(lián)補(bǔ)償電感 的需求，時間長了，該電感會改變響應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的電路設(shè)計是低電流設(shè) 計，以滿足為區(qū)域l核準(zhǔn)的原有安全度。所提及的任何危險區(qū)域類別諸如區(qū) 域1,都是指區(qū)域1或同等分類，諸如類別1分部1。不存在手工范圍校準(zhǔn) 的需求，并且具有更高層次的模塊互換性一一 "單一模塊支持全部探頭"的
概念。但是，可以由振蕩器電路調(diào)整電阻值R,以補(bǔ)償探頭/電纜諧振阻抗電 路的電阻負(fù)載。
圖3示出了驅(qū)動器352包括本發(fā)明的振蕩器電路390。本發(fā)明的電路390 形成完整振蕩器電路341的一部分，該完整振蕩器電路還包括探頭302和電 纜303。跟在振蕩器305輸出端后面的是高速峰峰值檢測器342，將動態(tài)高 頻輸出信號轉(zhuǎn)換為DC電壓輸出信號308，該輸出信號表示探頭和目標(biāo)之間 的間隙并且疊加有軸振動信號(最高10kHz的低頻)。驅(qū)動器352 —般包括 解調(diào)器、低通濾波器和峰峰值檢測器342功能以及振蕩器341。驅(qū)動器352 包括振蕩器電路和解調(diào)器以及峰峰值檢測器342，可以用在獨立配置中，此 時輸出信號308傳送到中央處理位置，或者可以與下面所述的本發(fā)明分布式 數(shù)字處理裝置集成。
如上所述的本發(fā)明驅(qū)動器可以實施在安裝于設(shè)備室的系統(tǒng)中。在高火險 環(huán)境中，需要監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的振動，諸如這些設(shè)備用在能源領(lǐng)域，例如油氣 工業(yè)，目的是自動關(guān)斷和長期的設(shè)備健康、狀態(tài)、監(jiān)控。在高火險工業(yè)諸如 油氣工業(yè)，相對于易燃?xì)怏w為控制室指定了安全區(qū)。如上所述的本發(fā)明驅(qū)動器還可以實施在安裝于設(shè)備上的系統(tǒng)中。在許多 商業(yè)/工業(yè)領(lǐng)域，諸如油氣工業(yè)，相對于易燃?xì)怏w為設(shè)備指定了 "危險區(qū)，，一一 并分成著火"區(qū)域"。位于危險區(qū)的任何電氣設(shè)備必須設(shè)計成在部件失效的 情況下都不能產(chǎn)生火源(例如，火花)或包含火源，并且不能觸及易燃?xì)怏w。 內(nèi)在安全監(jiān)控的概念以及具有本發(fā)明分布式特征的保護(hù)系統(tǒng)解決了許多問 題。為了實現(xiàn)本發(fā)明，上述本發(fā)明的渦流驅(qū)動器與數(shù)字信號處理集成，從而 形成集振動監(jiān)控和一部分狀態(tài)監(jiān)控于一身的完整單元，該單元經(jīng)由本發(fā)明的 數(shù)字信號線路與分布式控制系統(tǒng)和中央狀態(tài)監(jiān)控部分通信。該單元可以包括 多個驅(qū)動器和用于不需要驅(qū)動器的傳感器的輸入。
模擬系統(tǒng)，如上所述，主要包括3個單獨的部件以形成渦流系統(tǒng)——位 移探頭、電纜和振蕩器/解調(diào)器，通常稱為驅(qū)動器或位移監(jiān)測器。探頭驅(qū)動器 實施探頭激活/激勵，并且在許多情況下，實施模擬信號線性化和一些信號調(diào) 整，從而準(zhǔn)備好輸入到外部監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備。如果驅(qū)動器包括用來對各 種渦流位移探頭進(jìn)行線性化和信號調(diào)整的模擬電路，則驅(qū)動器變得非常復(fù) 雜。
根據(jù)目標(biāo)監(jiān)控場合，渦流探頭系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)需要適應(yīng)許多參數(shù)變化。 這些變量包括但不限于位移探頭尺寸、電纜長度、目標(biāo)材料和要求的輸出靈 敏性。在渦流探頭測量的操作層面，另一個主要的限制是不太容易在探頭和 最終信號調(diào)整之間以同軸電纜實現(xiàn)較長的距離，即從安裝在設(shè)備上的探頭直 接連接到居中設(shè)置的監(jiān)控系統(tǒng)，這可能有數(shù)百米遠(yuǎn)。目前的操作原理將該距
離限制為15米左右。因此，使用獨立的驅(qū)動器在距離探頭可接受的距離內(nèi) 實施所需的調(diào)整。
