具有動態自動增益控制的傳感器接口的方法和系統的制作方法

專利名稱：具有動態自動增益控制的傳感器接口的方法和系統的制作方法
具有動態自動增益控制的傳感器接口的方法和系統相關申請交叉引用本申請涉及2011年2月23日提交的美國專利申請序列號13/033，234[GE案號247777]，其通過引用完整地并入本文并構成其一部分。
背景技術：
在許多情況中，由多種監視系統針對包括例如,振動、熱、噪聲、電特性(例如，電流、電壓、電阻等)、環境影響等的性能和運行特性來主動 地監視諸如例如電動機、發電機、內燃機、噴氣式發動機、渦輪等的機器以及它們驅動的系統。一般地，監視這些機器的監視系統由接近且與該機器關聯的一個或多個換能器組成。例如，監視系統可以使用無源磁或磁阻傳感器。下文中，這些傳感器將簡稱為“傳感器”、“磁傳感器”或“無源磁傳感器”，其意在包括無源磁和磁阻傳感器。一般地，無源磁傳感器由永磁體和帶有連接到線圈的每一端的信號線的線圈構造而成。磁體產生場(通量線)，該場從磁傳感器的端部延伸到空氣中。隨著含鐵物體逼近磁傳感器的末端(即，探頭末端)，該物體與始發于磁傳感器中包含的磁體的磁場相互作用，從而在線圈中感生電流，并進而產生在作為磁傳感器輸出的信號線上能夠發覺的交流電(AC)電壓。隨著目標進入并然后離開通量線占據的區域，這產生正電壓峰值，然后是負電壓峰值。電壓輸出可能看上去本質上是正弦的，但是取決于目標的材料組成和幾何形狀而可能失真。多種因素對由無源磁傳感器生成的輸出信號特性有貢獻，包括目標的表面速度、間隙尺寸、目標幾何形狀和負載阻抗。表面速度是目標通過磁傳感器的探頭末端的速度，并且直接影響磁傳感器產生的脈沖的振幅。使目標速度與輸出電壓相聯系的精確函數因磁傳感器不同而有所變化，但是速度與輸出電壓之間的相關性是近似線性函數(成比例)。間隙尺寸是指當目標通過且它還影響輸出電壓時目標與磁傳感器的探頭末端之間的距離。該間隙越小，輸出電壓將越大。磁傳感器的典型間隙設置可以是大約25至30mil。一般地，間隙尺寸與電壓輸出之間的關系本質上是非線性的。減小間隙可以極大地提高輸出電壓。目標的幾何形狀尺寸也可以影響輸出電壓的振幅和形狀。一般地，目標越大，振幅越大。相對于磁傳感器內部阻抗的負載阻抗指示負載將發覺的磁傳感器輸出電壓的量。磁傳感器一般設計成具有與提供最大輸出相符的最低實際阻抗。負載阻抗應該相對于磁傳感器的阻抗為高，以便最小化線圈兩端的電壓降，并向負載輸送最大輸出。一般地，負載阻抗應該至少10倍于磁傳感器的內部阻抗。使用磁傳感器的優點包括，它們是無源的，因此無需外部功率，它們在設計上簡單，因此高度可靠，并且它們一般是低成本的。但是，使用這些傳感器也存在難題。一個難題是輸出信號振幅可能基于速度極大地波動。這可能使得難于分析從例如0到3600rpm變速的機器的啟動數據特性。例如，磁傳感器輸出電壓相對于通過目標的速度極大地變化(例如，10mVp-p至200Vp-p)。如果通過目標高速通過時的相同輸出精度來監視低速通過的目標的磁傳感器輸出，此特性可能造成難題。慢速信號需要增益來提高信噪比，而高速信號需要被衰減以避免因電路極限導致的削波或失真。另一個難題是，由于磁傳感器的無源性質，磁拾波具有較小的驅動強度，并且將無法驅動信號通過長電纜。而且，磁傳感器無法用于精確間隙讀數。雖然振幅可以是間隙的指示，但是由于如上所述影響輸出的多種其他因素而導致無法利用給定的輸出電壓來精確確定間隙尺寸。因此，期望有克服本領域中的難題(上文描述了其中的一些)的系統和方法。具體來說，提供動態自動增益控制用于磁傳感器，這能夠用于提高磁傳感器對應于低速通過的目標的輸出的精度以及該相同目標以高速通過時該目標的輸出的精度，這在解決上述難題時將是有價值的。

發明內容
本文描述的本發明的實施例提供一種磁傳感器接口，其能夠動態調整信號調節，以便對于某給定目標在其整個速度范圍(0-最大值rpm)上保持輸入信號的真實正峰值和負峰值，由此增加低速時的信噪比并避免高速時的削波或失真。
在一個方面中描述一種方法。該方法包括從傳感器接收交流差分電壓信號。該差分電壓信號具有隨時間變化的振幅。將該交流差分電壓信號轉換成能夠動態縮放的、衰減的單端電壓信號。可以通過將衰減的單端電壓信號乘以縮放因子來縮放衰減的單端電壓信號。該縮放因子相對于縮放的衰減的單端電壓信號的信噪比來選擇。在另一個方面中描述一種系統。該系統由傳感器組成，傳感器配置成產生具有隨時間變化的振幅的交流差分電壓信號。該系統又包括第一電路，第一電路接收交流差分電壓信號，并將交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號。第二電路通過將衰減的單端電壓信號乘以縮放因子來動態縮放衰減的單端電壓信號。該縮放因子相對于縮放的衰減的單端電壓信號的信噪比來選擇。下文描述中將部分地闡述附加的優點或通過實踐將了解附加的優點。這些優點將通過所附權利要求中具體闡述的元件和組合來實現和達到。要理解的是，前文概述和下文的詳細描述都僅僅是示范的和解釋性的而非限制性的，正如所聲明的。


