CN113030505B - 一种摩擦电式旋转传感器及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，公开了一种摩擦电式旋转传感器及监测系统，该摩擦电式旋转传感器包括转轴、定子组件、转子组件、壳体组件、变幅项转子电极组及变幅项定子电极组，转轴旋转地安装于壳体组件，定子组件固定于壳体组件，转子组件固定于转轴；变幅项定子电极组设置于定子组件上，变幅项转子电极组设置于转子组件上，摩擦薄膜覆盖变幅项转子电极并与变幅项定子电极接触；当转子组件相对定子组件沿第一方向旋转，变幅项转子电极与变幅项定子电极耦合输出具有第一规律的电信号；当转子组件相对定子组件沿第二方向旋转，变幅项转子电极与变幅项定子电极耦合输出具有第二规律的电信号。该摩擦电式旋转传感器可以监测转轴的转速、转角以及方向。

Description

一种摩擦电式旋转传感器及监测系统

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种摩擦电式旋转传感器及监测系统。

背景技术

传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，广泛应用于工业自动化、汽车电子和通信技术等领域，它已经成为衡量科学研究和工业制造发展不可或缺的标准。在各种机械运动中，旋转运动是工业自动化领域最基本的形式之一，一直是科学和工程应用领域的研究热点。传统的旋转运动传感技术主要包括光电转换、电磁感应、电效应，但随着工业自动化水平和制造要求的不断提高，具有自供电功能的无源传感器技术受到了越来越多的关注。

摩擦纳米发电机作为一种能将机械能转化为电能的新方法，其输出信号能很好地反映机械激励的变化，并且摩擦纳米发电机对各种形式的机械运动具有很好的适应性，因此被认为是自供电传感技术的潜在解决方案。近年来，各国研究人员基于摩擦电式旋转传感器技术对旋转运动传感监测进行了初步探索，这些工作对开发摩擦电式旋转传感器具有一定的参考价值。但它们大多只能监控特定的参数，无法对旋转运动的基本状态进行全面描述。同时，现有的摩擦电式旋转运动传感器并未实现系统化、集成化装配设计，限制了其在产品示范应用中的发展。

因此，设计一种可实现转速、转角等多参数监测的集成化旋转运动传感器对摩擦电式旋转传感器技术的发展是十分有必要的。

发明内容

本发明提供了一种摩擦电式旋转传感器及监测系统，可以对旋转轴旋转运动的转速、转角以及方向进行监测。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种摩擦电式旋转传感器，包括：

壳体组件；

转轴，所述转轴可绕所述转轴轴心线旋转地安装于所述壳体组件；

定子组件，所述定子组件固定于所述壳体组件；

转子组件，所述转子组件固定于所述转轴；

设置于所述定子组件上的变幅项定子电极组，所述变幅项定子电极组包括多个以所述转轴轴心线为环绕中心均匀分布的变幅项定子电极；

设置于所述转子组件上的变幅项转子电极组，所述变幅项转子电极组包括至少一个垂直于所述转轴轴心线的变幅项转子电极；

贴附于所述变幅项转子组件上摩擦薄膜，所述摩擦薄膜覆盖所述变幅项转子电极并与所述变幅项定子电极接触；

当所述转子组件相对所述定子组件沿第一方向旋转，所述变幅项转子电极与所述变幅项定子电极耦合输出具有第一规律的电信号；当所述转子组件相对所述定子组件沿第二方向旋转，所述变幅项转子电极与所述变幅项定子电极耦合输出具有第二规律的电信号。

本发明提供的摩擦电式旋转传感器，当转子组件相对定子组件旋转，变幅项定子电极与变幅项转子电极之间可以产生周期性变化的电信号，通过该信号可以监测转轴的转速、转角以及方向。

优选地，每个所述变幅项定子电极包括x组第一叉指电极对，其中，x≥3；任意两组相邻的第一电极对的长度不同。

优选地，每组所述第一叉指电极对包括两个相同的第一叉指电极，每个所述第一叉指电极的长度方向垂直于所述转轴的轴心线；且在同一组所述第一叉指电极对中，两个所述叉指电极之间的夹角为δ。

优选地，每个所述变幅项转子电极包括x个沿其长度方向依次排布的子电极，所述子电极的长度与所述第一叉指电极对的长度一一对应。

优选地，所述变幅项转子电极的数量为多个，且所述变幅项转子电极与所述变幅项定子电极一一对应。

优选地，还包括y个差分项定子电极组以及y个与所述差分项定子电极组一一对应的差分项转子电极组；

所述差分项定子电极组设置于所述定子组件上，每个所述差分项定子电极组包括多个以所述转轴轴心线为环绕中心均匀分布的差分项定子电极，所述差分项定子电极与所述第一叉指电极对一一对应；对于任意一个第一叉指电极对，沿环绕所述转轴轴心线的方向，第j个所述差分项定子电极组中与所述第一叉指电极对对应的差分项定子电极相对所述第一叉指电极对偏移角度β_i，所述β_j＝jδ/(y+1)，其中，y≥1，且y≥j≥1；

