CN109269689A - 传感式机械部件 - Google Patents

Abstract

一种机械功能部件，包括至少一个传感器，其被配置为将一个或多个物理量值转换为电传感器信号，所述传感器包括直接沉积在机械功能部件上的电活性复合材料和直接沉积在电活性复合材料一部分上的至少一个导电电极。

Description

传感式机械部件

技术领域

本发明涉及为机械部件配备一个或多个传感器，并且更具体地涉及为机械功能部件(例如滚动轴承的一些部分)配备一个或多个传感器及其可选的接口。

背景技术

本发明适用于诸如轴、齿轮、滑动轴承和滚动轴承之类的机械部件。滚动轴承包括内圈、外圈以及安装在这两个圈之间的多个滚动元件或滚动体。这些滚动元件可以是球体、滚子或滚针，通常它们通过保持架保持位置。滚动轴承可以是例如滚珠轴承、滚柱轴承或滚针轴承。

为了在滚动轴承和其他机械功能部件的领域中进行状态监测，已知的是将一个或多个传感器连接到机械部件，从而测量一个或多个物理参数并将这些物理参数转换成电信号。对于状态监测，力和振动都是有意义的。通常应变传感器用于测量力，并且在进一步的信号处理之后还可测量载荷。加速度传感器通常用于测量振动。仍有改进的余地。

发明内容

本发明的目的是限定牢固地整合到一结构的换能器/传感器，所述结构是机械功能部件。

根据本发明，上述目的通过一种组件(传感式组件)来实现，所述组件包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被布置成将一个或多个物理量值转换为电传感信号。所述组件还包括至少一个机械功能部件。所述至少一个机械功能部件具有与所述至少一个机械功能部件的功能有关的一个或多个第一表面区域以及另外还包括一个或多个第二表面区域。根据本发明，所述至少一个传感器包括至少两个层。具有电活性复合材料的第一层直接沉积在一个或多个第二表面区域中的至少一个的全部或部分上。具有至少一个导电电极的第二层直接沉积在电活性复合材料的一部分上。

在至少一个传感器的制造过程中，电活性复合材料适当地经受电极化。优选地，电活性复合材料是液体基体和亚微米或纳米颗粒的混合物。在一些实施例中，液体基体是具有高介电特性的聚氨酯。亚微米或纳米颗粒适合为铁电颗粒，优选是钛酸钡颗粒。适当地，导电电极可以是压阻复合材料，其优选包含导电颗粒的聚合物基体。在一些实施例中，至少一个导电电极被设计为多槽谐振贴片天线(multislot resonating patch antenna)。

根据实际应用和要被监测的一个或多个物理量的部件，机械功能部件可以是轴、齿轮或轴承。如果是轴承，那么机械功能部件可以是滑动轴承的一部分或滚动轴承的一部分。如果其是滑动轴承的一部分，那么该部分可以是外圈或内圈。如果其是滚动轴承的一部分，那么该部分可以是外圈、内圈或保持架。

只要没有将相互矛盾的增强/特征/替代方案相结合，根据上述发明的组件的不同附加增强/特征/替代方案可以以任何期望的方式组合。

本发明的主要目的是提供一种能够将传感器/换能器直接整合或者直接形成到机械功能部件上的手段。根据本发明，通过将电活性复合材料直接沉积/打印到机械功能部件上并且通过将至少一个导电电极直接沉积/打印在电活性复合材料的一部分上，从而形成整合/成为机械功能部件的一部分。

所述解决方案具有经济上和许多技术上的优势。用于应变或振动测量的换能器可以牢固地整合到一结构(机械功能部件)上。该解决方案的这种能力解决了整合问题，并允许在物理现象发生的地方添加换能材料。这样可以提高测量的信噪比，与传统方法(如将传感器粘贴或焊接到元件)相比，具有更高的灵敏度。