結合于本說明書中并構成其一部分的附示了實施例，以及連同描述用于解釋本文方法和系統的原理圖I是根據本發明的系統的一個實施例的框圖；圖2是根據本發明的一個方面的，能夠用于將交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號的電路的實施例的示意圖；圖3是根據本發明的一個方面的，能夠用于動態縮放衰減的單端電壓信號的電路的實施例的示意圖；圖4是圖示可以被采用以提供動態自動增益控制用于磁傳感器的操作的流程圖；以及圖5是圖示用于執行所公開的方法的示范操作環境的框圖。
具體實施例方式在公開和描述本發明的方法和系統之前，要理解的是，這些方法和系統不局限于特定的綜合性方法、特定部件或具體組成。還要理解的是，本文所使用的術語僅出于描述具體實施例的目的，并無意作為限制。正如本說明書和所附權利要求中使用的，除非上下文明確地另行指出，否則單數形式“一”和“所述”包括多個指示物。范圍本文中可能表示為從“約” 一個具體值和/或到“約”另一個具體值。當表示此類范圍時，另一個實施例包括從一個具體值和/或到另一個具體值。相似地，當通過使用前述的“約”將值表示為近似值時，將理解該具體值形成另一個實施例。還將理解的是，每個范圍的端點相對于另一個端點是顯著的，并且獨立于另一個端點。而且，當本文中提供范圍的示例時，應意識到，除非確切地另行指出，否則給定的范圍還包括其之間的所有從屬范圍。“可選”或“可選地”表示隨后描述的事件或情況可能發生或可能不發生，并且該描述包括所述事件或情況發生的實例和所述事件或情況未發生的實例。在本說明的通篇描述和權利要求中，詞匯“包括”以及該詞匯的變化(如動詞進行 時形式和動詞單數形式)表示“包含但不限于”，而無意排除例如，其他附加項、部件、整體或步驟。“示范”表示“其示例”，并且無意表達優選或理想實施例的指示。“如”并非基于限制意義上來使用，而是出于解釋的目的。所公開的是能夠用于執行所公開的方法和系統的部件。本文公開了這些和其他部件，并且要理解的是，當公開這些部件的組合、子集、交互、分組等而可能未顯性地公開它們的多種個體和集合性組合和排列的每一種的特定引述時，它們每一個在本文中是針對所有方法和系統確切地設想和描述的。這對于本申請的所有方面均適用，包括但不限于所公開的方法中的步驟。因此，如果存在能夠執行的多種附加步驟，則理解為這些附加步驟的每個步驟可以與所公開的方法的任何特定實施例或實施例的組合一起執行。參考下文優選實施例的詳細描述以及本文包括的示例和附圖及其前文和下文描述，可以更容易地理解本發明方法和系統。正如本文描述的，本文所述的本發明的實施例提供一種磁傳感器接口，其能夠動態調整信號調節，以便對于給定目標在其整個速度范圍(0-最大值rpm)上，保持輸入信號的真實正峰值和負峰值，由此增加低速時的信噪比并避免高速時的削波或失真。磁傳感器輸出電壓可能相對于通過目標的速度極大地變化(例如，IOmVp-p至200Vp-p)。如果通過目標高速通過時的相同輸出精度來監視低速通過的目標的傳感器輸出，此特性會造成難題。慢速信號需要增益來提高信噪比，而高速信號必須進行衰減以避免因電路極限導致的削波或失真。因此，本文描述的實施例的技術效果是，提供了一種通過磁傳感器監視某給定目標在其整個速度范圍(0-最大值rpm)上的性能/行為的方式。本發明的實施例允許從先前難以與噪聲分離的低振幅信號中捕獲信號內容。由于動態縮放，一些實施例還提供了在寬的目標速度及其對應的信號振幅范圍上實現更好信噪比的機會。本文描述的系統和方法提供一種磁傳感器接口電路，其能夠動態調整信號調節，以便保持輸入信號的真實正峰值和負峰值。在一個方面中，該接口從磁傳感器接受差分電壓。將差分電壓轉換成單端電壓信號和進行衰減(如果需要)以避免信號削波。相對于信噪比縮放(增益或衰減)衰減的單端電壓信號而不使信號波形削波或改變。在一個方面中，縮放(增益或衰減)衰減的單端電壓信號來提高信號波形的信號比噪聲或使其最大化。在一個方面中，通過數字處理器或現場可編程門陣列(FPGA)內的算法來選擇增益或衰減，其通過模數轉換器(ADC)來持續地監視輸入信號。該ADC提供跨過磁傳感器觸點發覺的模擬電壓的數字表示。ADC從本文描述的縮放的衰減的單端電壓接收其輸入。這提供一反饋回路，該反饋回路允許本發明的實施例檢測削波或信號改變的發生并調整縮放來確保此情況不會出現。圖I是本發明的一個實施例的概略框圖。傳感器102檢測到接近傳感器102通過的目標104。正如本文所描述的，在一個方面中，傳感器102可以是無源磁或磁阻傳感器，如本領域普通技術人員所知道的。