所述差分项转子组设置于所述转子组件上，每个所述差分项转子电极组包括至少一个差分项转子电极，所述差分项转子电极与所述变幅项转子电极一一对应。

优选地，所述壳体组件包括前盖、外壳以及后盖，所述外壳具有相对的前开口和后开口，所述前盖与所述前开口配合，所述后盖与所述后开口配合；所述前盖、所述外壳以及所述后盖配合形成用于容纳所述转子组件和所述定子组件的容纳空间，所述转轴分别可绕所述转轴轴心线转动地安装于所述前盖和所述后盖。

优选地，沿所述转轴的轴心线方向，所述转轴包括依次连接的第一连接轴、第一轴承轴、转子轴和第二轴承轴；

所述第一轴承轴通过第一轴承安装于所述前盖，所述第二轴承轴通过第二轴承安装于所述后盖，所述第一连接轴伸出所述前盖用于连接外部被监测的旋转轴，所述转子轴通过平键与所述转子组件连接。

优选地，所述转轴还包括连接于所述第二轴承轴远离所述转子轴一端的第二连接轴，所述第二连接轴伸出所述后盖用于连接另一个外部被监测的旋转轴。

优选地，所述定子组件包括固定于所述壳体组件的定子电极固定板以及设置于所述定子电极固定板朝向所述壳体组件一面的第一硅胶垫；

所述变幅项定子电极设置于所述定子电极固定板背离所述第一硅胶垫的一面。

优选地，所述转子组件包括转盘、转子电极固定板和第二硅胶垫，所述转轴通过平键与所述转盘连接，所述转子电极固定板固定于所述转盘，所述第二硅胶垫设置于所述转盘与所述转子电极固定板之间；

所述变幅项转子电极设置于所述转子电极固定板背离所述第二硅胶垫的一面。

优选地，所述转子组件还包括调节机构，所述调节机构用于调节所述转子组件相对所述定子组件的距离。

优选地，所述调节机构包括调节螺栓和调节盘；

所述调节盘设置有调节螺纹孔以及调节槽，所述调节螺栓穿过所述调节槽与所述转盘连接，且所述调节螺栓与所述调节槽滑动配合。

优选地，所述转子组件与所述定子组件之间添加有润滑材料。

本发明还提供一种监测系统，用于监测旋转轴的旋转运动，包括依次信号连接的显示屏、微处理器、分压电路以及上述任一种技术方案所述的摩擦电式旋转传感器。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中转轴的结构示意图；

图3a和图3b为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中外壳的结构示意图；

图4a和图4b为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中前盖的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中后盖的结构示意图；

图6a和图6b为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中定子组件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中第一硅胶垫的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中转子组件的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中转盘的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中第二硅胶垫的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中调节盘的结构示意图；

图12a至图12c为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器中转子电极固定板的结构示意图；

图13a和图13b为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器工作时输出的电信号波形图；

图14为本发明实施例提供的一种摩擦电式旋转传感器工作原理流程图；

图15为本发明实施例提供的另一种摩擦电式旋转传感器的剖面结构示意图；

图16为本发明实施例提供的另一种摩擦电式旋转传感器中转轴的结构示意图；

图17为本发明实施例提供的另一种摩擦电式旋转传感器中后盖的结构示意图；

图18为本发明实施例提供的一种监测系统的结构示意图。

图标：

1-转轴；11-第一连接轴；12-第一轴承轴；13-转子轴；131-键槽；14-第二轴承轴；15-螺纹轴；21-前盖；211-前盖安装孔；212-前盖防沉孔；213-前盖沉孔；214-前盖定位肩；215-前盖轴承孔；22-外壳；221-前盖螺纹连接孔-；222-前盖定位槽；223-后盖螺纹连接孔；224-后盖定位槽；225-定子让位槽；23-后盖；231-导线孔；232-定子安装螺纹孔；233-后盖轴承孔；234-后盖定位肩；235-后盖沉孔；3-定子组件；31-定子电极固定板；311-导线连接孔；312-定子电极安装孔；32-第一硅胶垫；321-第一硅胶垫安装孔；33-定子安装螺栓；4-转子组件；41-转盘；411-平键限位槽；412-调节机构连接孔；42-转子电极固定板；43-第二硅胶垫；441-调节螺栓；442-调节盘；4421-调节螺纹孔；4422-调节槽；51-变幅项转子电极；52-差分项转子电极；61-变幅项定子电极；611-第一叉指电极对；62-差分项定子电极；7-平键；81-第一防尘圈；82-第二防尘圈；9-摩擦薄膜；01-摩擦电式旋转传感器；02-显示屏；03-微处理器；04-分压电路。

