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耦合剂以及耦合剂、换能器和结构部件的组合单元

阅读：280发布：2022-03-11

专利汇可以提供耦合剂以及耦合剂、换能器和结构部件的组合单元专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种耦合剂(10)以及一种耦合剂(10)、换能器(14)和结构部件(16)的组合单元。耦合剂(10)被适配成将换能器(14)耦合到结构部件(16)的表面。耦合剂(10)包括质量分数为基本上36％至40％的硬金属(12)。，下面是耦合剂以及耦合剂、换能器和结构部件的组合单元专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种换能器（14）、结构部件（16）和耦合剂（10）的组合单元，所述换能器（14）用位于所述结构部件（16）的表面与所述换能器（14）之间的所述耦合剂（10）安装到所述结构部件（16），其中所述耦合剂（10）包括质量分数为36%至40%的硬金属（12），所述结构部件（16）是比所述耦合剂（10）内的硬金属硬度低的材料部件。
2.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述换能器（14）对应于声发射传感器。
3.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述换能器（14）用所述耦合剂（10）胶合到所述结构部件（16）。
4.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述换能器（14）具有平坦的换能器面或指向所述结构部件（16）的圆形的换能器面。
5.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述换能器（14）被适配成测量1kHz至
1MHz范围内的振荡。
6.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述结构部件（16）对应于轴承、滚动轴承或轴承壳体。
7.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述结构部件（16）为铸造的结构部件（16）。
8.如权利要求1所述的组合单元，所述耦合剂（10）被适配成以能够从所述换能器（14）的输出信号检测出滚动轴承的振荡的方式将所述换能器（14）耦合到与所述滚动轴承对应的结构部件（16）。
9.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述质量分数为37%-39%。
10.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述硬金属（12）的部分包括钨、碳化钨、氮化钛、碳化钛、碳氮化钛、氮化铝钛、碳化钽、钴和钼的组中的至少一者或组合。
11.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述耦合剂（10）包括脂或水基凝胶。
12.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述耦合剂（10）包括固化材料。
13.如权利要求12所述的组合单元，其特征在于，所述固化材料包括密封化合物。
14.如权利要求12所述的组合单元，其特征在于，所述固化材料在固化时的硬度在75至
95肖氏D级硬度之间。
15.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述换能器（14）被适配成测量10kHz至
750kHz范围内的振荡。
16.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述换能器（14）被适配成测量500Hz至
10kHz范围内的振荡。
17.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述换能器（14）被适配成测量100kHz至500kHz范围内的振荡。
18.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述质量分数为37.5%-38%。
19.如权利要求1所述的组合单元，其特征在于，所述质量分数为37.7%。
20.如权利要求12所述的组合单元，其特征在于，所述固化材料包括树脂。
21.如权利要求12所述的组合单元，其特征在于，所述固化材料包括胶或粘合剂。
22.如权利要求12所述的组合单元，其特征在于，所述固化材料包括环氧树脂、聚氨酯、硅树脂中的至少一者或组合。
23.如权利要求12所述的组合单元，其特征在于，所述固化材料在固化时的硬度在80至
90肖氏D级硬度之间。
24.如权利要求12所述的组合单元，其特征在于，所述固化材料在固化时的硬度在84至
86肖氏D级硬度之间。

说明书全文

耦合剂以及耦合剂、换能器和结构部件的组合单元

技术领域

[0001] 本发明的实施方式涉及机械系统中的结构部件的监测，更特别但不唯一地，涉及机械系统中的换能器(transducer)或传感器的耦合剂(couplant)。

背景技术

[0002] 在机械系统中，部件的监测可能非常重要。例如，滚动轴承可能受到磨损并且当滚动轴承故障时可能会对机械系统造成严重损坏。因此，可以使用换能器或传感器来监测这些部件的劣化。这些传感器可以包括将机械或声振动或振荡转换成电信号的压电元件或半导体。然后可以处理电信号，例如可以执行频率分析，以便检测指示对应的部件的磨损或劣化的频率。例如，滚动轴承在磨损耗尽时可能产生特有振动，一旦检测到该特有振动，则滚动轴承可以指示轴承即将发生故障。然后可以使用该信号产生报警，尤其是在另外的组件将受轴承故障影响时。