在一個方面中，目標104通過傳感器102附近，因此由傳感器102產生電壓脈沖或信號。在另一個方面中，傳感器102 移動通過目標104，并產生電壓信號。傳感器102產生的電壓信號與多種因素相關聯,包括目標104的材料、目標104的幾何形狀或形狀、目標104與傳感器102之間的間隙尺寸和目標104通過傳感器102 (或傳感器102通過目標104)的速度。在一個方面中，該電壓信號是交流差分電壓脈沖(即，未參考地或任何其他公共點)。在一個方面中，電壓信號可以是圍繞水平(零)軸對稱的或非對稱的。隨著目標104逼近傳感器120，移到傳感器120下方并通過傳感器120 (或傳感器120逼近并移動通過目標104)，交流電壓信號的振幅隨時間而變化。在一個方面中，該交流電壓信號是正弦波。在一個方面中，該交流電壓信號不是符號波(sign wave)。在一個方面中，傳感器102是如可從多個不同制造商之一得到的無源磁傳感器。在一個方面中，傳感器102可以是如可從Al-Tek Instruments有限公司(Cheshire, CT)得到的無源磁傳感器或可變磁阻傳感器。在一個方面中，傳感器102可以是Al-Tel型號70085-1010的無源磁傳感器。目標104可以是多種設備。在一個方面中，目標104可以是渦輪的葉片，渦輪如蒸汽渦輪、燃氣渦輪等。在一個方面中，目標104可以是壓縮機的葉片，壓縮機如使用在燃氣渦輪中的壓縮機等。在一個方面中，目標104可以是齒輪齒。在一個方面中，傳感器102產生的交流差分電壓信號被電路106接收。在一個方面中，電路106接收交流差分電壓信號，并將交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號(即，參考地或另一個公共點)。在一個方面中，電路106根據交流差分電壓信號的峰間值來衰減或增益交流差分電壓信號。在一個方面中，電路106按固定的量衰減交流差分電壓(即，將交流差分電壓信號的峰間值恒定地按10%、15%、20%等降低)。在一個方面中，電路106通過按固定的量衰減交流差分電壓信號以使衰減的單端電壓信號小于或等于最大衰減的電壓來將交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號。在一個方面中，電路106通過將交流差分電壓信號乘以最大衰減的電壓與交流差分電壓信號的最大峰間值之比來將交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號。在一個方面中，交流差分電壓信號的最大峰間值可以是約250伏特的峰間值，以及衰減的單端電壓信號的最大衰減的電壓可以是約30伏特的峰間值。在一個方面中，電路106包括電阻分壓器202和具有單端輸出的運算放大器204，如圖2所示。圖2是根據本發明的一個方面的，能夠用于將交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號的電路106的實施例的示意圖。在一個方面中，將交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號包括，使用電阻分壓器202將交流差分電壓信號分壓，并將差分輸入提供到具有單端輸出的運算放大器204。在一個非限制性示例中，電阻分壓器202可以由具有如下值的電阻器組成R142 = 4. 99千歐姆，R143 = 4. 99千歐姆，R144=3. 01千歐姆，R145 = 121千歐姆和R146= 121千歐姆。而且在一個非限制性示例中，具有單端輸出的運算放大器電路204可以由具有如下值的電阻器和電容器組成R147 = 49. 9千歐姆，R148 = 49. 9千歐姆，R284 = 2. O千歐姆，C103 = 5. 6皮法和C104 = 5. 6皮法。圖2的電路作為一個非限制性示例來提供，并且要意識到，可以使用其他電路來執行相同的功倉泛。轉到圖I所示，通過將衰減的單端電壓信號乘以縮放因子來動態縮放衰減的單端電壓信號。在一個方面中，該縮放因子相對于縮放的衰減的單端電壓信號的信噪比來選擇。在一個方面中，該縮放因子選為提高信號波形的信號比噪聲或使其最大化。在一個方面中，電路106將該衰減的單端電壓信號提供到第二電路108。第二電路108動態縮放衰減的單端電壓信號。在一個方面中，與第二電路108關聯的現場可編程門陣列(FPGA)或數字處理器110自動將縮放因子設置成使縮放因子乘以衰減的單端電壓信號的積小于或等于最大輸入信號電壓。在一個方面中，該最大輸入信號電壓可以是約6. 5伏特的峰間值。在一個方面中，與第二電路108關聯的FPGA或數字處理器110根據一算法來自動地設置縮放因子。在一個方面中，該算法包括FPGA或數字處理器110接收傳感器102產生的交流差分電壓信號的數字輸入表示，并與此輸入成比例地縮放衰減的單端電壓信號。