由于极化是压电材料的关键，因此可以使用具有极化方向的电极设计来获得传感器特性的改进或形成特定的传感器特性。举例说明这一点，设想一个单一的环形压电层应用于滚动轴承的侧面。导电材料的附加层可以与压电层组合形成振动传感器或应变传感器。可以与电极表面垂直或相切(平行)地施加极化，以便在轴向或径向轴承方向上具有压电系数。

对于载荷传感器的构造，电极适当地相对于轴承的尺寸和滚动元件间隔以空间布置的方式来定位。当一个载荷滚动元件位于一个电极前面时，连续的一个位于两个滚动元件之间。经受载荷的滚动元件下方的电极受到牵引(产生正电荷位移)，而相邻的电极受到挤压(产生负电荷位移)。为了测量应变，用调节模块进行差分，因此效果相加。其他电极设计可以具有不支持不期望的振动模式的周期性的边缘波模式(edge wave pattern)。本文的电极设计提供了空间滤波。

电极也可以被功能化为天线结构。电极可以设计成具有谐振器模式的延迟线。通过使用模式的延迟和共振来获得编码。电极由多个雷达截面背散射体或谐振器制成，当由超宽带(UWB)信号照射时，发射出独特的频率特征。谐振频率取决于单个散射体的等效电路参数。此外，特定散射体结构参数的变化不影响其他谐振频率。通过使用例如智能聚合物材料分别调节传感散射体的谐振特性，获得了具有物理参数感测能力的单个无芯片RFID标签。传感信息以幅值谱和相位谱编码。

基体的选择是关键，因为这种材料提供了颗粒的封装，从而保护环境，具有对钢的粘附性和对外部应力和热膨胀的机械抵抗力。

能形成任何理想的传感器模式的这种能力提供了优势，以优化传感器与被感测元件结构之间的耦合。复合层的低厚度实现非常小的横截面积。因此，非常小的纵向力在材料内部产生很大的应力，灵敏度幅值比传统的传感器(如应变仪)高。复合材料的轻质量和薄的打印轮廓避免了使用与传统仪器相关的额外整合工作，如胶合或制造凹槽以将传感器整合到结构中。复合层还可以覆盖大面积的测量范围，与传统的方向传感器(如加速度计或应变计)相比，提供了更大的测量范围。

传感器模式可以设计并应用于机械能传递到传感器换能器的传输效率最高的部件位置。例如，压电复合材料可以被设计成施加在轴承圈上的圆的一部分，其大小和位置与经受载荷的区域相匹配，从而最大限度地将振动能量从滚动接触件传递到传感器。

智能复合材料附着在结构表面是理想的，因为压电复合材料层是通过打印施加的，并且经历与结构相同的应变，而传统仪器不是这种情况，对于传统的仪器来说，应变通过钎焊部、熔焊部或胶层传递换能器。这也避免了检测过程中的钎焊、熔焊或胶合阶段。温度和应变可以从压电复合材料中提取。

本发明的其他优点将从详细的描述中显现出来。

附图说明

现在将参照以下附图更详细地描述本发明，在没有任何意义上限制目的的情况下参考以下附图，其中，

图1示出了仪器化的滚动轴承，

图2A至图2C示出了根据本发明的仪器化功能机械部件的构成，

图3A和图3B示出了根据本发明的例如仪器化轴承的智能圈的进一步实施例，

图4示出了根据本发明的例如仪器化轴承的智能圈的横截面。

具体实施方式

为了说明本发明的方法和装置，现在将结合图1至图4说明其使用的一些示例。在以下示例中使用滚动轴承来说明本发明及其在机械部件上的实现。本发明可以应用于具有不直接使用的合适表面的任何机械功能部件，例如轴或齿轮。