相對于以固定參數(shù)為基礎(chǔ)的模擬設(shè)計方案的部件變化而言，數(shù)字驅(qū)動器 將改善單一渦流探頭系統(tǒng)設(shè)計方案的靈活性。但是，數(shù)字驅(qū)動器作為單獨的 產(chǎn)品，在為渦流探頭系統(tǒng)建立線性化曲線之后， 一般來說保持靜態(tài)。接著， 用來建立該曲線的可用信號處理功率將不再4吏用，但是部件成本保持不變。 模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理，再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換以允許連接以模擬輸入為勤出的 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控防護(hù)系統(tǒng)，這樣做的成本將使得產(chǎn)品較之已有的模擬設(shè)計而言，不 具有商業(yè)竟?fàn)幮浴?br> 才艮據(jù)本發(fā)明，引入設(shè)備本身的分布式調(diào)整和防護(hù)監(jiān)控器，使得最終信號 調(diào)整可以在渦流探頭(ECP)系統(tǒng)的距離極限范圍內(nèi)進(jìn)行，并且不再需要個別傳感器連線到遠(yuǎn)程監(jiān)控和防護(hù)系統(tǒng)。建立在以分布式監(jiān)控防護(hù)模塊的數(shù)字 信號處理為主的基礎(chǔ)之上，本發(fā)明因此將驅(qū)動信號調(diào)整硬件包括在產(chǎn)品中， 并以更為節(jié)省成本的方式為所需的線性化采用數(shù)字信號處理功率，因為數(shù)字 信號處理的主要功能是對所連接的傳感器的連續(xù)監(jiān)控和保護(hù)功能。將驅(qū)動器 硬件包括在產(chǎn)品的部件中所帶來的額外效果是完全消除了任何數(shù)模轉(zhuǎn)換需 求，以及驅(qū)動器和監(jiān)控器之間的銅導(dǎo)線接口，因此優(yōu)化了成本、效率以及總 體系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性。進(jìn)一步增加可靠性的是，除了驅(qū)動器輸出的常見DC
輸出電平探頭OK監(jiān)控之外，該系統(tǒng)還監(jiān)控RF探頭激勵信號的存在與否。 因此，除了以常規(guī)DC為基礎(chǔ)的OK監(jiān)控之外，本發(fā)明還為探頭失效提供更 大的診斷覆蓋性。配置軟件允許對直接連接型位移探頭和各種電纜長度(根 據(jù)不同場合定制)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)和線性化。
由于不需要單獨的模擬驅(qū)動器系統(tǒng)，所以本發(fā)明的系統(tǒng)允許降低系統(tǒng)的 總體成本。通過用于分布式用途的硬件集成，優(yōu)化了允許本發(fā)明定位一一包 括集成渦流探頭驅(qū)動信號處理一一在設(shè)備基部的區(qū)域1危險區(qū)域中并在其中 操作的規(guī)定。利用單一驅(qū)動器設(shè)備支持靈活但是受限的位移探頭電纜長度， 增加了可靠性并減少了維護(hù)問題。利用單一驅(qū)動器設(shè)備支持結(jié)構(gòu)不同、類型 不同的位移探頭，增加了可靠性并減少了維護(hù)問題。而且根據(jù)本發(fā)明，還存 在軟件驅(qū)動的現(xiàn)場校準(zhǔn)和線性化方案。
圖4示出了本發(fā)明分布式振動和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的分布式部件的主要部 分。分布式部件包括一個或多個渦流探頭接口，從而構(gòu)成振蕩器441部件， 而該振蕩器又傳輸高頻輸出405。接在振蕩器441的輸出405之后的是高速 峰峰值檢測器442,從而將動態(tài)高頻輸出信號轉(zhuǎn)化為包括DC電壓的輸出信 號408,該DC電壓信號代表探頭和目標(biāo)之間的間隙以及疊加的最高約10kHz 的低頻信號，這種低頻信號代表軸振動信號。解調(diào)且峰峰值檢測輸出信號408 接著在AD轉(zhuǎn)換器492內(nèi)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理部 件494。在根據(jù)本發(fā)明處理和數(shù)據(jù)還源之后，經(jīng)由1/0接口 496將數(shù)據(jù)傳輸 到分布式控制系統(tǒng)用于關(guān)斷控制，數(shù)據(jù)處理和還原在以下解釋。