在一個方面中，該數字輸入包括由模數轉換器(ADC) 112轉換成數字信號的、第二電路108的縮放的輸出。在一個方面中，如果對FPGA或數字處理器110的數字輸入低于一較低的定義值Valuq，則縮放因子 大于1，并將衰減的單端電壓信號放大以便增加其信噪比。在一個方面中，如果對FPGA或數字處理器110的數字輸入等于較低的定義值Valuq、較高的定義值Valueu、或介于較低的定義值Valuq和較高的定義值Valueu之間，則縮放因子為1，并且既不放大也不衰減該衰減的單端電壓信號。在一個方面中，如果對FPGA或數字處理器110的數字輸入大于較高的定義值Valueu，則縮放因子小于1，并進一步地將衰減的單端電壓信號衰減以避免信號的削波或失真。在一個方面中，可以將電路108的輸出114提供到監視系統，如渦輪健康監視系統、壓縮機健康監視系統或類似的葉片健康監視系統。在一個方面中，輸出114具有可以與最大輸入電壓電平相同或比最大輸入電壓電平小的值。在一個方面中，監視系統的工作特性和規范可以確定最大輸入電壓信號的值。在一個方面中，ADC 112的工作特性和規范可以確定最大輸入電壓信號的值。現在參考圖I和圖3，在一個方面中，第二電路108動態縮放衰減的單端電壓信號包括第二電路108使用縮放運算放大器電路304動態縮放該衰減的單端電壓信號，該縮放運算放大器電路304具有由FPGA或數字處理器110控制的數字電位器302。FPGA或數字處理器110向數字電位器302提供根據上述算法動態縮放衰減的單端電壓信號的輸入。在一個方面中，FPGA或數字處理器110通過以下方式縮放衰減的單端電壓信號從ADC 112接收衰減的單端電壓信號的數字表示，并自動地調整數字電位器302，以使縮放因子乘以該衰減的單端電壓電平小于或等于最大輸入信號電壓。在一個方面中，縮放因子是I或更大，例如I. 0,1. 1、1. 2,2. 0,2. 5,10. 0等。在另一個方面中，縮放因子小于1，例如0. 95,0. 90、0. 5,0. 33,0. 10,0. 01 等。圖3是根據本發明的一個方面的，能夠用于動態縮放衰減的單端電壓信號的電路108的實施例的示意圖。在一個方面中，動態縮放衰減的單端電壓信號包括，FPGA或處理器110根據上述算法自動調整數字電位器302，以使縮放運算放大器電路304的輸出具有提高的信噪比并且不致高到產生信號的削波或失真。在一個方面中，使輸出的信噪比最大化。在一個方面中，將數字電位器302的輸出用作到縮放運算放大器電路304的輸入，以提供縮放運算放大器電路304的輸出的動態縮放。在非限制性示例中，數字電位器302還可以包括具有I微法值的電容器C124。而且在一個非限制性示例中，縮放運算放大器電路304可以由具有如下值的電阻器和電容器組成R173 = 49. 9千歐姆，R174 = 20. 0千歐姆，R175 =10. 0千歐姆，R165 = 4. 99千歐姆和C121 = 5.6皮法。在一個方面中，數字電位器302可以是可從例如Analog Devices有限公司(Norwood,MA)得到的單通道1024數位(position)的數字電位器。在一個方面中，數字電位器302可以是Analog Devices有限公司的模型AD5293數字電位器。圖3的電路作為一個非限制示例來提供，同時要意識到，可以使用其他電路來執行相同的功能。現在參考圖4，其中圖示可被采用以提供動態自動增益控制用于磁傳感器的操作。在步驟402處，從傳感器接收交流差分電壓信號。在一個方面中，該傳感器是無源磁傳感器。在一個方面中，該傳感器是可變磁阻傳感器。該交流差分電壓信號具有隨時間變化的振幅。例如，如果該傳感器正在監視渦輪的一級葉片，則來自該傳感器的交流差分電壓信號的振幅隨著機器從0每分鐘轉數變速到工作速度(例如，3600rpm)而增加。這是因為傳感器、產生的交流差分電壓信號與目標的材料成分、傳感器與目標之間的間隙和目標通過傳感器(或傳感器通過目標)的速度相關聯。在一個方面中，該目標是渦輪葉片。在步驟404處，將該交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號。在一個方面中，該交流差分電壓信號具有最大峰間值，以及將該交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號包括將該交流差分電壓信號乘以最大衰減的電壓與最大峰間值之比。在一個方面中，該交流差分電壓信號的最大峰間值可以是約250伏特的峰間值，以及衰減的單端電壓信號的最大衰減的電壓可以是約30伏特的峰間值。在一個方面中，將交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號包括通過按固定的量衰減該交流差分電壓信號，以使該衰減的單端電壓信號小于或等于最大衰減的電壓。