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。

请参考图1，本发明提供一种摩擦电式旋转传感器01，包括转轴1、定子组件3、转子组件4、壳体组件、变幅项定子电极组、变幅项转子电极组以及摩擦薄膜9。其中，转轴1可绕转轴1自身的轴心线旋转地安装于壳体组件，在实际应用中，转轴1用于连接外部待监测的旋转轴；定子组件3固定于壳体组件，转子组件4固定于转轴1。变幅项定子电极组设置在定子组件3上，变幅项转子电极组设置在转子组件4上。

具体地，变幅项定子电极组包括多个以转轴1轴心线为环绕中心均匀分布的变幅项定子电极61，变幅项转子电极组则包括至少一个垂直于转轴1轴心线的变幅项转子电极51，在变幅项转子电极组上贴附有摩擦薄膜9，该摩擦薄膜9覆盖变幅项转子电极51与变幅项定子电极61接触；转子组件4与定子组件3相接触，当转轴1相对壳体组件绕转轴1的轴心线旋转，转子组件4会随转轴1旋转，进而转子组件4上的变幅项转子电极组相对位于定子组件3上的变幅项定子电极组旋转，即变幅项转子电极51相对变幅项定子电极61旋转，由于摩擦薄膜9的存在，变幅项转子电极51与变幅项定子电极61耦合产生电信号，此处的电信号会遵循周期性变化规律。根据转轴1的旋转方向不同，变幅项转子电极51与变幅项定子电极61耦合产生电信号的变化规律不同。具体地，当转子组件4相对定子组件3沿第一方向旋转，变幅项转子电极51与变幅项定子电极61耦合产生具有第一规律的电信号；而当转子组件4相对定子组件3沿第二方向旋转，变幅项转子电极51与变幅项定子电极61耦合产生具有第二规律的电信号。根据变幅项转子电极51与变幅项定子电极61耦合产生的电信号以及电信号的第一规律和第二规律，可以监测转轴1的旋转方向、转速以及转角。

此外，在转子组件4和定子组件3之间添加润滑材料，可以有效降低材料的磨损量，增加传感器使用寿命。目前，该润滑材料可以选择角鲨烯，当然，随着科技的发展，润滑材料还可以有其他的选择。

进一步地，本发明实施例提供的摩擦电式旋转传感器01还包括设置于定子组件3上的至少一个差分项定子电极组和设置于转子组件4上的至少一个差分项转子电极组。当转子组件4相对定子组件3旋转，变幅项定子电极组和变幅项转子电极组之间耦合产生电信号，差分项定子电极组和差分项转子电极组之间也会耦合产生电信号；将每个差分项定子电极组相对变幅项定子电极组沿转轴1的旋转方向做设定角度的偏移，可以使整个传感器输出至少两个同周期但是具有相位差的电信号，在一个周期内，传感器输出的电信号密度增加，可以进一步提高传感器的转角监测分辨率。

首先介绍本发明实施例所提供的摩擦电式旋转传感器的结构，如图2所示的一种转轴1的结构，沿转轴1的轴心线方向，转轴1包括依次连接的第一连接轴11、第一轴承轴12、转子轴13和第二轴承轴14。具体地，第一轴承轴11通过第一轴承N1安装于前盖21，第二轴承轴14通过第二轴承安装于后盖23，第一连接轴11伸出前盖21用于连接外部被监测旋转轴，转子轴13通过平键7与转子组件3连接，因此转子轴13上还形成有用于配合平键的键槽131。此外，转轴1在转子轴13与第一轴承轴12之间还形成有螺纹轴15。

壳体组件2包括前盖21、外壳22以及后盖23。请参照图3a和图3b，外壳22为具有两端开口的筒状结构，具有相对的前开口和后开口(应当理解，本文中的前后是相对概念)，前盖21与前开口配合，后盖23与后开口配合。如图3a所示，在外壳22用于连接前盖21的前开口一端设置有前盖连接螺纹孔221、前盖定位槽222；如图3b所示，在外壳22用于连接后盖23的后开口一端设置有后盖连接螺纹孔223、后盖定位槽224以及定子让位槽225。上述定子组件3固定于后盖23，此处的定子让位槽225即用于安装定子组件3。

当前盖21配合安装到前开口，后盖23配合安装到后开口，前盖21、外壳22以及后盖23可以配合形成用于容纳上述转子组件4和定子组件3的容纳空间，而转轴1沿前开口、后开口的延伸方向贯穿外壳22并分别可沿转轴1的轴心线旋转地安装于前盖21和后盖23。具体地，前盖21和后盖23分别通过固定螺栓M安装于外壳22。