一種對渦流探頭系統(tǒng)進(jìn)行探頭功能監(jiān)控的方法是監(jiān)控DC間隙電壓。但 是，這種檢測方法不僅取決于探頭/電纜，而且取決于大量電子電路諸如振蕩 器、峰峰值檢測器的正確操作。因此，這種方法不能100。/。排它地確認(rèn)探頭 和/或電纜接口的實際故障。此外，這種方法在推力監(jiān)控場合特別失效，此時
19DC間隙測量不但是測量參數(shù)，而且是:^笨頭控制措施。因此，所述系統(tǒng)不能 在筒單的超范圍和實際部件故障之間進(jìn)行區(qū)分。本發(fā)明根據(jù)振蕩頻率進(jìn)行正
確的功能檢測提供了這種區(qū)分，并且如果與DC電壓監(jiān)控一起^f吏用的話，允
許檢測和確認(rèn)超范圍和故障兩者。在這種情況下，可以監(jiān)控振蕩頻率，并且 可以在較早的階段確定超出探頭(或振蕩器)預(yù)期范圍或者電路失效。因此，
高頻信號405連接到數(shù)字信號處理部件494，用于測量頻率和此后的范圍檢 查。因此，這種方法對于更為可靠且冗余的探頭功能監(jiān)控方法具有積極貢獻(xiàn)。
此外，在監(jiān)控實際振蕩頻率時，可以將響應(yīng)與預(yù)定具體探頭系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn) 行比較。不同類型的探頭可以在不同振蕩頻率下操作。當(dāng)頻率偏離根據(jù)配置 預(yù)定的范圍時，將表示在配置和所連接的探頭類型之間出現(xiàn)了不匹配，并且 可以防止因人為錯誤而可能發(fā)生的關(guān)斷，即使用了錯誤的探頭類型或錯誤的 配置。同樣，對于正確的配置，在頻率和/或幅值響應(yīng)背離標(biāo)稱操作值時，可 以發(fā)出警告，表示因系統(tǒng)物理變化而發(fā)生了阻抗變化，即探頭線圈特性因環(huán) 境因素發(fā)生了改變。除了頻率監(jiān)控之外一一在系統(tǒng)啟動階段一 一可以將無限 間隙響應(yīng)與預(yù)期值相比較。在振蕩頻率符合預(yù)期，但是發(fā)現(xiàn)幅值響應(yīng)存在顯 著變化時，可以確認(rèn)電纜具有不同的特性，因此需要新的校準(zhǔn)信息，即以特 性不同于前述型號的電纜替代延伸電纜。
根據(jù)頻率和幅值監(jiān)控能力，先進(jìn)的阻抗校正技術(shù)，類似于以下所述的本 發(fā)明的線性化技術(shù)，可以用來補(bǔ)償與探頭-目標(biāo)距離無關(guān)的系統(tǒng)特性變化， 諸如電阻性探頭電纜損耗。
由于探頭位置響應(yīng)的非線性屬性，所以需要輸出信號處理來獲得線性響 應(yīng)。探頭/電纜阻抗與探頭類型、探頭線圈參數(shù)、探頭位置、電纜參數(shù)、電纜 長度、振蕩頻率以及目標(biāo)材料直接相關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗，不需要將自動化方法適 應(yīng)于響應(yīng)不同的目標(biāo)材料等。線性化建立在已知目標(biāo)材料、探頭類型和電纜 特性的基礎(chǔ)之上，將適合電纜長度的實際范圍。
所用的線性化方法主要建立在補(bǔ)償探頭電纜引入的電容、模塊和輸出通 道之間的輸入電容差異的基礎(chǔ)之上。線性化處理的主輸入是無限間隙響應(yīng)值 之間的差異。這種方法允許消除對個別部件調(diào)整(探頭電纜、延伸電纜和驅(qū) 動器)的需求，因此除了節(jié)省制造成本之外，還減少了現(xiàn)場校準(zhǔn)并維持了產(chǎn) 品 間較高的互換能力。
但是，除了電容變化，還存在探頭差異，表現(xiàn)在線圈末梢電感值的變化。
20這些變化可能由繞制過程的偏差(導(dǎo)線直徑、張力、均勻性、匝數(shù)等)導(dǎo)致。 電感變化主要表現(xiàn)在振蕩頻率的變化上，但是當(dāng)然還以類似于探頭振蕩諧振 電路的電容變化的相同方式對無限間隙響應(yīng)存在影響。根據(jù)線性化概念以電 容變化為基礎(chǔ)對探頭系統(tǒng)進(jìn)行線性化時，是建立在銀頭末梢非線性屬性均等 的基礎(chǔ)之上。