在一個方面中，將該交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號包括，使用電阻分壓器將該交流差分電壓信號分壓，并將差分輸入提供到具有單端輸出的運算放大器。在步驟406處，通過將衰減的單端電壓信號乘以縮放因子來動態縮放該單端電壓信號。在一個方面中，該縮放系數選擇為最大化縮放的衰減的單端電壓信號的信噪比。在一個方面中，通過將衰減的單端電壓信號乘以縮放因子來動態縮放衰減的單端電壓信號包括，將縮放因子選為使該縮放因子乘以衰減的單端電壓信號的積小于或等于最大輸入信號電壓，正如本文所描述的。在一個方面中，該最大輸入信號電壓可以是約6. 5伏特的峰間值。在一個方面中，通過將衰減的單端電壓電平乘以縮放因子來動態縮放衰減的單端電壓信號包括，使用縮放運算放大器電路來動態縮放該衰減的單端電壓信號，該縮放運算放大器電路具有由現場可編程門陣列(FPGA)或數字處理器控制的數字電位器。在一個方面中，FPGA或數字處理器通過以下步驟動態縮放衰減的單端電壓信號接收衰減的單端電壓信號的數字表示，并調整數字電位器，以使縮放因子乘以該衰減的單端電壓電平小于或等于最大輸入信號電壓。在一個方面中，縮放因子是I或更大，例如I. 0、1. 1、1. 2、2. 0、2. 5、10. 0等。在另一個方面中，縮放因子小于1，例如0. 95,0. 90,0. 5,0. 33,0. 10,0. 01等。上文的系統描述為由多個單元(例如，FPGA或數字處理器110等)組成。本領域技術人員將意識到，這是功能描述，并且軟件、硬件或軟件與硬件的組合能夠執行相應的功能。如FPGA或處理器110的單元可以是軟件、硬件或軟件與硬件的組合。這些單元可以包括如圖5所示且在下文描述的數字電位器控制軟件。在一個示范方面中，這些單元可以包括如圖5所示且在下文描述的計算機501。在ー個方面中，計算機501的處理器503可以用于執行計算機可執行代碼中實施的上文描述的算法并控制數字電位器302，正如本文所描述的。圖5是圖示用于執行所公開的方法的示范操作環境的框圖。此示范操作環境僅是操作環境的示例，并且無意就有關操作環境體系結構的使用或功能性范圍提出任何限制。該操作環境不應解釋為具有與示范操作環境中圖示的任何一個部件或部件的組合相關聯的任何從屬性或要求。本發明的方法和系統可以結合多種其他通用或專用計算系統環境或配置來工作。能夠適于與這些系統和方法一起使用的公知計算系統、環境和/或配置的示例包括，但不限于，嵌入式處理單元、個人計算機、服務器計算機、膝上型設備和多處理器系統。附加 的示例包括，機器監視系統、可編程消費電子產品、網絡PC、微計算機、主機計算機、智能儀表、智能電網部件、包括上文的系統或設備、FPGA等的任何ー個的分布式計算環境。所公開的方法和系統的處理可以由軟件部件來執行。所公開的系統和方法可以是在一個或多個計算機或其他設備執行的如程序模塊的計算機可執行指令的一般語境中描述的。一般地，程序模塊包括，執行具體任務或實現具體抽象數據類型的計算機代碼、例行程序、程序、對象、部件和數據結構等。還可以在通過經由通信網絡鏈接的遠程處理設備來執行任務的、基于電網和分布式的計算環境中實踐所公開的方法。在分布式計算環境中，可以將程序模塊置于包括存儲器存儲設備的本地和遠程計算機存儲媒體中。而且，本領域技術人員將意識到，本文公開的系統和方法可以通過計算機501形式的通用計算設備來實現。計算機501的部件可以包括但不限于，一個或多個處理器或處理單元503、系統存儲器512和將包括處理器503的多種系統部件耦合到系統存儲器512的系統總線513。在多個處理単元503的情況中，系統可以利用并行計算。系統總線513表示多種可能類型的總線結構的其中ー種或多種，包括存儲器總線或存儲器控制器、外設總線、加速圖形端ロ、以及使用多種總線體系結構的任ー種的處理器或本地總線。作為舉例，此類體系結構可以包括エ業標準體系結構(ISA)總線、微通道體系結構(MCA)總線、增強的ISA(EISA)總線、視頻電子產品標準協會(VESA)本地總線、加速圖形端ロ(AGP)總線、以及外設部件互連(PCI)、PCI-Express總線、個人計算機存儲卡エ業協會(PCMCIA)、通用串行總線(USB)等。還可以在有線或無線網絡連接上實現總線513以及本文描述中指定的所有總線，并且可以將包括處理器503、海量存儲設備504、操作系統505、數字電位器控制軟件306、控制算法數據307 (例如，Valuq和Valueu的值、增益或衰減設置等)、網絡適配器508、系統存儲器512、輸入/輸出接ロ 510、顯示適配器509、顯示設備511以及人機接ロ 502的子系統中的每ー個包含在位于物理上分開的位置處且通過此形式的總線連接的ー個或多個遠程計算設備或客戶端514a、514b、514c內，從而實質上實現完全分布式系統或分布式體系結構。