请参照图4a和图4b中前盖21的结构示意图，前盖21上设置有前盖安装孔211、前盖防尘孔212、前盖沉孔213、前盖定位肩214以及前盖轴承孔215，其中，前盖定位肩214设置于前盖21用于连接外壳22的一面，前盖防尘孔212与前盖轴承孔215连通，前盖轴承孔215位于靠近外壳22的一端。前盖安装孔211用于在监测位置安装固定传感器，前盖防尘孔212内用于设置第一防尘圈81，第一防尘圈81可以避免杂物进入传感器内部；前盖21通过固定螺栓M安装于外壳22，在安装时，固定螺栓M穿过前盖沉孔213与外壳23上的前盖连接螺纹孔221固定连接；此外，前盖定位肩214用于与外壳23的前盖定位槽222配合安装，以降低前盖21和外壳23的安装误差；前盖轴承孔215则用于与第一轴承N1过渡配合，以保证前盖21与转轴1的同轴度，进而保证本发明实施例提供的摩擦电式旋转传感器的同轴度。

请结合图2参照图5中后盖23的结构示意图，后盖23设置有导线孔231、定子安装螺纹孔232、后盖轴承孔233、后盖定位肩234以及后盖沉孔235。导线孔231用于导线穿过，以将本发明实施例提供的摩擦电式旋转传感器的工作信号输出；后盖23朝向前盖21的一面用于安装定子组件3，因此可以将该面定义为定子安装面C，定子组件3安装于定子安装面C，定子安装螺纹孔232即用于配合固定螺栓M，以将定子组件3固定于后盖23；后盖轴承孔233用于与上述第二轴承N2过渡配合，以保证后盖23与转轴1的同轴度，进而保证本发明实施例提供的摩擦电式旋转传感器的同轴度；后盖定位件234用于与外壳22上的后盖定位槽224配合以降低后盖23与外壳22的安装误差；后盖23通过固定螺栓M安装于外壳22，在安装时，固定螺栓M穿过后盖沉孔235与外壳23上的后盖连接螺纹孔223固定连接。

如图6a和图6b所示，定子组件3包括固定于壳体组件的定子电极固定板31以及第一硅胶垫32，定子电极固定板31固定于壳体组件中的后盖23，第一硅胶垫32则设置在定子电极固定板21用于配合后盖23的一面，以在定子电极固定板31安装于后盖23时，第一硅胶垫32位于定子电极固定板31与后盖23的定子安装面C之间，使得定子组件3与转子组件4的接触更加充分。此外，定子电极固定板31上还设置有导线连接孔311，导线连接孔311用于上述变幅项定子电极61、差分项定子电极62与导线的连通；定子电极固定板31上设置有定子电极安装孔312，第一硅胶垫32(如图7所示)上设置有第一硅胶垫安装孔321，定子安装螺栓33穿过定子电极安装孔312和第一硅胶垫安装孔321与后盖23上的定子安装螺纹孔232配合，以将定子电极固定板21和第一硅胶垫32固定到后盖23的定子安装面C上。

变幅项定子电极组和差分项定子电极组设置于定子电极固定板31背离第一硅胶垫32的一面，请继续参照图6a和图6b，定子电极固定板31为正圆形，定子电极固定板31的圆心具有用于转轴1穿过的通孔，多个变幅项定子电极61以该通孔为圆心环形均匀分布(相当于以转轴1的轴心线为环绕中心)。

其中，每个变幅项定子电极61包括x组第一叉指电极对611，任意两组相邻的第一叉指电极对611的长度不同，由于变幅项定子电极61与变幅项转子电极51耦合输出的电信号的绝对值与摩擦面积成正比，因此变幅项定子电极61中相邻的两组第一叉指电极对611在与变幅项转子电极51耦合输出的相邻周期的电信号的波形幅度是不同的；在一个变幅项定子电极61中，x组第一叉指电极对611的排列依循一定的规律，多个变幅项定子电极61的均匀分布，相当于多个x组第一叉指电极对611的重复循环，因此，此处的x≥3，使得根据电信号波形幅度的变化可以判断第一叉指电极对611的排列规律，进而判断得到转轴1的旋转方向。

以图6b中示出的结构为例，一个变幅项定子电极61中的三组第一叉指电极对611的长度沿顺时针方向逐渐增大。当转子组件4相对定子组件3绕某一方向持续旋转，以图6b中的三个相邻的第一叉指电极对611为例，转子组件4上的变幅项转子电极51依次与每个第一叉指电极对611耦合，其输出的电信号的波形会形成一定规律，根据此规律可以判断转轴1的旋转方向。每组第一叉指电极对611由两个大小相同的第一叉指电极组成，每个第一叉指电极的长度方向垂直于转轴1的轴心线，因此，每个第一叉指电极的长度即该第一叉指电极对611的长度。

如图6b中所示，在一个差分项定子电极组中，差分项定子电极组包括多个以转轴1轴心线为环绕中心均匀分布的差分项定子电极62，差分项定子电极62与变幅项定子电极61中的第一叉指电极对611一一对应，因此，任意两个相邻的差分项定子电极62相对转轴1轴心线的夹角也为δ；多个差分项定子电极62以转轴1的轴心线为环绕中心均匀设置于定子电极固定板31的边缘呈圆环形。

