CN112946312A - 柔性聚合物的非接触转速传感器及转速、摆动监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及转速传感器技术领域，公开了柔性聚合物的非接触转速传感器及转速、摆动监测方法，包括转子以及与转子内壁通过轴承连接的定子，所述定子内设置有增重块，所述转子内壁与所述定子之间固定有柔性聚合物，所述柔性聚合物包括聚氨酯薄膜和聚四氟乙烯薄膜，分别固定在所述转子与所述定子上，且在所述转子运动过程中二者之间产生相对位移；本发明主要采用柔性聚合物的摩擦起电特性制作，无需外部电源供电，降低了维护成本，同时具有良好的输出特性；测量时不需要配备固定在地面或操作台上的连接器和固定支架，不需要额外的安装空间，有利于设备的小型化和集成化。
Description
技术领域
本发明涉及转速传感器技术领域，具体涉及柔性聚合物的非接触转速传感器及转速、摆动监测方法。
背景技术
转速传感器作为现代工业自动化生产中的重要一环，是提高旋转精度，实现转速实时控制的基础。传统的转速传感器主要基于光电转换和电磁感应，需要配备固定在地面或操作台上的连接器和固定支架，需要额外的安装空间，这些特性增加了转速测量的复杂程度，同时也不利于设备的小型化和集成化。
此外，传统的传感器都需要电池等外部设备进行供电，大量的电池易对环境造成较大污染，同时对供电单元的维护将极大地增加设备的运行成本。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供柔性聚合物的非接触转速传感器及转速、摆动监测方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
柔性聚合物的非接触转速传感器，包括转子以及与转子内壁通过轴承连接的定子，所述定子内设置有增重块，所述转子内壁与所述定子之间固定有柔性聚合物，所述柔性聚合物包括聚氨酯薄膜和聚四氟乙烯薄膜，分别固定在所述转子与所述定子上，且在所述转子运动过程中二者之间产生相对位移。
在本发明中，优选的，所述转子为圆柱形结构，且内部中空。
在本发明中，优选的，所述定子包括连接柱和检测盘，所述连接柱和检测盘为同轴心一体式结构。
在本发明中，优选的，所述检测盘下端内侧设置有球形槽，所述球形槽用于放置增重块，所述增重块通过重力作用保持所述定子与地面保持相对静止。
在本发明中，优选的，所述检测盘上端外侧面上通过铜电极固定连接所述聚四氟乙烯薄膜。
在本发明中，优选的，所述连接柱与所述转子共轴设置，且所述连接柱两端外侧固定连接所述轴承的内轴，所述轴承的外轴与所述转子内壁固定连接。
在本发明中，优选的，所述连接柱内贯穿设有第一导线槽，所述检测盘与所述聚四氟乙烯薄膜连接位置开设有第二导线槽，所述第二导线槽另一端垂直连接至第一导线槽。
在本发明中，优选的，所述转子内壁靠近所述检测盘的外侧面的位置固定有若干个宽度不同的所述聚氨酯薄膜。
柔性聚合物的非接触转速传感器转速监测方法，转子外壳底面与待监测物体固定，转子与待监测物体同轴心旋转，定子相对地面静止，转子上的聚氨酯薄膜与定子上的聚四氟乙烯薄膜发生周期性摩擦，产生周期性的正电压波峰和负电压波峰，依据波峰之间间隔时间计算待监测物体的转速。
柔性聚合物的非接触转速传感器摆动监测方法，转子外壳底面与待监测物体固定，转子随着待监测物体摆动，定子相对地面静止，定子上的聚四氟乙烯薄膜与转子上的宽度不同的聚氨酯薄膜进行接触和分离，产生峰值不同的电信号，依据不同峰值的电信号出现顺序来区分被测试物体的摆动状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明主要采用柔性聚合物的摩擦起电特性制作，无需外部电源供电，降低了维护成本，同时具有良好的输出特性；
2)本发明通过轴承连接定子和转子，测量时不需要配备固定在地面或操作台上的连接器和固定支架，不需要额外的安装空间，有利于设备的小型化和集成化；
