[发明专利]耦合剂及耦合剂、换能器和结构组件的布置

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及监控机械系统中的结构组件，更具体地但不排它地涉及机械系统中换能器或传感器的耦合剂。

背景技术

在机械系统中，监控组件可能非常重要。例如，滚子轴承可能遭受磨损，并可能在它们断裂时对机械系统造成严重损坏。因此，可以通过使用换能器或传感器来对这些组件的劣化进行监控。这种传感器可以包括压电元件或半导体，它们将机械或者声振动或振荡转换成电信号。然后电信号可以得到处理，例如可以进行频率分析，以便检测指示各个组件的磨损或劣化的频率。例如，辊子轴承随着其磨损可能会产生有特点的振动，其一旦被检测到就可以指示轴承即将到来的故障。然后这种信号可以用来产生警告，特别是当其它组件将会受到轴承故障影响时。

如上所述的轴承及相应监控系统的应用是非常广泛的。例如，任何类型的车辆使用大量的轴承，这样的轴承用来支承关键组件。例如，设想列车及其轴利用轴承，其可能会在它们断裂时造成严重事故和损坏。另一种应用例如是发电厂，比如离岸风力发电站。这种发电站转子的轴承至关重要，尤其是当它们位于离岸时，也就是当它们不容易接近时。因此，希望监控这种风力发电站的轴承，以便及早检测最终的失效并且在发生严重的损害之前关闭发电站。钢铁厂是上述换能器系统应用的另一示例。无论轴承在什么地方用于支承发电单元的组件，它们可能是风力发电站的转子、内燃机或传送带发动机的轴，都希望尽快通知即将到来的故障。

发明内容

各实施例基于以下发现，声发射换能器可用于监控结构组件。进一步的发现在于，希望确定监控系统的灵敏度，以便评估给定的检测水平是否应该引起关注。声发射传感器通常可以设计成响应于垂直于它们所施加于其上的表面的运动，并且可以被制造为谐振器件来增加围绕特别感兴趣的频率范围的灵敏度。

各实施例还基于以下发现，这种装置的结构组成对于其灵敏度很关键。在一些实施例中，换能器可以包括具有一定几何形状和机械共振的压电元件，其输出电信号。这样的电信号随后可被预放大和进一步处理。进一步的处理可以包括模拟数字转换、滤波、变换等。各实施例还基于以下发现，通过这样的换能器或传感器被联接至所讨论的表面而得以进一步影响换能器的灵敏度。换句话说，发现的是在任何情况下耦合剂的松驰联接或选择错误可能会导致灵敏度的大幅下降。因此，进一步的发现在于，这种系统的耦合剂是评估系统灵敏度的不确定性的主要来源。这种灵敏度在实验室条件下可能是相当高的水平，然而，当在这样的领域例如在车辆上或在发电厂中进行这样的测量时，在整体灵敏度上发现量级的变化并不少见。

进一步的发现在于，耦合剂应当除去换能器或传感器的面与结构组件的相应表面之间的空气。进一步的发现在于，当空气因这两个接触面的微观结构而被截留时，换能器的灵敏度下降。空气的声阻抗比传感器面或测试材料的要低得多，并且会导致在交界面处的相当大的传输损耗。此外，进一步的发现在于，除了比空气实质更高的声阻抗之外，联接层还应该相比于要被测量的信号(例如超声波)的波长很薄。

各实施例的进一步发现在于，引入到耦合剂的硬金属可以进一步降低换能器与结构组件的表面之间的耦合剂的衰减。声发射通常可以在100至500千赫的频率范围内进行测量。高频振荡是难以测量的，因此传感器和振荡源之间的良好耦合可能是需要的。如果耦合不好，则信号振幅可能会降低，这可能又会使得难以解释这些信号。影响因素是目标的传感器几何形状、耦合剂和表面性能。实施例可以提供的思路允许将传感器安装到轴承壳体，即其允许在传感器的表面和结构组件的表面之间产生一定的力或压力。

实施例提供用于将换能器联接至结构组件的表面的耦合剂。所述耦合剂包括基本上15-75％质量部分的硬金属。发现是该部分硬金属有助于减小换能器与结构组件比如轴承壳体的表面之间的联接层的阻抗或衰减。减小衰减允许确定或检测更可靠的信号，从而可以允许系统更加可靠。因此，故障可以更可靠地被检测出。整个系统可以变得更加坚固。此外，实施例可以允许更早地检测结构组件的即将到来的故障，使得可以更加有效地避免进一步的损害。

实施例可以提供的耦合剂具有的硬金属的质量部分基本上为30-35％、32-34％、或33％。换句话说，发现是耦合剂中约1/3的硬金属的质量部分提供良好的联接性能。换句话说，当使用耦合剂内约1/3的硬金属时，可以实现联接层的低阻抗或低衰减。因此，在一些实施例中，基本上三分之一的硬金属可以用于耦合剂内，其中三分之一证实是有利的组合。