当差分项定子电极组数量为y个，y≥1，图6b即示出y＝1时，只有一个差分项定子电极组呈圆环状。当y≥2，y个差分项定子电极组呈同心圆环状。并且，对于任意一个差分项定子电极组，其包含的多个差分项定子电极62与第一叉指电极对611一一对应；而对于任意一个第一叉指电极对611，沿环绕转轴1轴心线的方向，第j个差分项定子电极组中与该第一叉指电极对611对应的差分项定子电极62相对第一叉指电极对611偏移角度β_j，此处的β_j＝jδ/(y+1)，y≥1，且y≥j≥1，其中y和j均为整数；举例说明，当y＝2，即设置有两组差分项定子电极组，沿环绕转轴1轴心线的方向，其中一个差分项定子电极组中的差分项定子电极62相对与其对应的第一叉指电极对611的偏移角度β₁＝δ/3，另一个差分项定子电极组中的差分项定子电极62相对与其对应的第一叉指电极对611的偏移角度β₂＝2δ/3。

每个差分项定子电极62是由两个相同的电极组成的叉指电极对，为了区别于第一叉指电极对611，差分项定子电极62可以设定为第二叉指电极对，且所有差分项定子电极62的第二叉指电极对相同。

需要说明的是，变幅项定子电极61和差分项定子电极62均为电正性材料。

如图8所示的转子组件4，转子组件4包括转盘41、转子电极固定板42以及第二硅胶垫43，转轴1的转子轴13通过平键7与转盘41连接，转子电极固定板42固定于转盘41，第二硅胶垫43设置于转盘41与转子电极固定板42之间，上述变幅项转子电极51和差分项转子电极52即设置于转子电极固定板42背离第二硅胶垫43的一面，上述摩擦薄膜9将变幅项转子电极51和差分项转子电极52全覆盖。为了调节转子组件相对定子组件的距离，转子组件还包括调节机构，而调节机构具体包括调节螺栓441和调节盘442。

转盘41的结构请参照图9，转盘41上设置有用于配合平键的平键限位槽411以及用于连接调节机构的调节机构连接孔412。第二硅胶垫43的结构可以参照图10，其为环形的硅胶薄片，置于转盘41与转子电极固定板42之间，可以使得转子电极固定板42上的变幅项转子电极51和差分项转子电极52与定子电极固定板31上的变幅项定子电极61和差分项定子电极62接触更加充分。变幅项转子电极51和差分项转子电极52均为铜电极且二者均为电正性材料，摩擦薄膜9为电负性材料，将变幅项转子电极51和差分项转子电极52全覆盖，具体地，摩擦薄膜9的材质可以选择聚四氟乙烯。

调节盘442的结构请参照图11，其为环形饼状，其中心通孔内形成有调节螺纹孔4421，该调节螺纹孔4421用于与转轴1螺纹轴15配合，沿其周向均匀设置有多个调节槽4422，调节螺栓442穿过调节槽4422与转盘41上的调节机构连接孔412连接。当调节盘442相对转轴1的螺纹轴15螺纹旋转，调节螺栓442可以在调节槽4422内绕转轴1的轴心线旋转，从而调节盘442会带着整个转子组件4沿转轴1的轴心线方向移动以调节转子组件4相对定子组件3的距离，进而改变转子组件4与定子组件3的接触状态。

转子电极固定板42的结构请参照图12a，变幅项转子电极组包括一个变幅项转子电极51，其分布可以如图12a所示，变幅项转子电极51为长条形并沿转子电极固定板42的径向延伸(即垂直于转轴1的轴心线)；差分项转子电极组为一个，且该差分项转子电极组包括一个差分项转子电极52，该差分项转子电极52对应于变幅项转子电极51设置于转子电极固定板42的边缘位置。

在图12a所示变幅项转子电极51的基础上，根据变幅项定子电极61中第一叉指电极对611的长度变化规律，如图12b所示，将变幅项转子电极51沿其长度方向分为三个子电极，子电极的长度与第一叉指电极对611的高度一一对应，可以有效降低对电信号变幅的干扰。

为了提高传感器的空间利用率和输出功率，变幅项转子电极组包括多个变幅项转子电极51，其具体分布可以如图12c所示，变幅项转子电极51以转子电极固定板42的圆心(也即转轴1的轴心线)环形均匀分布，需要说明的是，由于变幅项转子电极51与变幅项定子电极61一一对应，对应于转轴1轴心线，任意两个相邻的变幅项定子电极61之间的夹角γ为6δ，因此，任意两个变幅项转子电极51之间的夹角为也为γ。当δ取3°，γ为18°。差分项转子电极52的数量也为多个，均匀分布于转子电极固定板42的边缘呈圆环形，且差分项转子电极52的数量与差分项定子电极62的数量一一对应，使得任意两个差分项转子电极52之间的夹角为ε，ε＝δ。