原理上，有兩種方法補(bǔ)償探頭末梢變化。第一種方法是所謂的前線性化 補(bǔ)償，這種方法基本上類似于實際的線性化方法，將才艮據(jù)用于生成線性化庫 時的情況，根據(jù)探頭末梢特性更新測量樣本。這種方法的優(yōu)勢在于，補(bǔ)償應(yīng) 用于全部測量范圍，并且提供最佳結(jié)果。缺陷在于，這種方法以每個樣本為 基礎(chǔ)采用多項式高階算法，耗費處理時間。第二種方法稱為后線性化補(bǔ)償， 這種方法建立在線性化處理導(dǎo)致的輸出敏感性變化較小的情況下，這表明更 大間隙存在更大的偏差。因此，這種方法允許在校準(zhǔn)處理中優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)偏差 和增益因子，因此主要優(yōu)勢在于不涉及額外的處理時間(和功率)。
這些方法允許消除對個別部件(探頭電纜、延伸電纜和驅(qū)動器)調(diào)整的 需求，因此減少了現(xiàn)場校準(zhǔn)并保持了產(chǎn)品之間較高的互換能力。在系統(tǒng)特性 明顯改變的情況下，系統(tǒng)允許根據(jù)廠方原始線性化校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新校準(zhǔn)。 不需要現(xiàn)場系統(tǒng)校準(zhǔn)。主要的現(xiàn)場需求在于在安裝前獲得所述探頭的無限間 隙響應(yīng)。在這些工作中，在系統(tǒng)最終安裝之前，執(zhí)行存儲探頭識別信息的單 元。測量的無限間隙響應(yīng)作為基礎(chǔ)用來確定補(bǔ)償阻抗測量電壓及其結(jié)果線性 化所需的實際系數(shù)集合。但是，對于執(zhí)行具體現(xiàn)場校準(zhǔn)，為具體渦流探頭系 統(tǒng)獲得線性化系數(shù)則沒有確定的限制，即目標(biāo)材料、探頭類型和電纜長度。
圖5示出了阻抗584相對于距離目標(biāo)的距離582的非線性屬性。示出了 離散數(shù)據(jù)(方塊)和曲線擬合數(shù)據(jù)(線)586兩者。探頭響應(yīng)線性化輸入是 振蕩器驅(qū)動器響應(yīng)，振蕩器輸出電壓的峰峰測量結(jié)果。根據(jù)希望的輸出靈敏
性，可以利用以下方程定義線性化曲線
T, ,、 尸os ■ 5fe，Y/v辦 / i ^ 、
=-^~ 、 U
利用線性化函數(shù)(12)以及描述振蕩器非線性輸出的函數(shù)，線性化的輸 出響應(yīng)定義為
= {7。 ,(尸o". i/"(尸cw) (13) 圖6示出了振蕩器響應(yīng)電壓670、 685作為間隙682 (探頭和目標(biāo)之間的距離)的函lt,所需的線性化乘法函數(shù)672、685作為希望的靈l^丈性200mV/mil 的結(jié)果以及產(chǎn)生的線性化輸出674、 686。線性化處理的目標(biāo)是以n階多項式 函數(shù)描述線性化函數(shù)，以允許對每個驅(qū)動器輸出樣本進(jìn)行即時(on-the-fly) 線性化。多項式函數(shù)如此選擇，與硬件乘法電路相結(jié)合，具有較高的計算機(jī) 計算效率，因此可以快速執(zhí)行并且降低總體功耗。但是，對于每一種不同的 電纜長度、探頭類型等，線性化函數(shù)也不同。為了克服這個問題，需要在電 纜電容偏差、探頭特性偏差和長度誤差較小的基準(zhǔn)電纜長度時，為每種探頭 獲得多條實驗曲線，以便描述線性化函數(shù)的范圍。
由于上述原理需要大量實際工作，因此引入本發(fā)明的方法來根據(jù)單一基 準(zhǔn)曲線預(yù)測電容變化的屬性(電纜長度差異、ECP輸入的通道間或模塊間輸 入差異)。這種數(shù)學(xué)方法將計算所用多條曲線的響應(yīng)作為輸入，用來創(chuàng)建所 謂的同族線性化庫，用于校準(zhǔn)ECP通道。
這種線性化預(yù)測模型的目的是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)探頭單一曲線測量值對特定電 容變化范圍進(jìn)行理論預(yù)測。 一條通道用作基準(zhǔn)通道，這對全部模型都是可行 的，且其偏差較之其他ECP輸入通道處于中部某處。這種概念要求實際探 頭屬性較小，因為探頭之間的電感和電阻變化將導(dǎo)致不同的非線性屬性，這 種不同的非線性屬性無法利用電容變化補(bǔ)償進(jìn)行校正。
實際測試顯示出對于一組探頭來說，無限間隙值的商數(shù)(quotient)和振 蕩頻率良好地度量了探頭質(zhì)量。因此，對于制造探頭來說，主要的目的是確 保這些屬性滿足實際同族線性化庫結(jié)果所形成的規(guī)格。