3)本发明采用的柔性聚合物材料成本低，制作工艺简单，效率高，能够满足物联网对传感器的要求，且绿色环保。
附图说明
图1为本发明所述的柔性聚合物的非接触转速传感器的主视角剖视图。
图2为本发明所述的柔性聚合物的非接触转速传感器的左视剖视图。
图3为本发明所述的柔性聚合物的非接触转速传感器的转动过程的输出电压示意图。
图4为本发明所述的柔性聚合物的非接触转速传感器的实际转速与计算转速的线性度示意图。
图5为本发明所述的柔性聚合物的非接触转速传感器的摆动状态下输出电压示意图。
附图中：1-定子、11-连接柱、12-检测盘、2-转子、3-轴承、4-增重块、51- 第一导线槽、52-第二导线槽、6-聚氨酯薄膜、7-聚四氟乙烯薄膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请同时参见图1和图2，本发明一较佳实施方式提供柔性聚合物的非接触转速传感器，基于柔性聚合物开发的传感技术在成本和加工便利性上有着天然的优势，可以解决目前转速传感器发展中所需安装空间大、外部供电、运行成本高的问题，为转速传感器在现代工业自动化、机器人和物联网中的应用奠定理论和技术基础，包括转子2以及与转子2内壁通过轴承3连接的定子1，定子1 内设置有增重块4，转子2内壁与定子1之间固定有柔性聚合物，柔性聚合物包括聚氨酯薄膜6和聚四氟乙烯薄膜7，分别固定在转子2与定子1上，且在转子 2运动过程中二者之间产生相对位移。
具体的，定子1设置在转子2内部，通过轴承3转动连接，在转子2与定子1之间固定设置有柔性聚合物，聚氨酯薄膜6和聚四氟乙烯薄膜7分别固定在转子2和定子1上，将转子2固定在待监测的旋转物体上，在物体旋转过程中，定子1在增重块4的重力作用下保持与地面的相对静止，转子2随物体一同旋转，随着转子2和定子1之间的相对转动，聚氨酯薄膜6和聚四氟乙烯薄膜7之间的位置也发生周期性变化。
进一步的，经过预摩擦的聚氨酯薄膜6和聚四氟乙烯薄膜7分别带有正负电荷，并且由于绝缘体的特性，摩擦产生的电荷保持很长时间，在旋转过程中，定子1受重力作用始终和地面保持垂直，转子2则随待测物体旋转，转子2上的聚氨酯薄膜6和定子1上的聚四氟乙烯薄膜7发生周期性的“接近-远离”过程，当带有正电荷的聚氨酯薄膜6从远到近向聚四氟乙烯薄膜7靠近时，聚四氟乙烯薄膜7上方铜电极的电势将瞬间升高，出现正的电压波峰；同时，界面电位差将驱使电子从外壳流向铜电极，这个过程将持续到构建电平衡。然后，聚氨酯薄膜6与聚四氟乙烯薄膜7分离，铜电极电势瞬间降低，出现负的电压波峰；同时，界面电位差将驱使电子从铜电极流向外壳，直到实现新的电平衡。通过计数输出电压峰值的数量，可以计算待测物体的转速，无需外部供电，降低了维护成本，同时具有良好的输出特性，且无需额外的安装空间，有利于设备的小型化和集成化。
在本实施方式中，转子2为圆柱形结构，且内部中空，内部中空用于连接定子1。
具体的，转子2采用聚乳酸材料制成，长度为40mm，底面直径为42mm，外壁厚度为2mm，采用该材质的转子2重量轻且经济和环保性能好。
在本实施方式中，定子1包括连接柱11和检测盘12，连接柱11和检测盘 12为同轴心一体式结构，检测盘12下端内侧设置有球形槽，球形槽用于放置增重块4，增重块4通过重力作用保持定子1与地面保持相对静止。
具体的，连接柱11长度为36mm，底面直径为15mm，检测盘12直径为 36mm，检测盘12与连接柱11为一体式结构，由聚乳酸材料制成，其中球形槽直径为8mm，增重块4为球型铅块，通过重力作用使得定子1保持与地面保持相对静止，不随转子2转动。
在本实施方式中，连接柱11与转子2共轴设置，且连接柱11两端外侧固定连接轴承3的内轴，轴承3的外轴与转子2内壁固定连接，从而将定子1与转子2转动连接在一起，转子2在转动时带动轴承3外轴绕内轴进行转动。