图13a示例出转子组件4相对定子组件3绕转轴1的轴心线沿第一方向旋转，变幅项定子电极61与变幅项转子电极51之间耦合输出A相电信号，差分项定子电极62与差分项转子电极52之间耦合输出B相电信号。变幅项转子电极51依次与图6b中的第一个第一叉指电极对611(长度最小)耦合输出第一个电信号波形(波峰为P₁，波谷V₁)、与第二个第一叉指电极对611(长度中)耦合输出第二个电信号波形(波峰为P₂，波谷V₂)、与第三个第一叉指电极对611(长度最大)耦合输出第三个电信号波形(波峰为P₃，波谷V₃)，至此相当于完成一个变幅项定子电极61的循环；然后变幅项转子电极51与下一个变幅项定子电极61中的三个第一叉指电极对611依次进行耦合，变幅项转子电极51与下一个变幅项定子电极61中的第一个第一叉指电极对611(长度最小)耦合输出的电信号波形(波峰为P₄，波谷V₄)。设定一个周期信号的两个相邻的波峰P与波谷V之间的差值为k，计算三个相邻的差值k之差即可以计算得到电信号的变化规律，从而判断得到转轴1的旋转方向。以图13a中的波峰为例，其中P₁与V₁的差值为k₁，P₂与V₂的差值为k₂，P₃与V₃的差值为k₃，P₄与V₄的差值为k₄，依次比较k₂与k₁、k₃与k₂、k₄与k₃的差值。有两个差值为正值时，设定该电信号波形的变化为第一规律，有两个差值为负值时，设定该电信号波形的变化为第二规律，该规律可以判断得到转轴1的旋转方向是第一方向。图13a中，有两个差值为正值，因此，图13a中的A相电信号对应的转轴1的旋转方向为第一方向。此处波峰或波谷的幅度均为正数。

对应地，图13b示例出转子组件4相对定子组件2绕转轴1的轴心线沿第二方向旋转，变幅项定子电极61与变幅项转子电极51之间耦合输出A相电信号，差分项定子电极62与差分项转子电极52之间耦合输出B相电信号。变幅项转子电极51依次与图6b中的第三个第一叉指电极对611(长度最大)耦合输出第一个电信号波形(波峰为P₅，波谷V₅)、与第二个第一叉指电极对611(长度中)耦合输出第二个电信号波形(波峰为P₆，波谷V₆)、与第三个第一叉指电极对611(长度最小)耦合输出第三个电信号波形(波峰为P₇，波谷V₇)，至此相当于完成一个变幅项定子电极61的循环；然后变幅项转子电极51与下一个变幅项定子电极61中的三个第一叉指电极对611依次进行耦合，变幅项转子电极51与下一个变幅项定子电极61中的第一个第一叉指电极对611(长度最大)耦合输出的电信号波形(波峰为P₈，波谷V₈)。以图13b中的波峰为例，其中P₅与V₅的差值为k₅，P₆与V₆的差值为k₆，P₇与V₇的差值为k₇，P₈与V₈的差值为k₈，依次比较k₆与k₅、k₇与k₆、k₈与k₇的差值，图13b中，有两个差值为负值，因此，图13b中的A相电信号对应的转轴1的旋转方向为第二方向。

需要说明的是，对于转轴1，其绕自身轴心线的旋转方向只能有两个，即上述第一方向和第二方向，若设定第一方向为逆时针，则第二方向为顺时针。

结合图13a和图13b，当转子组件4相对定子组件3旋转，A相电信号(或B相电信号)的周期数为m，根据电信号周期数m随时间t的变化的时间序列，结合频率f可以计算得到转轴1的转速n。当转子组件4相对定子组件3旋转角度α，A相电信号(或B相电信号)的周期数为m，A相电信号和B相电信号的极值点(波峰加波谷)数量为4m，旋转角度α与360°的比值等于旋转该角度α的波形上极值点的数目4m与旋转一周极值点的总数目的比值，从而可以计算得到转轴1的旋转角度α。

应当理解，该摩擦电式旋转传感器在实际应用中的功能实现需要配合其他的处理器等结构，此处未具体示出。结合上述内容，图14示出了本发明实施例提供的摩擦电式旋转传感器的传感电路处理流程，工作开始，首先对传感器输出的电信号进行信号采集，在该信号中提取A相电信号的峰值P_i以及谷值V_i；根据A相电信号中相邻的峰值P_i与谷值V_i的差值k_i，此处i的取值范围为2-4，对于图8或图9中的A相电信号，k_i将取到四个值，判断相邻的k_i与k_i-1的差，得到三个k_i-k_i-1的值；设定两个变量num₀和num₁，依次将三个k_i-k_i-1的值与0进行大小比较，以一个k_i-k_i-1的值为例，判断该k_i-k_i-1的值与0的大小，若k_i-k_i-1>0成立，num₀加1并进行下一步判断；若k_i-k_i-1>0不成立，进一步判断k_i-k_i-1<0是否成立，若成立，num₁加1并进行下一步判断；若k_i-k_i-1<0不成立进行下一步判断；此处，num₀加1、num₁加1和k_i-k_i-1<0不成立后进行的下一步判断是同一步骤，且是对三个k_i-k_i-1的值均进行判断之后进行；应当理解，此处的三个k_i-k_i-1的值的大小会出现两种情况，一种情况为两个正值、一个负值(num₀为2，num₁为1)，另一种情况为两个负值、一个正值(num₀为1，num₁为2)，因此在下一步判断中，先判断num₀＝1、num₁＝2是否成立，若成立，判定转轴1的旋转方向为第一方向；若不成立，进一步判断num₀＝2、num₁＝1是否成立，若成立，判定转轴1的旋转方向为第二方向；若不成立，程序停止。此处，设定转轴1旋转的第一方向为逆时针，设定转轴1旋转的第二方向为顺时针。该流程完成了对转轴1旋转的方向判断。