首先，可以從圖7中看出，相對于間隙782測量790探頭響應(yīng)783。根 據(jù)該單位增益非線性曲線，在ECP數(shù)字和硬件電路已知傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上 計算ECP輸入阻抗。利用已知的電纜補(bǔ)償電容和ECP硬件輸入阻抗，計算 探頭系統(tǒng)輸出阻抗。根據(jù)適用于探頭電纜和延伸電纜長度領(lǐng)域所用的有損傳 輸線路理論、已知的電纜特性以及包含連接件插入損耗，可以根據(jù)探頭系統(tǒng) 輸出阻抗在諧振時為真實阻抗這一事實，計算探頭阻抗。如圖8所示，計算 結(jié)果是每個^f皮評估間隙882的探頭末梢線圏電感L884、 891和損耗電阻 R885、 891的測量^f直。
然后根據(jù)本發(fā)明，利用已知探頭阻抗(包括模塊負(fù)載)，對從探頭末梢 到振蕩器輸入的有損傳輸線路計算過程進(jìn)行反求，計算補(bǔ)償電容不同(模擬 電纜長度變化、電纜規(guī)格變化和輸入通道之間的差異)時的預(yù)期響應(yīng)。由于電容發(fā)生變化，所以預(yù)期存在頻率變化，并且將影響振蕩時產(chǎn)生的電阻性阻 抗。從圖9中可以看出，根據(jù)新計算出的探頭響應(yīng)曲線，可以再次利用已知
硬件傳遞函數(shù)來計算無線間隙982響應(yīng)995曲線993——包括相關(guān)計算的無 線間隙響應(yīng) 一一用作輸入來產(chǎn)生探頭同族線性化庫。
每個探頭響應(yīng)(離散樣本)轉(zhuǎn)移到相關(guān)線性化函數(shù)中，并對于圖9中的 k條輸入曲線每一條擬合n階多項式函數(shù)。
Zj、(x) = +a(2)t;c + a(3)ytx2+a(4)tx3+... + <3(" + 1)^" ( 14)
如圖IO所示，對于其他計算，采用線性化乘法1084,曲線1073作為振 蕩器輸出電壓1085響應(yīng)的函數(shù)，并且借助n階多項式和相關(guān)的系數(shù)集合進(jìn) 行描述。曲線1073包括測量曲線和計算曲線，計算曲線具有不同于測量曲 線狀態(tài)的C,如上所述。
根據(jù)將未知探頭/電纜系統(tǒng)目標(biāo)線性化曲線定義在計算基準(zhǔn)曲線范圍內(nèi) 的目的，所需的未知系統(tǒng)輸入是無線間隙測量響應(yīng)。為了^f吏用無限間隙測量 響應(yīng)定義最佳描述目標(biāo)線性化曲線的系數(shù)集合，計算基準(zhǔn)線性化曲線的每個 對應(yīng)系數(shù)利用適當(dāng)?shù)臒o限間隙響應(yīng)作為基準(zhǔn)擬合成對應(yīng)的m階多項式。這樣 將形成一個函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)庫無線間隙和測量無線間隙響應(yīng)之間的已知差 異，為個別線性化曲線擬合系數(shù)提供曲線擬合結(jié)果。由于計算線性化曲線以 n階多項式描述，所以將產(chǎn)生n+l個系數(shù)。同樣，這些系數(shù)每一個將利用無 線間隙測量響應(yīng)為輸入以m階多項式函凄t描述。因此，(n+l) * (m+l)個 系數(shù)將形成線性化數(shù)據(jù)集合。從以上可知，可以得出以下函數(shù)來描述未知探 頭系統(tǒng)所希望的線性化曲線系數(shù)，其中y-存儲的庫無限間隙-測量無限間隙 響應(yīng)
C<(1) (y H, (l) + W2)" "(3)/ +…+ & O + i)Z
Coe兀(2)(力=62(1) + 62(2) j + 62(3)少2 +…+ + l)戶 (15)
Coei^("+,)(力=6 =1(1) + 6 +1(2)y + 6 +, (3)/ +…+ 6 +1(m +1),
因此，根據(jù)計算基準(zhǔn)線性化曲線，以及帶有處于基準(zhǔn)曲線邊界內(nèi)的未知 線性化曲線的測量無限間隙響應(yīng)，可以計算描述所希望的未知線性化曲線的 系數(shù)。
以下函數(shù)，利用驅(qū)動器樣本電壓作為輸入(x)，現(xiàn)在可以用來得到每個 所獲取的數(shù)據(jù)樣本的線性化響應(yīng)"。",0，力=Coe#。(1)0) + Coe#。(2)(>) x = Coe#。(3)0) x2 +…+ Coe#。( +1)0). x"( 16 )
基準(zhǔn)曲線的數(shù)目(k)和所用多項式的階數(shù)(n和m)將確定輸出結(jié)果 的精度和工作范圍(在基準(zhǔn)線性化曲線之間擴(kuò)展)。
