[发明专利]具有取决于速度的动态自动增益控制的传感器接口的方法和系统

说明书

相关申请交叉引用

本申请涉及2011年2月23日提交的美国专利申请序列号13/033,249[GE案号247779]，其通过引用完整地并入本文并构成其一部分。

背景技术

在许多情况中，由多种监视系统针对包括例如，振动、热、噪声、速度、电特性(例如，电流、电压、电阻等)、环境影响等的性能和运行特性来主动地监视诸如例如电动机、发电机、内燃机、喷气式发动机、涡轮等的机器以及它们驱动的系统。一般地，监视这些机器的监视系统由接近且与该机器关联的一个或多个传感器或换能器组成。例如，监视系统可以使用无源磁或磁阻传感器。下文中，这些传感器将简称为“传感器”、“磁传感器”或“无源磁传感器”，其意在包括无源磁和磁阻传感器。

一般地，无源磁传感器由永磁体和带有连接到线圈的每一端的信号线的线圈构造而成。磁体产生场(通量线)，该场从磁传感器的端部延伸到空气中。随着含铁物体逼近磁传感器的末端(即，探头末端)，该物体与始发于磁传感器中包含的磁体的磁场相互作用，从而在线圈中感生电流，并进而产生在作为磁传感器输出的信号线上能够发觉的交流电(AC)电压。随着目标进入并然后离开通量线占据的区域，这产生正电压峰值，然后是负电压峰值。电压输出可能看上去本质上是正弦的，但是取决于目标的材料组成和几何形状而可能失真。多种因素对由无源磁传感器生成的输出信号特性有贡献，包括目标的表面速度、间隙尺寸、目标几何形状和负载阻抗。

表面速度是目标通过磁传感器的探头末端的速度，并且直接影响磁传感器产生的脉冲的振幅。使目标速度与输出电压相联系的精确函数因磁传感器不同而有所变化，但是速度与输出电压之间的相关性是近似线性函数(成比例)。间隙尺寸是指当目标通过且它还影响输出电压时目标与磁传感器的探头末端之间的距离。该间隙越小，输出电压将越大。磁传感器的典型间隙设置可以是大约25至30mil。一般地，间隙尺寸与电压输出之间的关系本质上是非线性的。减小间隙可以极大地提高输出电压。目标的几何形状尺寸也可以影响输出电压的振幅和形状。一般地，目标越大，振幅越大。相对于磁传感器内部阻抗的负载阻抗指示负载将发觉的磁传感器输出电压的量。磁传感器一般设计成具有与提供最大输出相符的最低实际阻抗。负载阻抗应该相对于磁传感器的阻抗为高，以便最小化线圈两端的电压降，并向负载输送最大输出。一般地，负载阻抗应该至少10倍于磁传感器的内部阻抗。

使用磁传感器的优点包括，它们是无源的，因此无需外部功率，它们在设计上简单，因此高度可靠，并且它们一般是低成本的。但是，使用这些传感器也存在难题。一个难题是输出信号振幅可能基于速度极大地波动。这可能使得难于分析从例如0到3600rpm变速的机器的启动数据特性。例如，磁传感器输出电压相对于通过目标的速度极大地变化(例如，10mVp-p至200Vp-p)。如果通过目标高速通过时的相同输出精度来监视低速通过的目标的磁传感器输出，此特性可能造成难题。慢速信号需要增益来提高信噪比，而高速信号需要被衰减以避免因电路极限导致的削波或失真。另一个难题是，由于磁传感器的无源性质，磁拾波具有较小的驱动强度，并且将无法驱动信号通过长电缆。而且，磁传感器无法用于精确间隙读数。虽然振幅可以是间隙的指示，但是由于如上所述影响输出的多种其他因素而导致无法利用给定的输出电压来精确确定间隙尺寸。

因此，期望有克服本领域中的难题(上文描述了其中的一些)的系统和方法。具体来说，提供使用速度输入的动态自动增益控制用于磁传感器，这能够用于提高磁传感器对应于低速通过的目标的输出的精度以及该相同目标以高速通过时该目标的输出的精度，这在解决上述难题时将是有价值的。

发明内容

本文描述的本发明的实施例提供一种磁传感器接口，其能够使用测量目标的当前速度的速度信号来动态调整信号调节，以便对于给定目标在其整个速度范围(0-最大值rpm)上保持输入信号的真实正峰值和负峰值，由此增加低速时的信噪比并避免高速时的削波或失真。

在一个方面中描述一种方法。该方法包括从传感器接收交流差分电压信号。该差分电压信号具有相对于目标的速度变化而变化的振幅。将该交流差分电压信号转换成能够动态缩放的、衰减的单端电压信号。可以通过将衰减的单端电压信号乘以缩放因子来缩放衰减的单端电压信号。该缩放因子相对于速度信号来选择，以及相对于缩放的衰减的单端电压信号的信噪比来选择。