在该信号中提取A相电信号和B相电信号的峰值P_i以及谷值V_i后，根据A相电信号和B相电信号的极值点数目4m，结合旋转方向可以判断得到转轴1的旋转角度α，完成对转轴1旋转角度的计算。同时，在该信号中提取A相电信号的峰值P_i以及谷值V_i后，得到A相电信号在转轴1旋转一周的电信号周期数m，根据电信号周期数m随时间t的变化的时间序列，结合A相电信号的频率f可以得到转速n。

对应于转轴1的轴心线，在同一组第一叉指电极对611中，两个第一叉指电极之间的夹角为δ。此处的δ可以按照实际产品需求进行工艺设定，例如，此处的δ可以设定为3°。对于图13a和图13b，由于差分项定子电极62相对与其对应的变幅项定子电极61偏移角度β，此处的β＝δ/2。差分项定子电极62与差分项转子电极52之间耦合产生的B相电信号，可以看出，电信号波形B与电信号A相电信号存在δ/2的相位差，在实际工作中，可以将传感器监测的分辨率提高一倍。当然，此处β与δ的关系仅为举例，差分项定子电极组的数量y可能取2、3或其他正整数，而第j个差分项定子电极组中的差分项定子电极62相对变幅项定子电极61的偏移角度β_j会遵循前述规律，即β_j＝jδ/(y+1)，那么，每个差分项定子电极62与差分项转子电极52之间耦合产生的B相电信号与电信号A相电信号存在jδ/(y+1)的相位差。

因此，若增加差分项定子电极62数量的组数并调整相应的偏移角度β_j，传感器的分辨率可以进一步提高，此处不再赘述。

在图1所示的摩擦电式旋转传感器的结构基础上，如图15所示，本发明实施例还提高一种双端连接型的摩擦电式旋转传感器01，其结构组成、连接方式、定位方法与图1中所示的摩擦电式旋转传感器基本相同，区别在于，如图16所示，该摩擦电式旋转传感器的转轴1还具有连接于第二轴承轴14远离转子轴13的第二连接轴16，第二连接轴16伸出后盖23用于连接另一个外部被监测旋转轴，即转轴1依次穿过前盖21、转子组件4、定子组件3和后盖23。第二连接轴16与后盖23通过第二轴承82连接，以保证传感器的同轴度。对应于转轴1的结构改进，如图17所示，后盖23上还设置有后盖防尘孔236，后盖防尘孔236内用于设置与第二连接轴16配合的第二防尘圈82，以保证传感器内部的清洁度。当然，后盖23上还设置有后盖安装孔237，后盖安装孔237用于在监测位置安装固定传感器。

综上，本发明实施例提供的摩擦电式旋转传感器01可以监测转轴的转速、转角以及方向，还具有较好的转角监测分辨率。与传统编码器相比，本发明实施例提供的摩擦电式旋转传感器具有成本低、易于制造等优势。

基于上述摩擦电式旋转传感器，本发明实施例还提供一种监测系统，用于监测旋转轴的旋转运动，如图18所示，该监测系统包括依次信号连接的显示屏02、微处理器03、分压电路04以及如上述任一种摩擦电式旋转传感器01。在实际工作中，摩擦电式旋转传感器01的信号输出端与分压电路04连接，可以满足微控制器03处理信号的要求；此处的微控制器03可以是单片机，微控制器03对电信号进行采集、处理和分析，并利用显示屏02直观显示微控制器03处理的旋转轴的旋转运动的转速、转角以及方向等信息，从而实现旋转运动监测在实际工作状态下的综合应用。此处，显示屏02可以选择液晶显示屏。

因此，本发明实施例提供的监测系统由于采用了上述摩擦电式旋转传感器，通过对硬件电路模块化设计与封装，实现了真正意义上的产品应用开发，具有监测参数多样、分辨率高、集成度高、寿命长及稳定性好等技术优势，在机械运动智能传感领域中具有很好的应用前景。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种摩擦电式旋转传感器，其特征在于，包括：