图1示出了传统的仪器化滚动轴承100，其具有外圈102，滚动元件106，保持架108，内圈104和传感器装置，传感器装置包括至少一个传感器单元110，所述传感器单元110将其输出传送到第一信号处理单元150，所述第一信号处理单元150将其输出传送到某一其他信号处理或监测单元。传感器单元110的换能器(transducer)，例如压电应变传感器，可以直接安装在轴承表面，例如胶合。或者，压电应变传感器可以安装在载体上，载体然后可以通过例如胶合、焊接或某种机械连接而安装到合适的轴承表面上。这对于每个额外的传感器单元都必须重复，因为大多数时候都希望具有多个传感器单元。

本发明是一种智能整合传感系统，它将智能材料(也称为纳米或微米结构功能材料)和任何合适的打印设备(如喷墨、气溶胶喷印、丝网打印或增材制造)的组合，以将智能材料作为衬底分配到机械功能部件的一部分上，以接收普遍的传感功能。因此，传感材料直接应用于机械功能部件。机械功能部件可以是轴承的部件，例如外圈、内圈或保持架，或齿轮，或例如轴。

根据所使用的打印设备(2D或3D)，微米结构材料以油墨或塑料长丝的形状形成，以便在增材制造过程中熔化。

在打印方面，智能材料最初形成为由液体基体和亚微米或纳米颗粒混合而成的电活性复合材料。液体基体是一种具有高介电特性的聚氨酯，并且对预期的基体具有强粘附性。也适合于很好地适应环境限制。亚微米或纳米颗粒是金属氧化物(如TiBaO₃)、碳纳米管等。基体的选择是根据适可打印性标准、与基体类型(钢、复合材料、弹性体)的粘附性和基体与颗粒混合并应用到基体后的目标电活性特性。对于直接耦合以及施加在该复合材料上的规格，提出的一种解决方案是制备基于分散在热塑性聚合物(聚氨酯)基体中的钛酸钡颗粒的复合材料。钛酸钡是一种高d33压电陶瓷，在工业上价格低廉。这种材料的耐温性和压电活性使其成为一种选择。热塑性聚氨酯基体是一种低机械模量的聚合物，其对于较大的变形保持弹性特点，应该指出的是，聚氨酯基体的等级可作为一种断裂伸长率较低但机械刚度较大的材料。另外，聚合物具有对于聚合物来说较高的介电常数(e/e₀＝7)。聚氨酯基体的熔化温度大于130℃。需要注意的是，这种基体易于以不同的方式实施。它也可以溶解在溶剂中，或者通过挤压实现。该基体的低成本机械和热特性使该材料成为对复合材料进行相位测试(phase test)和在预期应用中验证压电效应的理想选择。

电活性特性不仅取决于所使用的各个组分，还取决于它们与基体之间的形态学和界面特征。可以得到几种类型的电活性行为，如导电特性、介电特性和传感器应用的换能特性，如压阻或压电特性。一旦通过打印系统施加到基板上，基体与颗粒的混合比以及基体的特性会影响电活性复合材料的特性和最终的换能特性。

通过控制打印过程和基体特性，可以控制电活性复合材料的最终结构，包括机械阻力、换能特性(包括控制不良影响的敏感性)。打印过程中可能需要额外的操作，如烧结或电极化，以获得复合材料的最终结构，从而获得最终的换能特性。对涂层(电活性复合材料)施加电极极化(poling)，还可以在具有介电性质的涂层上获得压电环能特性。压电系数也在极化阶段确定。因此校准了复合材料。不需要额外的校准步骤。

压电复合材料是响应电刺激而改变其形状的层。这种材料允许感应应变促动和应变传感，这是状态监测和载荷传感所需要的。一方面，感应应变促动是一种固态促动，它具有较少的部件，并且比振动器等传统促动更可靠。这使得传感器促动器系统可以直接整合在结构上，以进行基于模态分析技术或弹性波分析的结构健康监测。另一方面，应变传感是直接的，不需要传统应变计的中间规桥(gauge bridge)。所获得的信号是直接的，并且在动力学和振动方面尤其显着。压电材料的频率响应优于应变计，并且可以通过常规电荷放大器或由于信号电平相对较高而采用简单高阻抗FET缓冲电路来实现低至几分之一赫兹的操作。