圖11A和12B示出了利用4階多項式和5條基準(zhǔn)曲線擬合線性化曲線 函數(shù)的第一和第二系數(shù)的曲線擬合示例。圖IIA示出了 5條基準(zhǔn)曲線的第一 系數(shù)1192相對于曲線擬合1172的對應(yīng)無限間隙值1180的值1182。圖11B 示出了 5條基準(zhǔn)曲線的第二系數(shù)1194相對于曲線擬合1174的對應(yīng)無限間隙 值1180的值1184。接下來，為了得到希望的第一和第二系數(shù)值，將測量無 限間隙值輸入各條曲線并從每條擬合曲線1172、 1174得到這些系數(shù)。該示 例中清楚地表明，基準(zhǔn)曲線的數(shù)目將改善系數(shù)的精度。因此，使用所述的參 考數(shù)學(xué)模型相對于實際方法是優(yōu)選方案，因為原則上可以使用無限多個系 數(shù)。在原理上，在曲線之間使用較小的間隔時，可以產(chǎn)生單一的系數(shù)集合， 以描述具體探頭類型電纜長度的全部范圍。
線性化和預(yù)測方法建立在電容變化的基礎(chǔ)上，因此適應(yīng)電纜長度變化和 通道之間的電容差異以及不同模塊。利用這種同族范圍進(jìn)行探頭校準(zhǔn)接著對 小的電容差異進(jìn)行補(bǔ)償。但是，該方法建立在所用探頭系統(tǒng)非線性均等的基 礎(chǔ)之上。在探頭線圈變化的情況下，該方法將得到不同的非線性屬性。在本 節(jié)將說明早先提到的計算上最為有效的后線性化補(bǔ)償方法。
后線性化補(bǔ)償方法的基本原理也是對探頭末梢線圈較之探頭基準(zhǔn)系統(tǒng) 響應(yīng)的變化進(jìn)行非線性評估，從而進(jìn)行預(yù)測。由于無限間隙值是線性化處理 的主要基準(zhǔn)，所以補(bǔ)償方法是建立在探頭系統(tǒng)無限間隙和振蕩頻率商數(shù)除以 基準(zhǔn)探頭無線間隙和振蕩頻率商數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定為無限間隙/振蕩商 數(shù)。
首先，探頭制造測試數(shù)據(jù)用來得到探頭線圈變化范圍的曲線響應(yīng)，或者 使用模擬模型進(jìn)行這項工作。接著，對于每條曲線的非線性差異評估，根據(jù) 基準(zhǔn)探頭系統(tǒng)計算實際線性化系數(shù)和經(jīng)計算的線性化系數(shù)。根據(jù)具體系數(shù)(4 階多項式函數(shù)；a0、 al等)陣列創(chuàng)建補(bǔ)償庫函數(shù)以及無限間隙/振蕩商數(shù)的 對應(yīng)基準(zhǔn)。然后，根據(jù)基準(zhǔn)探頭系統(tǒng)線性化庫為每條曲線計算線性化輸出響 應(yīng)，并計算一階補(bǔ)償函數(shù)(偏移和增益)。根據(jù)補(bǔ)償函數(shù)行列式和無限間隙/ 振蕩上述的對應(yīng)基準(zhǔn)創(chuàng)建補(bǔ)償庫函數(shù)。
利用所得補(bǔ)償函數(shù)，可以在校準(zhǔn)過程中將計算線性化系數(shù)相應(yīng)適配，以
24優(yōu)化探頭系統(tǒng)較之基準(zhǔn)系統(tǒng)的非線性差異。
該方法利用制造數(shù)據(jù)的額外優(yōu)勢在于，為控制探頭制造質(zhì)量提供了直接 的手段，因為探頭需要擬合在本方法定義的補(bǔ)償范圍內(nèi)。然后可以測試探頭 制造過程的各個階段，判斷響應(yīng)是否處于預(yù)定可接受的區(qū)域之內(nèi)。
參照所述補(bǔ)償和線性化處理的全部過程，可以確定3個主要的步驟生
成系數(shù)、校準(zhǔn)渦流通道、和補(bǔ)償/線性化處理。根據(jù)既定條件下的多條基準(zhǔn)曲 線生成系數(shù)，產(chǎn)生所需要的系數(shù)集合，用來描述具體探頭類型和所支持的電 纜長度的補(bǔ)償和線性化函數(shù)。它們是廠方原始數(shù)據(jù)集合，為具體探頭類型形 成"庫數(shù)據(jù)"。這些數(shù)據(jù)集合存儲起來，以后可以根據(jù)需要下載到監(jiān)控模塊