計算機501通常包括多種計算機可讀介質。示范可讀介質可以是非暫時性的且可被計算機501訪問的任何可用的介質，以及包括例如但不限于，易失性和非易失性介質、可移動和不可移動介質。系統存儲器512包括易失性存儲器(如隨機存取存儲器(RAM))和/或非易失性存儲器(如只讀存儲器(ROM))形式的計算機可讀介質。系統存儲器512通常包含立即可被處理單元503訪問和/或當前操作的，如控制算法數據507的數據和/或如操作系統505和數字電位器控制軟件506的程序模塊。在另ー個方面中，計算機501還可以包括其他非暫時性、可移動/不可移動、易失性/非易失性計算機存儲介質。作為舉例，圖5圖示海量存儲設備504，其能夠提供對計算機代碼、計算機可讀指令、數據結構、程序模塊和用于計算機501的其他數據的非易失性存儲。例如且不意味著限制，海量存儲設備5 04可以是硬盤、可移動磁盤、可移動光盤、磁帶盒或其他磁存儲設備、閃存卡、CD-ROM、數字多功能盤(DVD)或其他光存儲設備、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)等。可選地，可以將任何數量的程序模塊存儲在海量存儲器設備504上，作為舉例包括，操作系統505和數字電位器控制軟件506。操作系統505和相關軟件506 (或其某個組合)的每ー個可以包括編程的元件和數字電位器控制軟件506。還可以將控制算法數據507存儲在海量存儲設備504上。可以將控制算法數據507存儲在本領域中公知的ー個或多個數據庫的任何一個中。此類數據庫的示例包括DB2 、Microsoft Access、Microsoft SQL Server、0racle 、mySQL、PostgreSQL等。可以將這些數據庫集中布置或分布在多個系統上。在另ー個方面中，用戶可以經由輸入設備(未示出)將命令和信息輸入到計算機501。此類輸入設備的示例包括但不限于，鍵盤、指向設備(例如，“鼠標”)、麥克風、游戲桿、掃描儀、諸如手套以及其他身體覆蓋物的觸覺輸入設備等。這些和其他輸入設備可以經由耦合到系統總線513的人機接ロ 502連接到處理單元503，但是還可以通過其他接口和總線結構來連接，如并行端ロ、游戲端ロ、IEEE 1394端ロ(也稱為火線端ロ)、串行端ロ或通用串行總線(USB)。在又ー個方面中，顯示設備511還可以經由接ロ(如顯示適配器509)連接到系統總線513。可設想計算機501可以具有多于ー個顯示適配器509，以及計算機501可以具有多于ー個顯示設備511。例如，顯示設備可以是監視器、LCD(液晶顯示器)或投影機。除了顯不設備511タト,其他輸出外圍設備可以包括如揚聲器(未不出)和打印機(未不出)的部件，這些部件可以經由輸入/輸出接ロ 510連接到計算機501。可以采用任何形式將這些方法的任何步驟和/或結果輸出到輸出設備。此類輸出可以是任何形式的可視表示，包括但不限于，文字、圖形、動畫、音頻、觸覺等。計算機501可以使用至ー個或多個遠程計算設備或客戶端514a、514b、514c的邏輯連接而在聯網環境中工作。作為舉例，遠程計算設備514可以是個人計算機、便攜式計算機、服務器、路由器、網絡計算機、智能儀表、供應商或制造商的計算設備、智能電網部件、對等設備或其他公共網絡節點等。計算機501與遠程計算設備或客戶端514a、514b、514c之間的邏輯連接可以經由局域網(LAN)和通用廣域網(WAN)來實現。此類網絡連接可以經由網絡適配器508。網絡適配器508可以在有線和無線環境中實現。此類聯網環境在辦公室、企業范圍的計算機網絡、內聯網和如因特網的其他網絡515中是常規且常見的。出于圖示目的，其中將應用程序和如操作系統505的其他可執行程序部件圖示為離散的塊，但是認識到，此類程序和部件在多個不同時間駐留在計算設備501的不同存儲部件中，并且由該計算機的數據處理器來執行。可以將數字電位器控制軟件506的實現存儲在某種形式的計算機可讀介質上或在其上傳送。可以由計算機可讀介質上包含的計算機可讀指令來執行任何公開的這些方法。計算機可讀介質可以是可被計算機訪問的任何可用介質。作為舉例而不意味著限制，計算機可讀介質可以包括“計算機存儲介質”和“通信介質”。“計算機存儲介質”包括以任何方法或技術實現用于存儲如計算機可讀指令、數據結構、程序模塊或其他數據的信息的易失性和非易失性、可移動和不可移動介質。示范性計算機存儲介質包括但不限于，RAM、ROM、EEPR0M、閃存存儲器或其他存儲器技術、CD-ROM、數字多功能盤(DVD)或其他光存儲、磁帶盒、磁帶、磁盤存儲或其他磁存儲設備、或能夠用于存儲期望的信息且能夠被計算機訪問的任何其他介質。