[0003] 如上所述的轴承和相应的监测系统的应用非常广泛。例如，任何种类的车辆使用大量的轴承，这些轴承用于支承关键的部件。例如，设想列车，列车的轴使用轴承，当轴承故障时可能会造成严重的事故和损坏。另一种应用例如是电厂，诸如离岸风力发电站。这种发电站的转子的轴承是关键的，尤其是当它们位于离岸时，即，当它们不容易接近时。因此，期望监测这种风力发电站的轴承，以便提早检测到最终故障(eventual failures)在严重损坏发生之前并关闭发电站。钢厂是以上换能器系统的应用的另一个示例。无论在哪里使用轴承来支承动力单元的部件，它们可以是风力发电站的转子、内燃机或输送带的发动机的轴，均期望尽可能快地知道即将发生的故障。

[0004] 文献US 3 663 842A公开了一种超声波探头，其具有实心的、柔性的、弹性的、分级声阻抗的耦合装置，该装置具有精细的几何形状和天然成型的金属和玻璃组分粉末。文献GB 2 109 555 A公开了一种超声换能器，其通过弹性体构件连接到工件，基于从工件内的不均匀部返回的回波的测量通过检测来自位于工件和耦合构件之间的界面的回波来启动。

发明内容

[0005] 实施方式基于以下发现：可以使用声发射换能器来监测结构部件。进一步发现，期望确定监测系统的灵敏度以便评价给出的检测水平是否应引起关注。通常，声发射传感器可以被设计为响应于它们被施加在的表面的法向运动，并且可以被制造为谐振装置以增加特定兴趣的频率范围周围的灵敏度。

[0006] 实施方式还基于以下发现：这种装置的结构组成对于其灵敏度来说是关键的。在一些实施方式中，换能器可以包括具有特定几何形状和机械谐振的压电元件，该压电元件输出电信号。然后可以预放大(pre-amplified)和进一步处理该电信号。进一步处理可以包括模拟数字转换、滤波、变压(transformation)等。实施方式还基于以下发现：换能器的灵敏度进一步受到将该换能器或传感器耦合(coupled)到所讨论的表面所采用的方式的影响。换言之，发现在任何给定情况下，耦合剂的劣质的耦合或不佳的选择可能导致灵敏度大幅下降。因此，还发现该系统的耦合剂是评估系统灵敏度时的不确定性的主要来源。该灵敏度在实验室条件下可能是相当高的水平，然而，当在现场(例如在车辆上或在发电厂中)进行这样的测量时，在整体灵敏度有数量级变化也是屡见不鲜的。

[0007] 还发现耦合剂应当去除换能器或传感器的面与结构部件的对应表面之间的空气。还发现当空气由于两个接触表面的微观结构而被困住时，换能器的灵敏度降低。空气的声阻抗远低于传感器面或试验材料的声阻抗并将在界面处引起相当大的传输损耗。此外，还发现除了具有比空气实质上高的声阻抗之外，耦合层还应当比待测量的信号(例如超声波)的波长薄。

[0008] 实施方式还发现，引入耦合剂的硬金属能够进一步降低换能器和结构部件的表面之间的耦合剂的衰减。通常地，可以在100Hz至500kHz的频率范围内测量声发射。由于高频振荡难以测量，因此传感器和振荡源之间的良好耦合可能是期望的。如果耦合不良，则信号振幅可能减小，这进而可能使得难以解释这些信号。影响因素是传感器几何形状、耦合剂和目标物的表面性能。实施方式可以提供允许将传感器安装到轴承壳体的螺纹，即，允许在传感器的表面与结构部件的表面之间产生一定的力或压力。

[0009] 实施方式提供了一种用于将换能器耦合到结构部件的表面的耦合剂。耦合剂包括质量分数为基本上36％至40％的硬金属。发现硬金属的部分有助于降低换能器与结构部件(诸如轴承的壳体)的表面之间的耦合层的阻抗或衰减。降低衰减允许确定或检测更可靠的信号，并因此可以允许系统更可靠。由此，可以更可靠地检测故障。36％至40％范围内的质量分数可以在换能器与结构部件的表面之间提供特别低的阻抗。可以使总体系统鲁棒性更好。此外，实施方式可以允许更快地检测结构部件的即将发生的故障，使得能够更有效地避免进一步的损坏。

[0010] 实施方式可以提供如下耦合剂：其具有质量分数为基本上37％至39％、37.5％至38％或37.7％的硬金属。换言之，发现耦合剂内的硬金属的质量分数略大于1/3提供了良好的耦合性能。也就是说，当在耦合剂内使用36-40％的硬金属时，能够实现耦合层的低阻抗或低衰减。因此，在一些实施方式中，可以在耦合剂内使用基本上36-40％的硬金属，其中大约37.7％被证明是优选的组分。