在本实施方式中，检测盘12上端外侧面上通过铜电极固定连接聚四氟乙烯薄膜7，连接柱11内贯穿设有第一导线槽51，检测盘12与聚四氟乙烯薄膜7 连接位置开设有第二导线槽52，第二导线槽52的另一端垂直连接至第一导线槽 51。
具体的，聚四氟乙烯薄膜7的厚度为10μm，宽度为6mm，固定在检测盘 12的铜电极上，铜电极下开设有直径为1mm的第二导线槽52，第二导线槽52 与直径为1mm的第一导线槽51连通，第一导线槽51和第二导线槽52内放置有导线，导线连接铜电极，聚四氟乙烯薄膜7与聚氨酯薄膜6摩擦产生的电荷通过铜电极再经过导线导出。
在本实施方式中，转子2内壁靠近检测盘12的外侧面的位置固定有若干个宽度不同的聚氨酯薄膜6。
具体的，聚氨酯薄膜6厚度为10μm，设置有两个，宽度分别为6mm和2mm，二者间隔固定在转子2靠近检测盘12的内壁上，随着转子2相对定子1摆动，两个聚氨酯薄膜6与定子1上的聚四氟乙烯薄膜7在“接近-远离”的过程中产生不同峰值的电信号，依据两个不同幅值的电信号出现的顺序来区分待测物体的摆动状态。
本发明另一较佳实施方式提供一种柔性聚合物的非接触转速传感器转速监测方法，转子2外壳底面与待监测物体固定，转子2与待监测物体同轴心旋转，定子1相对地面静止，转子2上的聚氨酯薄膜6与定子1上的聚四氟乙烯薄膜7 发生周期性摩擦，产生周期性的正电压波峰和负电压波峰，依据相同波峰之间间隔时间计算待监测物体的转速。
请参见图3和图4，具体的，将转子2固定在待监测转速的物体表面，定子 1相对地面静止，转子2随物体转动，转子2上的聚氨酯薄膜6与定子1上的聚四氟乙烯薄膜7发生周期性摩擦；当物体以不同大小的速度转动时，控制电机转速从零开始以60RPM为间隔递增，采集每个转速下的传感器输出的电压信号如图3所示，将采集到的信号进行傅里叶变换，当设定的电机转速为300RPM 时，测得的输出电压主频为5Hz，通过以下公式
得到计算转速为300RPM，其中n为计算转速r/min，f为检测频率Hz，p为极对数，如图4所示的实际转速与计算转速的线性度可得到本方法得到的输出信号能正确反映电机的实际转速，证明本发明所使用的非接触转速传感器测量精度高，对转速监测效果好。
本发明另一较佳实施方式提供一种柔性聚合物的非接触转速传感器摆动监测方法，转子2外壳底面与待监测物体固定，转子2随着待监测物体摆动，定子1相对地面静止，定子1上的聚四氟乙烯薄膜7与转子2上的宽度不同的聚氨酯薄膜6进行接触和分离，产生峰值不同的电信号，依据不同峰值的电信号出现顺序来区分被测试物体的摆动状态。
请参见图5，具体的，为了区分物体向前和向后的摆动，同时尽可能地降低输出信号的复杂程度，将宽度为2mm和宽度为6mm的两个聚氨酯薄膜6间隔设置在转子2上，间隔为六分之一的转子2底面圆弧长，当物体向左摆动时，非接触转速传感器的定子1随物体顺时针转动，随着其倾斜角度的增加，定子1 上的聚四氟乙烯薄膜7与2mm的聚氨酯薄膜6依次经过相互靠近、完全覆盖、相互远离的过程，直至物体摆动至最高点，在上升的过程中，随着定子1上的聚四氟乙烯薄膜7和聚氨酯薄膜6的靠近到远离过程，非接触转速传感器的输出电压先升高，后降低，会出现一个电压波峰；当物体反向摆动时，定子1上的聚四氟乙烯薄膜7与6mm的聚氨酯薄膜6依次经过相互靠近、完全覆盖、相互远离的过程，同样出现另一个电压波峰，两电压峰值不同，6mm的聚氨酯薄膜6与聚四氟乙烯薄膜7对应的峰值大于2mm的聚氨酯薄膜6与聚四氟乙烯薄膜7产生的峰值，因此，可以根据完成一个摆动的周期，两个不同幅值的电信号出现的顺序来区分被测试物体的摆动状态。
工作原理：
本非接触转速传感器利用柔性聚合物对电子的亲和力，使聚氨酯薄膜6与聚四氟乙烯薄膜7带相反极性的电荷，在转子2随物体相对定子1转动的过程中，由于静电平衡原理，在两电极之间产生电子移动，从而输出电信号，利用采集的信号，非接触转速传感器能很好地实现对转动转速及摆动的监测；并可将转动的机械能转换为电能输出，成本低，制作工艺简单，效率高，具有重要的绿色环保意义。