中。圖12示出了表示本發(fā)明生成系數(shù)步驟的流程圖。根據(jù)本發(fā)明，在第一 步驟1210中，獲取基準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)，包括無限間隙、相對于位置的電壓。在 第一步驟1210之后，在第二步驟1220中，創(chuàng)建線性化曲線，得到相對于位 置的因子。在第二步驟1220之后，在第三步驟1230中，應(yīng)用n階多項式曲 線擬合，得到n+l系數(shù)。在第三步驟1230之后，在第四步驟1240中，測試 是否K個樣本全部完成，如否，則程序返回第一步驟1210。如果k個樣本 全部完成，則程序繼續(xù)進(jìn)行到第五步驟1250。在第四步驟1240之后，如果 k個樣本全部完成，則在第五步驟1250中，對k個樣本的每一個具體系數(shù)應(yīng) 用m階多項式擬合，得到m+l個系數(shù)。在第五步驟1250之后，在第六步驟 1260中，測試是否n+l個系數(shù)全部完成。如否，則程序返回第五步驟1250。 否則，如果全部系數(shù)都完成，則程序繼續(xù)進(jìn)行到第七步驟1270。在第六步驟 之后，如果全部系數(shù)都完成，則在第七步驟中，存儲n+l組m+l個系數(shù)。
根據(jù)探頭類型和電纜長度校準(zhǔn)渦流探頭通道，加載適當(dāng)?shù)南禂?shù)集合，安 裝探頭系統(tǒng)，以補(bǔ)償電容收尾，并測量無限間隙響應(yīng)，為適用的渦流探頭通 道計算/存儲補(bǔ)償和線性化函數(shù)系數(shù)。這是一種模塊化功能，通常在渦流探頭
系統(tǒng)安裝時執(zhí)行一次。圖13示出了表示渦流探頭通道校準(zhǔn)步驟的流程圖， 不進(jìn)行本發(fā)明的補(bǔ)償。根據(jù)本發(fā)明，在第一步驟1310中，為探頭類型和電 纜長度加載n+l組m+l個系數(shù)。在第一步驟1310之后，在第二步驟1320 中，安裝目標(biāo)探頭系統(tǒng)。在第二步驟1320之后，在第三步驟1330中，測量 并存儲無限間隙系統(tǒng)響應(yīng)。在第三步驟1330之后，在第四步驟1340中，計 算n+l組系數(shù)。在第四步驟1340之后，在第五步驟1350中，為ECP通道 存儲n+l個線性化函數(shù)系數(shù)。圖14示出了表示渦流通道校準(zhǔn)程序步驟的流程圖，進(jìn)行本發(fā)明的補(bǔ)償。
根據(jù)本發(fā)明，在第一步驟1410中，為探頭類型和電纜長度加載n+l組m+l個系數(shù)。在第一步驟1410之后，在第二步驟1420中，加載補(bǔ)償函數(shù)系數(shù)。在第二步驟之后，在第三步驟1430中，安裝目標(biāo)探頭系統(tǒng)。在第三步驟1430之后，在第四步驟1440中，測量并存儲無限間隙系統(tǒng)響應(yīng)和振蕩頻率系統(tǒng)響應(yīng)。在第四步驟1440之后，在第五步驟1450中，計算n+l組線性化系數(shù)。在第五步驟1450之后，在第六步驟1460中，計算補(bǔ)償系數(shù)。在第六步驟1460之后，在第七步驟1470中，以補(bǔ)償系數(shù)對線性化系數(shù)進(jìn)行校正。最后，在第七步驟1470之后，在第八步驟1480中，為ECP通道存儲n+l個線性化函數(shù)系數(shù)。
對于每個渦流探頭通道，加載(補(bǔ)償過的)線性化系數(shù)，并且開始驅(qū)動器樣本數(shù)據(jù)采集，對每個具體樣本應(yīng)用補(bǔ)償，并對該結(jié)果應(yīng)用線性化函數(shù)。這是一種模塊化功能，其中線性化作為采樣過程的一部分"即時"執(zhí)行，然后借助數(shù)字濾波和信號評估技術(shù)對線性化的樣本進(jìn)行進(jìn)一步處理。圖15示出了本發(fā)明補(bǔ)償/線性化處理的流程圖。根據(jù)本發(fā)明，在第一步驟1510中，為ECP通道加載n+l個(補(bǔ)償后的)線性化系數(shù)。在第一步驟1510之后或第四步驟1540之后，在第二步驟1520中，記錄/讀取ECP測量樣本。在第二步驟1520之后，在第三步驟1530中，將補(bǔ)償后的測量樣本應(yīng)用于線性化函數(shù)。在第三步驟1530之后，在第四步驟1540中，存儲線性化的樣本值，然后程序返回第二步驟1520。
本發(fā)明并不限于上述實施方式，而是可以在后面的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)進(jìn)行變動。
權(quán)利要求