[0011] 在实施方式中，硬金属部分可以包括基本上任何的硬金属。例如，硬金属部分包括钨(W)、碳化钨(W2C、WC)、氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)、碳氮化钛(Ti(C)N)、氮化铝钛(TiAlN)、碳化钽(TaC)、钴(Co)和钼(Mo)的组中的至少一者或组合。实施方式可以基于以下发现：这些硬金属可能不是非常有压缩性的，因此该硬金属将声波或振动通过耦合剂弹性地传导到传感器或换能器的表面。因此，还发现尤其是硬金属能够提供低衰减的耦合剂。例如，使用钨粉末的耦合剂与没有钨粉末的相同耦合剂相比可以提供能够减小衰减的优点。

[0012] 在实施方式中，耦合剂还可以包括脂或水基凝胶。这种耦合剂可以用在还具有用于安装换能器或传感器的安装结构(诸如螺纹、孔、加深等)并可以允许封装耦合剂的实施方式中。这种封装还可以用于保护耦合剂免受其它影响，诸如盐水等(例如当用于水下应用或暴露于除冰盐、灰尘和污垢、热、湿等的车辆中时)。因此，在实施方式中，可以将脂或凝胶与硬金属一起用于耦合剂。例如，换能器可以使用螺纹来安装或者换能器可以被螺接。在其它实施方式中，可以使用夹具或支架以便将换能器安装到结构部件。此外，在一些实施方式中，可以使用弹簧以便在换能器表面与结构部件的表面之间提供限定的力。

[0013] 在一些实施方式中，耦合剂可以用于手动测量。换言之，换能器用于对组件进行偶尔的测量，例如出于误差控制和故障诊断目的。在这种情境下，可以使用耦合剂以便在换能器和待检查的组件之间建立声耦合。在本情境下，实施方式能够使得实现更可靠的手动测量。此外，如在传统情境中，必须向用于手动测量的换能器施加高压力或高的力，由于能够利用耦合剂以较小的力实现更好的耦合，因此可以减小该力。

[0014] 在另一实施方式中，耦合剂也可以包括固化材料。在实施方式中，固化材料可以包括树脂、环氧树脂、胶(glue)、聚氨酯(PUR)、硅树脂(silicone)、粘合剂和密封化合物中的至少一者或组合。换言之，实施方式还发现可以使用固化材料(诸如胶等)以便将换能器胶合到结构部件的表面。此外，耦合剂内保持有硬金属，使得能够在材料固化之后保持耦合剂的低衰减特性，即，固化材料可以避免硬金属的分离或者硬金属在耦合剂内的浓度或分布的变化。由此实施方式可提供以下优点：换能器能够被有效地胶合或安装在结构部件的表面上，同时耦合剂内的硬金属确保了声波在结构部件的表面与换能器的表面之间的低衰减或高耦合。因此，实施方式可以提供以下优点：它们利用固化材料与同一耦合剂内的硬金属之间的协同作用(synergy)。

[0015] 在实施方式中，固化材料在固化时的硬度可以在基本上75至95肖氏D级硬度之间、80至90肖氏D级硬度之间或84至86肖氏D级硬度之间。换言之，在实施方式中，可能有利的是，使用固化后硬度在以上限制内的、保持硬金属粉末或颗粒的固化材料，使得实现了改善两个表面的耦合。

[0016] 实施方式还提供了一种换能器、结构部件和根据以上说明的耦合剂的组合单元。换能器用位于结构部件的表面与换能器之间的耦合剂安装到结构部件。在一些实施方式中，换能器可以对应于耦合到结构部件的表面的声发射传感器。如上述，于是耦合剂耦合两个表面。在一些实施方式中，换能器可以利用耦合剂胶合到结构部件。在该实施方式中，能够充分利用提供了将传感器安装或附接于目标物的有效方式的胶与耦合剂内的硬金属之间的协同作用，这允许传感器与表面之间的良好的声耦合。