壳体组件；

转轴，所述转轴可绕所述转轴轴心线旋转地安装于所述壳体组件；

定子组件，所述定子组件固定于所述壳体组件；

转子组件，所述转子组件固定于所述转轴；

设置于所述定子组件上的变幅项定子电极组，所述变幅项定子电极组包括多个以所述转轴轴心线为环绕中心均匀分布的变幅项定子电极；每个所述变幅项定子电极包括x组第一叉指电极对，其中，x≥3；任意两组相邻的第一电极对的长度不同；每组所述第一叉指电极对包括两个相同的第一叉指电极，每个所述第一叉指电极的长度方向垂直于所述转轴的轴心线；且在同一组所述第一叉指电极对中，两个所述叉指电极之间的夹角为δ；

设置于所述转子组件上的变幅项转子电极组，所述变幅项转子电极组包括至少一个垂直于所述转轴轴心线的变幅项转子电极；

贴附于所述变幅项转子组件上摩擦薄膜，所述摩擦薄膜覆盖所述变幅项转子电极并与所述变幅项定子电极接触；

y个差分项定子电极组，所述差分项定子电极组设置于所述定子组件上，每个所述差分项定子电极组包括多个以所述转轴轴心线为环绕中心均匀分布的差分项定子电极，所述差分项定子电极与所述第一叉指电极对一一对应；对于任意一个第一叉指电极对，沿环绕所述转轴轴心线的方向，第j个所述差分项定子电极组中与所述第一叉指电极对对应的差分项定子电极相对所述第一叉指电极对偏移角度β_j，所述β_j＝jδ/(y+1)，其中，y≥1，且y≥j≥1；

y个与所述差分项定子电极组一一对应的差分项转子电极组，所述差分项转子组设置于所述转子组件上，每个所述差分项转子电极组包括至少一个差分项转子电极，所述差分项转子电极与所述变幅项转子电极一一对应；

当所述转子组件相对所述定子组件沿第一方向旋转，所述变幅项转子电极与所述变幅项定子电极耦合输出具有第一规律的电信号；当所述转子组件相对所述定子组件沿第二方向旋转，所述变幅项转子电极与所述变幅项定子电极耦合输出具有第二规律的电信号。

2.根据权利要求1所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，每个所述变幅项转子电极包括x个沿其长度方向依次排布的子电极，所述子电极的长度与所述第一叉指电极对的长度一一对应。

3.根据权利要求1所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，所述变幅项转子电极的数量为多个，且所述变幅项转子电极与所述变幅项定子电极一一对应。

4.根据权利要求1所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，所述壳体组件包括前盖、外壳以及后盖，所述外壳具有相对的前开口和后开口，所述前盖与所述前开口配合，所述后盖与所述后开口配合；所述前盖、所述外壳以及所述后盖配合形成用于容纳所述转子组件和所述定子组件的容纳空间，所述转轴分别可绕所述转轴轴心线转动地安装于所述前盖和所述后盖。

5.根据权利要求4所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，沿所述转轴的轴心线方向，所述转轴包括依次连接的第一连接轴、第一轴承轴、转子轴和第二轴承轴；

所述第一轴承轴通过第一轴承安装于所述前盖，所述第二轴承轴通过第二轴承安装于所述后盖，所述第一连接轴伸出所述前盖用于连接外部被监测的旋转轴，所述转子轴通过平键与所述转子组件连接。

6.根据权利要求5所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，所述转轴还包括连接于所述第二轴承轴远离所述转子轴一端的第二连接轴，所述第二连接轴伸出所述后盖用于连接另一个外部被监测的旋转轴。

7.根据权利要求1所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，所述定子组件包括固定于所述壳体组件的定子电极固定板以及设置于所述定子电极固定板朝向所述壳体组件一面的第一硅胶垫；

所述变幅项定子电极设置于所述定子电极固定板背离所述第一硅胶垫的一面。

8.根据权利要求1所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，所述转子组件包括转盘、转子电极固定板和第二硅胶垫，所述转轴通过平键与所述转盘连接，所述转子电极固定板固定于所述转盘，所述第二硅胶垫设置于所述转盘与所述转子电极固定板之间；

所述变幅项转子电极设置于所述转子电极固定板背离所述第二硅胶垫的一面。

9.根据权利要求8所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，所述转子组件还包括调节机构，所述调节机构用于调节所述转子组件相对所述定子组件的距离。

10.根据权利要求9所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，所述调节机构包括调节螺栓和调节盘；

所述调节盘设置有调节螺纹孔以及调节槽，所述调节螺栓穿过所述调节槽与所述转盘连接，且所述调节螺栓与所述调节槽滑动配合。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的摩擦电式旋转传感器，其特征在于，所述转子组件与所述定子组件之间添加有润滑材料。

12.一种监测系统，用于监测旋转轴的旋转运动，其特征在于，包括依次信号连接的液晶显示屏、微处理器、分压电路以及如权利要求1-11中任一项所述的摩擦电式旋转传感器。

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