這些方法和系統可以采用人工智能技術，如機器學習和迭代學習。此類技術的示例包括但不限于，專家系統、基于案例的推理、貝葉斯網絡、基于行為的Al、神經網絡、模糊系統、進化計算(例如，基因算法)、群體智能(例如，蟻群算法)和混合智能系統(例如，由統計學習通過神經網絡或生產規則生成的專家推論規則)。下文示例是為向本領域普通技術人員提供可以如何實施和評估本文要求權利的 系統、產品、設備和/或方法的完整公開和描述而闡述的，這些示例g在單純舉例，而無意限制這些方法和系統的范圍。已盡力確保有關數字的精確度，但是應該將ー些誤差和偏差納入考慮。在一個示范性非限制應用中，可以將本發明的實施例用在渦輪葉片監視系統中，盡管可設想本發明范圍內的其他用途。例如，本文描述的傳感器102可以用于檢測燃氣渦輪的ー級中渦輪葉片的到達時間(TOA)中的變化。TOA中的變化可以是葉片故障的指示。エ業燃氣渦輪存在導致轉子的完全損毀的壓縮機葉片“解體”事件的難題。這些事件由始發于葉片中并擴散直到發生最終斷裂的疲勞裂紋導致。解體的葉片常常導致對轉子的重大損壞。為了在災變故障之前檢測到此問題，設計了葉片監視系統來檢測エ業燃氣渦輪引擎的壓縮機級中正在擴大的裂紋，該葉片監視系統計算并存儲葉片到達時間(TOA)數據。葉片通過測量的基本原理包括利用以下步驟建立時間參考使用每轉一次(keyphasor)換能器,然后對于成行的姆個葉片，隨著該葉片移動通過葉片通過檢測換能器測量該葉片的到達時間(TOA)。分析TOA的動態和靜態變化以檢測可能指示裂紋存在的葉片共振頻率中的偏移和/或靜態偏斜。因為傳感器隨著機器從0變速到全速(機器全速時葉片末端速度可能超過音速)遍歷一定范圍的電壓，所以需要在變速過程期間縮放(即，放大或衰減)傳感器輸出，以便在較低電壓處提高信噪比以及在高電壓電平處避免失真處的削波。這使得傳感器輸出能夠用于執行TOA計算以便監視渦輪葉片健康。因此，可以使用本文描述的系統和方法的實施例來滿足這些需求。正如上文描述以及本領域技術人員將意識到的，本發明的多個實施例可以配置為系統、方法或計算機程序產品。相應地，本發明的多個實施例可以由包括完全的硬件、完全的軟件或軟件與硬件的任何組合的多種方式組成。而且，本發明的多個實施例可以采用計算機可讀存儲介質上的計算機程序產品的形式，該計算機可讀存儲介質具有包含在該存儲介質中的計算機可讀程序指令(例如，計算機軟件)。可以利用任何適合的非暫時性計算機可讀存儲介質，包括硬盤、CD-ROM、光存儲設備或磁存儲設備。上文參考方法、設備(即，系統)和計算機程序產品的框圖和流程示來描述了本發明的實施例。將理解，可以分別通過包括計算機程序指令的多種方式實現框圖和流程示的每個框和框圖和流程圖中的框的組合。可以將這些計算機程序指令加載到通用計算機、專用計算機或其他可編程數據處理設備(如上文參考圖5論述的一個或多個處理器503)上來制成機器，以使該計算機或其他可編程數據處理設備上執行的指令構成用于實現一個或多個流程圖框中指定的功能的方式。這些計算機程序指令還可以存儲在能夠引導計算機或其他可編程數據處理設備(例如，圖5的一個或多個處理器503)以具體方式實現功能的計算機可讀存儲器中，以便存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包含實現ー個或多個框中指定的功能的計算機可讀指令的制造產品。還可以將這些計算機程序指令加載到計算機或其他可編程數據處理設備上，以使一系列操作步驟在該計算機或其他可編程設備上執行以產生計算機實現的過程，以便該計算機或其他可編程設備上執行的這些指令提供用于實現ー個或多個流程圖框中指定的功能的步驟。相應地，框圖和流程示的框支持用于執行指定功能的方式的組合、用于執行指定的功能的步驟的組合以及用于執行指定的功能的程序指令方式。還將理解，框圖和流 程示的每個框以及框圖和流程示中框的組合可以由執行指定的功能或步驟的基于專用硬件的計算機系統或專用硬件和計算機指令的組合來實現。除非另外明確指出，否則絕對無意認為本文闡述的任何方法要求應解釋為以特定的次序來執行其步驟。相應地，在方法權利要求未確切地引述其步驟要遵循的次序或在權利要求或描述中未另行確切地說明這些步驟應限于特定次序的情況下，在任何方面中，均絕對無意推定次序。這對于解釋的任何可能非明示基礎是成立的，包括有關步驟或操作流的布置的邏輯事項；由語法組織或標點推導的明文含義；說明書中描述的實施例的數量或類型。在本說明書通篇中，可能引述多個發明公布。這些發明公布的整體公開在此通過引用并入本申請，以便更充分地描述這些方法和系統所涉及的現有技術的狀態。獲益于前文描述和關聯的附圖中呈示的教導的本發明的這些實施例涉及的本領域技術人員將想到本文闡述的本發明的許多修改和其他實施例。因此，要理解本發明不應局限于所公開的特定實施例，并且修改和其他實施例意在包含于所附權利要求的范圍內。而且，雖然前文描述和關聯的附圖在元件和/或功能的某些示范組合的上下文中描述示范性實施例，但是應該意識到，在不背離所附權利要求范圍的前提下可以由備選實施例提供元件和/或功能的不同組合。就此而言，例如，與上文明確地描述的那些的元件和/或功能的不同組合也視為可能在ー些所附權利要求中予以闡述。雖然本文采用特定的術語，但是這些術語僅在通用和描述性意義上來使用而非出于限定的目的。部件列表