通过打印直接将压电复合材料沉积到结构上不同于将压电材料胶合到结构上，因为复合材料通过基体粘附特性与结构牢固地联接，而传统的换能器材料是通过胶水联接，有时还需要特定的位置和在构件上添加沟槽。该复合材料是一种非谐振器件，可以选择性地调谐到多个导波模式，而传统的换能器是单谐振器件。这种薄、轻、廉价的复合材料可以大量应用于大的表面上，而其他传感器技术(如加速度计)则不然，因为它们通常体积庞大且价格昂贵。

由于这种复合材料的压电特性，因此可以将复合材料在薄壁结构中用作导波(兰姆波)的发射器和接收器。压电复合发射器产生的兰姆波穿过结构，被结构边界、不连续部分和损伤部分所反射或衍射。反射波或衍射波到达压电复合接收器，它们在该处被转换成电信号。

根据本发明的打印压电复合材料可形成用于多种不同高带宽功能的基础，例如应力应变传感器、波形激励器/发射器和接收器、谐振器等。高带宽应力应变传感器可用于振动和载荷测量，通过检测低速冲击(例如滚动轴承冲击后的压痕)被动感测损伤产生事件。高带宽波形激励器/发射器和接收器可用于使用脉冲回波、间距捕捉和相控阵方法的主动感测，谐振器可以产生谐振机械振动。

图2A-2C示出了根据本发明的仪器化机械功能部件的组装。图示为滚动轴承200，类似于图1所示的滚动轴承。根据图2A，其包括外圈202，内圈204，滚动元件206以及用于滚动元件206的保持架208。用于滚动轴承200的机械功能部件可以是外圈202、内圈204或保持架208中的一个或多个。在该示例中，选择外圈202。图2B示出了电活性复合材料层220如何沉积在滚动轴承200的外圈202的侧面表面上。如上所述，打印了电活性复合材料的表面可以被处理/加工，从而获得期望的特性，而且还获得电活性复合材料在机械功能部件上所期望的粘附性。如果所述组件是非金属的，如塑料，则尤其需要对所述表面进行粗糙处理，以达到所述电活性复合材料的期望粘附性。图2C示出了如何将一层导电电极225沉积到电活性复合材料层220上。电极层适宜由压阻复合材料制成。压阻复合材料是通过在聚合物基体中混合导电颗粒制成。导电颗粒可以是金属粉末，如银粉、亚微米线、炭黑、碳纤维、纳米纤维或碳纳米管。如果需要，则通过在电活性复合材料上施加强电场来进行极化，从而使偶极子对齐。在大多数应用中，可以与基体进行电气连接，在这种情况下，外圈202和电极225之间施加高电压。

图3A-3B示出了根据本发明的例如仪器化轴承的智能圈302的另外的实施例。在这些示例中，智能圈例如可以是仪器化轴承的外圈。

图3A示出了根据本发明的智能圈302的一个实施例，所述智能圈302包括振动传感器。压电复合材料320的第一层被施加在智能圈302的表面上。在该示例中，该层的形状是围绕整个智能圈302的圆。在一些实施例中，智能圈302可以包括具有压电层320的表面的一些区域，这些区域未被压电层320覆盖。压电层320允许将轴承圈内部的机械应变转换成压电层内的电荷位移。

然后在压电层上打印由例如银颗粒墨水制成的电极层325，从而形成电极。其形状在本例中为半圆。所述电极层325允许测量压电层320内的、在智能圈302的电极和基体材料之间的电荷位移。如果2个点连接到电压测量装置，则可以观察到非常小的电压变化，其与例如由轴承振动引起的表面应变有关。

所捕获的电荷量取决于电极表面。半圆形状允许捕获整个智能圈302上的所有应变变化，使得整个智能圈成为振动传感器。电极和基体之间的电荷位移连接到电荷放大器，以获得电压信号。