本非接触转速传感器体积小，重量轻，不占用过多的空间，所采用的转动电能转换机构可靠性高，非接触结构可避免薄膜磨损，可长期免维护运行。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (10)
1.柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，包括转子(2)以及与转子(2)内壁通过轴承(3)连接的定子(1)，所述定子(1)内设置有增重块(4)，所述转子(2)内壁与所述定子(1)之间固定有柔性聚合物，所述柔性聚合物包括聚氨酯薄膜(6)和聚四氟乙烯薄膜(7)，分别固定在所述转子(2)与所述定子(1)上，且在所述转子(2)运动过程中二者之间产生相对位移。
2.根据权利要求1所述的柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，所述转子(2)为圆柱形结构，且内部中空。
3.根据权利要求2所述的柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，所述定子(1)包括连接柱(11)和检测盘(12)，所述连接柱(11)和检测盘(12)为同轴心一体式结构。
4.根据权利要求3所述的柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，所述检测盘(12)下端内侧设置有球形槽，所述球形槽用于放置增重块(4)，所述增重块(4)通过重力作用保持所述定子(1)与地面保持相对静止。
5.根据权利要求4所述的柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，所述检测盘(12)上端外侧面上通过铜电极固定连接所述聚四氟乙烯薄膜(7)。
6.根据权利要求3所述的柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，所述连接柱(11)与所述转子(2)共轴设置，且所述连接柱(11)两端外侧固定连接所述轴承(3)的内轴，所述轴承(3)的外轴与所述转子(2)内壁固定连接。
7.根据权利要求3所述的柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，所述连接柱(11)内贯穿设有第一导线槽(51)，所述检测盘(12)与所述聚四氟乙烯薄膜(7)连接位置开设有第二导线槽(52)，所述第二导线槽(52)另一端垂直连接至第一导线槽(51)。
8.根据权利要求3所述的柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，所述转子(2)内壁靠近所述检测盘(12)的外侧面的位置固定有若干个宽度不同的所述聚氨酯薄膜(6)。
9.柔性聚合物的非接触转速传感器转速监测方法，基于权利要求1-8任意一项所述的柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，转子(2)外壳底面与待监测物体固定，转子(2)与待监测物体同轴心旋转，定子(1)相对地面静止，转子(2)上的聚氨酯薄膜(6)与定子(1)上的聚四氟乙烯薄膜(7)发生周期性摩擦，产生周期性的正电压波峰和负电压波峰，依据波峰之间间隔时间计算待监测物体的转速。
10.柔性聚合物的非接触转速传感器摆动监测方法，基于权利要求8所述的柔性聚合物的非接触转速传感器，其特征在于，转子(2)外壳底面与待监测物体固定，转子(2)随着待监测物体摆动，定子(1)相对地面静止，定子(1)上的聚四氟乙烯薄膜(7)与转子(2)上的宽度不同的聚氨酯薄膜(6)进行接触和分离，产生峰值不同的电信号，依据不同峰值的电信号出现顺序来区分被测试物体的摆动状态。
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