附圖標記描述102傳感器
104目標
權利要求
1.一種方法，包括 從傳感器(102)接收交流差分電壓信號，其中所述交流差分電壓信號具有隨時間變化的振幅； 將所述交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號； 通過將所述衰減的單端電壓信號乘以縮放系數來動態縮放所述衰減的單端電壓信號，其中選擇所述縮放系數，以最大化所縮放的衰減的單端電壓信號的信噪比。
2.如權利要求I所述的方法，其中，將所述交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號包括使用電阻分壓器(202)將所述交流差分電壓信號分壓，并將差分輸入提供到具有單端輸出的運算放大器(204)。
3.如權利要求I至2中任一項所述的方法，其中，從傳感器(102)接收所述交流差分電壓信號包括從可變磁阻傳感器接收所述交流差分電壓信號。
4.如權利要求3所述的方法，其中，所述可變磁阻傳感器產生的所述交流差分電壓信號與目標(104)的材料成分、所述傳感器(102)與所述目標(104)之間的間隙、以及所述目標(104)通過所述傳感器(102)的速度相關聯。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述目標是渦輪葉片。
6.一種系統,包括 傳感器(102)，其配置成產生具有隨時間變化的振幅的交流差分電壓信號； 第一電路(106)，其中所述第一電路(106)接收所述交流差分電壓信號，并將所述交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號； 第二電路(108)，其中所述第二電路(108)通過將所述衰減的單端電壓信號乘以縮放系數來動態縮放所述衰減的單端電壓信號，其中選擇所述縮放系數，以最大化所縮放的衰減的單端電壓信號的信噪比。
7.如權利要求6所述的系統，其中，所述第二電路(108)通過將所述衰減的單端電壓信號乘以縮放因子來動態縮放所述衰減的單端電壓信號包括與所述第二電路(108)關聯的現場可編程門陣列(FPGA)或數字處理器(110)自動將所述縮放因子設置成使所述縮放因子乘以所述衰減的單端電壓信號的積小于或等于最大輸入信號電壓。
8.如權利要求7所述的系統，其中，所述第二電路(108)通過將所述衰減的單端電壓電平乘以所述縮放系數來動態縮放所述衰減的單端電壓信號包括所述第二電路(108)使用縮放運算放大器電路(304)來動態所述衰減的單端電壓信號，所述縮放運算放大器電路(304)具有由所述FPGA或數字處理器(110)控制的數字電位器(302)。
9.如權利要求8所述的系統，其中，所述FPGA或數字處理器(110)通過以下方式縮放所述衰減的單端電壓信號從模數轉換器(ADC) (112)接收所述衰減的單端電壓信號的數字表示，并自動調整所述數字電位器(302)，以使所述縮放系數乘以所述衰減的單端電壓電平小于或等于所述最大輸入信號電壓。
10.如權利要求6所述的系統，其中，所述第一電路(106)包括電阻分壓器(202)和具有單端輸出的運算放大器(204)，以及將所述交流差分電壓信號轉換成衰減的單端電壓信號包括使用所述電阻分壓器(202)將所述交流差分電壓信號分壓，并將差分輸入提供到具有單端輸出的所述運算放大器(204)。
全文摘要
本發明名稱為“具有動態自動增益控制的傳感器接口的方法和系統”。本文描述的本發明的實施例提供一種磁傳感器接口，其能夠動態調整信號調節，以便對于某給定目標在其整個速度范圍(0-最大值rpm)上保持輸入信號的真實正峰值和負峰值，由此增加低速時的信噪比并避免高速時的削波或失真。在一個方面中，一種方法包括從傳感器(102)接收交流差分電壓信號。該交流差分電壓信號具有隨時間變化的振幅。將該交流差分電壓信號轉換成能夠動態縮放的衰減的單端電壓信號。可以通過將衰減的單端電壓信號乘以縮放因子來縮放衰減的單端電壓信號。選擇該縮放因子，以最大化縮放的衰減的單端電壓信號的信噪比。
文檔編號H03H11/06GK102739193SQ201210053630
公開日2012年10月17日 申請日期2012年2月23日 優先權日2011年2月23日
發明者B·德布, D·Z·阿巴維, J·M·羅伊蘭斯 申請人:通用電氣公司