1. 一種確定連接到渦流探頭振蕩器的渦流探頭/電纜系統(tǒng)狀態(tài)的方法，其特征在于，確定該狀態(tài)是建立在渦流探頭振蕩器的頻率的基礎(chǔ)上的。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，據(jù)該方法確定所述狀態(tài)，包括確定渦流探頭/電纜系統(tǒng)的系統(tǒng)類型和/或確定渦流探頭/電纜系統(tǒng)的正 確功能。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括步驟 測量渦流探頭振蕩器的頻率；將測量的頻率與一個或多個先前測量的頻率、和/或預(yù)定頻率、和/或預(yù) 定的頻率范圍進(jìn)行比較；借助頻率比較結(jié)果確定所述狀態(tài)
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括步驟 解調(diào)渦流探頭振蕩器的所述頻率；測量解調(diào)后的頻率的幅值；將測量的幅值與一個或多個先前測量的幅值、和/或預(yù)定幅值、和/或預(yù) 定幅值范圍進(jìn)行比較；并且確定所述狀態(tài)的步驟包括借助幅值比較結(jié)果確定所述狀態(tài)。
5. —種布置成確定連接到渦流探頭振蕩器的渦流探頭/電纜系統(tǒng)狀態(tài)的 單元，其特征在于，確定所述狀態(tài)是建立在渦流探頭振蕩器的頻率的基礎(chǔ)上 的。
6. 如權(quán)利要求5所述的單元，其特征在于，確定所述狀態(tài)，包括確定 渦流探頭/電纜系統(tǒng)的系統(tǒng)類型和/或確定渦流探頭/電纜系統(tǒng)的正確功能。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的單元，其特征在于，所述單元包括 布置成測量渦流探頭振蕩器頻率的測量裝置；頻率比較裝置，所述頻率比較裝置布置成將測量的頻率與一個或多個先 前測量的頻率、和/或預(yù)定頻率、和/或預(yù)定頻率范圍進(jìn)行比較；確定裝置，所述確定裝置布置成借助頻率比較裝置的結(jié)果確定所述狀態(tài)。
8. 如權(quán)利要求7所述的單元，其特征在于，所述單元進(jìn)一步包括 解調(diào)裝置，所述解調(diào)裝置布置成解調(diào)渦流探頭振蕩器的頻率；布置成測量解調(diào)后的頻率的幅值的測量裝置；幅值比較裝置，所述幅值比較裝置布置成將測量的幅值與一個或多個先 前測量的幅值、和/或預(yù)定幅值、和/或預(yù)定幅值范圍進(jìn)行比較，而且，所述 確定裝置還布置成借助所述幅值比較裝置的結(jié)果確定所述狀態(tài)。
9. 一種布置成借助來自至少一個渦流探頭的測量值來監(jiān)控至少一個旋 轉(zhuǎn)部件的振動監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括位于該至少一個旋轉(zhuǎn)部件 本地的分布式單元，該分布式單元包括根據(jù)權(quán)利要求5至8任一項所述的單 元。
10. 如權(quán)利要求9所述的振動監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，該分布式單元布 置到區(qū)域1環(huán)境中，并且該至少一個旋轉(zhuǎn)部件位于區(qū)域1環(huán)境中。
全文摘要
一種振動和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，在每個模塊中具有以真實數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的設(shè)計，具有以非常有限的模擬處理為基礎(chǔ)的一般信號調(diào)節(jié)以及集成的專用傳感器調(diào)節(jié)。除了支持常用的采用外部驅(qū)動器的渦流探頭系統(tǒng)之外，該模塊還支持渦流探頭系統(tǒng)直接連接到該模塊，原因在于內(nèi)建的驅(qū)動器以及線性化功能。專用傳感器信號處理并不依賴硬件，而僅依賴嵌入式軟件。對于I.S.環(huán)境具備全部的傳感器輸入支持。不僅支持來自加速度計、速度傳感器的常見傳感器輸入類型，而且支持渦流探頭系統(tǒng)的直接輸入，以測量振動和/速度。所述模塊還包括借助頻率測量以及可能的幅值測量來獲取所連接的渦流探頭系統(tǒng)(302、303)的類型和正確功能。
文檔編號G01B7/02GK101479562SQ200780023689
公開日2009年7月8日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者雷蒙德·休格特 申請人:Skf公司