[0017] 在实施方式中，可以使用不同的换能器形状。例如，换能器可以具有平坦的换能器面或指向结构部件的圆形的换能器面。圆形的换能器面可以对应于球面或部分球面形状。换言之，实施方式还可以充分利用以下发现：换能器的表面形状可以影响耦合。虽然平坦的表面形状可以提供更大的接触面积，但是圆形的换能器面可以使得能够在小面积内得到更高的压力。除了耦合剂和硬金属以外，实施方式还可以使用不同的换能器面形状以便进一步改善耦合。在实施方式中，换能器可以被适配成测量基本上1kHz至1MHz、10kHz至750kHz、
500Hz至10kHz或100kHz至500kHz范围内的振荡。也就是说，在实施方式中，换能器可以被适配成测量声波和超声波。因此实施方式可以提供以下优点：可以在宽的带宽上利用包括硬金属的耦合来实现良好的耦合。在实施方式中，结构部件可以对应于轴承、滚动轴承或轴承壳体。此外，在实施方式中，结构部件可以被包括在车辆(诸如火车、小汽车、巴士)中、动力厂(诸如风力发电站、水下发电站)中、钢制品(steel work)、汽车应用、输送系统中、炼钢厂中、轧钢厂中等等。

[0018] 在一些实施方式中，结构部件可以为铸造的结构部件。换言之，结构部件可以是比耦合剂内的硬金属硬度低的铸铁或其它材料部件。由此实施方式可以提供以下优点：即使是来自较软部件(诸如铸造部件或片等)的振动也能够耦合到传感器。通过在耦合剂内使用固化材料，能够使固化材料与结构部件的表面和材料(诸如铸铁)适配。换言之，实施方式可以提供以下优点：能够使固化材料与结构部件相适配，使得能够优化换能器的机械耦合。此外，能够以改善或者甚至同时优化了声耦合的方式选择硬金属和硬金属自身的部分。

[0019] 在进一步的实施方式中，耦合剂被适配成以能够从换能器的输出信号检测出滚动轴承的振荡的方式将换能器耦合到滚动轴承。换言之，一些实施方式还可以包括电气元件，诸如前置放大器、放大器、滤波器、转换器(converter)、任何处理部件、处理器等，以便确定来自换能器的输出信号的振荡。这种振荡可以受到进一步的信号处理(诸如频率分析、滤波、模拟到数字的转换等)，以便确定滚动轴承是否产生任何可疑振动或振荡。附图说明

[0020] 将使用以下仅为示例的设备和/或方法非限制性实施方式并参照附图说明一些其它特征或方面，在附图中：

[0021] 图1图示出换能器、耦合剂和结构部件的组合单元的实施方式，

[0022] 图2图示出具有相应调整处理的组合单元的另一实施方式。

具体实施方式

[0023] 现将参照附图更详细地说明各种实施方式。在图中，为了清楚起见，线、层和/或区域的厚度可能被放大。

[0024] 因此，虽然实施方式能够具有各种变型和替代形式，但其实施方式通过示例在图中示出并将在此处详细说明。然而，应当理解的是，不意在将实施方式限制到公开的特定形式，而是相反地，实施方式将覆盖落在本发明的范围内的所有变型、等同物和替代方案。

[0025] 在附图说明中，相同的附图标记指代相同或类似的元件。将理解的是，当构件被称为与另一构件“连接”或“连结”时，可以是与另一构件直接连接或连结，或者可以存在中间构件。相比之下，当构件被称为与另一构件“直接连接”或“直接连结”时，则不存在中间构件。其它用于说明构件之间的关系的词应当以相同的方式理解(例如，“在…之间”与“直接位于…之间”相比，“邻接”与“直接邻接”相比，等等)。

[0026] 本文使用的术语仅仅是出于说明特定实施方式的目的并且不意在限制示例实施方式。如本文使用的，单数形式“一个”(“a”、“an”和“the”)也意指包括复数形式，除非上下文另有清楚说明。还将理解的是，当在本文中使用时，术语“包括”(“comprise”、“comprising”、“includes”和/或“including”)表明存在所叙述的特征、个数、步骤、操作、构件和/或部件的存在，而不排除存在或添加一个或多个其它特征、个数、步骤、操作、构件、部件和/或其组合(groups)。

[0027] 除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与实施方式所属领域的技术人员通常理解相同的含义。还将理解的是，术语(例如在常用字典中定义的术语)应当被解释成具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且将不会在理想化或过度形式意义上来解释，除非在本文如此明确地定义。