图3B示出了根据本发明的包括载荷传感器的智能圈302的一个实施例。压电复合材料320的第一层被施加在智能圈302的表面上。智能圈302例如可以是滚动轴承的外圈。该层的形状是围绕智能圈的一个圆。压电复合层320允许将智能圈内的机械应变转换为压电层内的电荷位移。

然后几个由例如银颗粒墨水制成的电极326被打印在压电层320上，在智能圈周围的不同位置。它们的形状是一个圆的一部分。每个圆形电极部分可以例如与两个相邻(consecutive)滚动元件之间的间隔或其倍数一样大。当经受载荷的滚动元件在两个相邻电极之间滚动时，载荷在轴承圈上产生应变，并且因此在该经受载荷的滚动元件周围的两个电极之间产生电荷位移。如果之后电荷放大器连接到这两个电极，则信号直接与滚动元件的载荷接触脉冲相关。

所捕获的电荷量取决于电极的表面。圆环形状的一部分允许从圈中捕获经受载荷的滚动元件的应变脉冲，使得整个设计充当应变传感器。将从每个相邻电极测量的应变水平相加，从而获得施加在轴承上的载荷。

电极可以在压电层的顶部以许多不同的方式制造和放置。一种替代方案是用多个电极覆盖整个环，每个电极都是圆的一部分。然后，这些多个电极可以以不同的方式相互连接，以根据安装/使用的位置提供一个或多个载荷，应变或振动传感器(一个或多个)，或者根据期望的传感器类型和传感器的位置动态地切换。

一个或多个电极也可以被设计为用于无线传输相应的换能层信号的天线。这些电极然后可以被设计为天线结构，利用无芯片射频识别(RFID)原理来传递其信号。压电复合层(即传感器层)与被打印作为用于信号编码的多槽谐振贴片天线的电极相关联。无芯片RFID采用电磁调制，当被雷达波击中时，由导线实现(电磁调制)。根据导电线形状，它会发射可用矢量网络分析仪分析的典型背散射波。在电极结构内部设计槽以产生固定的谐振频率。开槽电极与压电换能器层之间的电耦合改变了电极谐振及其背向散射波的特征。该方法允许基于从电极产生多个谐振来发送具有编码的信号。

图4示出了根据本发明的智能圈402的横截面。它举例说明了外圈作为机械功能部件从而形成仪器化轴承的示例。机械功能部件可以如前所述的那样是齿轮、轴或平面或滚动轴承的部件，例如外圈、内圈或保持架。需要的是有一个自由表面。在该示例中，外圈402具有用作外滚道的第一表面432，因此不是可以应用根据本发明的一个或多个应变传感器的最佳表面。在滚道旁可能有空间，但滚道很可能占用该第一表面432的大部分可用表面积，因此限制了传感器的可用表面积。在该示例中，用于传感器(一个或多个)的表面是第二表面434。第二表面434是外圈402的侧表面，就像图2C、3A和3B的示例一样。在这个第二表面434上沉积了一层电活性复合材料，其可以覆盖整个相关表面或其一部分。此后，形成一层导电电极(一个或多个)425。适当地，电极层在电活性层的顶部尽可能宽/高，从而形成具有尽可能大的表面积的传感器。电极的长度取决于多种因素，例如传感器的类型(振动或应变)、应用类型，机械功能部件、所需传感器数量和传感器间距。

一般来说，使用具有用于传感器的最大可用表面积的机械功能部件的表面是有利的。有源传感器面积越大，输出信号和信噪比就越大。还应该注意功能无关的表面，就像这个所示的侧表面一样，因为它可以是例如在安装期间被使用表面，但是它在功能上没有被使用。轴承外圈侧表面在轴承的安装/拆卸过程中经常被使用，这意味着在安装/拆卸过程中有许多区域没有任何传感器(可能完全没有电活性复合材料和导电电极)，以用于在安装/拆卸期间使用。或者，电活性复合层和导电电极层在安装轴承时便就地添加。这样做的优点是传感器(一个或多个)的物理位置可以根据例如轴或外壳来确定。