[0028] 在以下说明中，一些部件将在多个图中带有相同的附图标记地显示，但可以不多次详细说明。于是部件的详细说明可以适用于该部件的所有出现情况。

[0029] 图1图示出了换能器14、结构部件16和耦合剂10的组合单元的实施方式。换能器14用耦合剂10安装到结构部件16，耦合剂10位于结构部件16的表面与换能器14之间。耦合剂10将换能器14耦合到结构部件16的表面。在本实施方式中耦合剂10包括基本上36至40％的钨。换能器14被实现为声发射传感器并通过耦合剂10连接到目标物(target)16。此外，假定目标物表面(即，结构部件16的表面)对于平坦的传感器14，依据耦合剂的性能，具有优选在
0.8μmRa之间或在0.2至1.6μmRa的范围内的粗糙度。如图1所示，在本实施方式中，假定换能器14具有平坦的换能器面。

[0030] 在本实施方式中，耦合剂10包括固化材料。固化材料包括树脂。换言之，传感器14与目标物16之间的连接通过具有大约85肖氏D级硬度(Shore D)的树脂系统10与大于1/3质量分数的钨粉末混合来实现。也就是说，树脂和钨粉末之间的比例小于2:1，例如，1.66:1。树脂可以对应于环氧树脂。环氧树脂使换能器14和结构部件16耦合。换言之，耦合剂10直接耦合到换能器14的表面和结构部件16的表面。按照六西格玛质量过程进行实验设计，其中环氧树脂与钨之比为输入，振幅和频率响应为输出。实验得出以下结论：在500Hz至10kHz通频带内将传感器与金属表面耦合的最佳比率为37.7％。耦合剂可以改变声信号传播的信号阻抗性能。耦合剂还可以使金属与环氧树脂之间以及环氧树脂与传感器之间的接触阻抗(junction impedance)更好地匹配以减少声信号反射的影响。

[0031] 在另一实施方式中，传感器14可以螺纹连接到结构部件16上。在这种情况下，可以使用包括适于硬金属部分的脂或水基凝胶来代替固化材料。图1描绘了换能器14利用耦合剂10胶合到结构部件16的实施方式。放大窗口12示出了耦合剂内的硬金属颗粒或粉末。在本实施方式中，声发射传感器14被适配成测量100kHz与500kHz之间、500Hz与100kHz之间的频率。

[0032] 图2图示出了换能器14、结构部件16和耦合剂10的组合单元的另一实施方式。如图2所示，结构部件16对应于滚动轴承的外圈16，换能器14(又被实现为声发射传感器14)使用耦合剂10胶合到滚动轴承的外圈16。在其它实施方式中，还可以使用耦合剂10将换能器14耦合到轴承壳体或任何其它壳体。该壳体可以对应于铸造的结构部件。在图2所示的实施方式中，耦合剂10被适配成以能够从换能器14的输出信号检测出滚动轴承的振荡的方式使换能器14与滚动轴承16耦合。这在图2中通过另外的组件20、22、24表示。如图2所示，声发射传感器14的输出耦合到具有放大增益g的放大器20。然后在通过微处理器24(μP)进一步处理数字采样之前，通过模拟/数字转换器22(A/D)转换放大器的输出。在本实施方式中，假定由微处理器来执行频率分析，该频率分析查找指示滚动轴承16磨损(即，即将到来的故障)的信号的频率部分。然后将信号的这些频率部分与阈值进行比较，如果其超出阈值，则产生如图2所示的相应的报警信号。

[0033] 实施方式可以提供以下优点：传感器14与目标物16之间的耦合使得在传感器14的输出上产生更好的信号振幅。由此实施方式可以允许使用更小功率和更便宜的放大电子器件。此外，实施方式可以允许更可靠地检测机械系统中的可疑振动或振荡。

[0034] 说明书和附图仅阐述了本发明的原理。因而将理解的是，本领域技术人员将能够设计各种组合单元(这些组合单元尽管没有在本文中明确说明或示出，但实施了本发明的原理并且包括在本发明的范围内)。此外，本文叙述的所有示例明确地主要意在仅仅出于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理和发明人为促进本领域而贡献的概念，并且应被解释为不限于这些具体叙述的示例和条件。此外，本文叙述的本发明的原理、方面和实施方式以及其特定示例的所有陈述意在包含其等同物。

[0035] 本领域技术人员应当理解，本文中的任何框图表示体现本发明的原理的说明性电路的概念视图。类似地，将理解的是，任何流程图、流程表、状态转换表、伪代码等表示基本上可以表示在计算机可读介质中并从而被计算机或处理器执行的各种过程，无论是否明确示出这样的计算机或处理器。

[0036] 附图标记

[0037] 10 耦合剂

[0038] 12 硬金属

[0039] 14 换能器

[0040] 16 结构部件

[0041] 20 放大器

[0042] 22 模拟/数字转换器

[0043] 24 微处理器

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