本发明基于一种基本的发明思想，即将传感器，应变传感器直接放置在诸如轴、齿轮或轴承的一部分之类的机械功能部件上。滚动轴承的典型实施方式是直接在轴承圈(例如外圈)的一个面上打印成环形的智能整合压电结构。智能结构由直接施加于轴承圈侧表面的第一压电环制成。导电电极直接打印在压电环上，其宽度与圈高相当，长度等于两个相邻滚动元件之间的间隔距离。封装层适当地用于传感器结构上，并且可以在电极位置上具有备用区域以保持接触，以进行进一步的信号处理/调节。所述封装层合适地是UV光聚合树脂，为换能器和电极复合材料提供机械和密封保护。为了在封装之前进行屏蔽，可以在传感器层上施加介电复合材料，可以在电极结构上具有备用位置以允许与调节模块电接触，并且在整个环上(除了用于连接的备用区域外)施加用于屏蔽目的的导电复合材料层。本发明不限于上述实施例，而是可以在权利要求的范围内变化。

附图标记

图1示出了一个仪器化滚动轴承：

100 滚动轴承，

102 外圈，

104 内圈，

106 滚动元件，

108 滚动元件的保持架，

110 传感器单元，

150 传感器单元的信号处理器。

图2A至图2C示出了根据本发明的仪器化滚动轴承的构成：

200 滚动轴承，

202 外圈，

204 内圈，

206 滚动元件，

208 滚动元件的保持架，

220 电活性复合材料层，

225 导电电极层。

图3A和图3B示出了根据本发明的仪器化轴承的智能圈的进一步实施例：

302 根据本发明的仪器化滚动轴承的圈，

320 电活性复合材料层

325 第一实施例中的导电电极层，

326 第二实施例中的导电电极层。

图4举例示出了根据本发明的仪器化轴承的智能圈的横截面：

402 机械功能部件，显示为根据本发明的仪器化滚动轴承的外圈，

420 电活性复合材料层，

425 导电电极层，

432 机械功能部件的功能表面，此处为滚道，

434 机械功能部件的未使用表面。

Claims (15)

1.一种组件，包括：至少一个传感器和至少一个机械功能部件，所述至少一个传感器被布置为将一个或多个物理量转换成电传感器信号，所述至少一个机械功能部件具有与所述至少一个机械功能部件的功能相关的一个或多个第一表面区域，另外还包括一个或多个第二表面区域，其特征在于，所述至少一个传感器包括：

电活性复合材料，其以第一层的形式直接沉积在一个或多个第二表面区域中的至少一个的全部或部分上；

至少一个导电电极，其以第二层的形式直接沉积在电活性复合材料的一部分上。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述电活性复合材料在所述至少一个传感器的制造期间受到电极化。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的组件，其特征在于，所述电活性复合材料是液体基体和亚微米或纳米颗粒的混合物。

4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述液体基体是具有高介电特性的聚氨酯。

5.根据权利要求3或4所述的组件，其特征在于，所述亚微米或纳米颗粒是铁电颗粒。

6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述铁电颗粒是钛酸钡颗粒。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其特征在于，所述导电电极是压阻复合材料。

8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述压阻复合材料是包含导电颗粒的聚合物基体。

9.根据要求1至8中的任一项所述的组件，其特征在于，所述至少一个导电电极被设计为多槽谐振贴片天线。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的组件，其特征在于，所述机械功能部件是轴、齿轮或轴承中的一种。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的组件，其特征在于，所述机械功能部件是滑动轴承的一部分。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的组件，其特征在于，所述机械功能部件是滚动轴承的一部分。

13.根据权利要求11或12所述的组件，其特征在于，所述一部分是外圈。

14.根据权利要求11或12所述的组件，其特征在于，所述一部分是内圈。

15.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，所述一部分是保持架。