阅读说明：本技术 基于石墨烯镀层的电动机轴传感器 (Motor shaft sensor based on graphene coating ) 是由 吴振升 桂峻峰 王鑫祺 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于石墨烯镀层的电动机轴传感器,包括石墨烯镀层、探棒和输出电路；石墨烯镀层镀在电动机传动轴的外表面上；探棒包括刚性金属探测器和内置压电晶体,刚性金属探测器通过支座与电动机的定子固定连接,刚性金属探测器的一端与所述石墨烯镀层保持接触,刚性金属探测器的另一端与内置压电晶体连接；内置压电晶体用于感知所述刚性金属探测器从被测电机传动轴上传来的压力,并输出对应的电荷信号；输出电路用于接收所述电荷信号,并将所述电荷信号转换为电信号进行输出。该基于石墨烯镀层的电动机轴传感器具有结构简单,体积小,质量轻,精度高,性能可靠,可适用于高精度的电动机测试,特别是微特电动机测试。(The invention relates to a motor shaft sensor based on a graphene coating, which comprises the graphene coating, a probe and an output circuit; the graphene coating is plated on the outer surface of the motor transmission shaft; the probe comprises a rigid metal detector and a built-in piezoelectric crystal, the rigid metal detector is fixedly connected with a stator of the motor through a support, one end of the rigid metal detector is in contact with the graphene coating, and the other end of the rigid metal detector is connected with the built-in piezoelectric crystal; the built-in piezoelectric crystal is used for sensing the pressure transmitted by the rigid metal detector from the transmission shaft of the tested motor and outputting a corresponding charge signal; the output circuit is used for receiving the charge signal and converting the charge signal into an electric signal for outputting. The motor shaft sensor based on the graphene coating has the advantages of simple structure, small size, light weight, high precision and reliable performance, and is suitable for high-precision motor tests, particularly micro-special motor tests.)

基于石墨烯镀层的电动机轴传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯镀层的电动机轴传感器。

背景技术

电动机是应用及其广泛的动力设备，是工业自动化、农业现代化、武器装备现代化、办公自动化、家庭现代化等各个领域不可缺少的基础产品，其应用范围非常广泛，而且随着经济发展程度和技术进步还将进一步拓展。各类电机的性能差别很大，其性能参数难以统一阐明。一般说来，用于驱动机械的侧重于运行及起动时的性能指标，控制用微电机则偏重于静态和动态的特性参数。各种性能的描述需要测量电动机的运行参数，主要包括转速、转矩、转子位置等。目前，这些参数的准确测量基于机械应力、光电等方法，结构复杂，材料沉重，难以适用于高精度的电动机测试，特别是微特电动机测试。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，提供一种结构简单，体积小，质量轻，精度高，性能可靠，可适用于高精度的电动机测试，特别是微特电动机测试的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器。

为此，采用的技术方案为一种基于石墨烯镀层的电动机轴传感器，包括石墨烯镀层、探棒和输出电路；所述石墨烯镀层镀在电动机传动轴的外表面上；所述探棒包括刚性金属探测器和内置压电晶体，所述刚性金属探测器通过支座与电动机的定子固定连接，所述刚性金属探测器的一端与所述石墨烯镀层保持接触，所述刚性金属探测器的另一端与内置压电晶体连接；所述内置压电晶体用于感知所述刚性金属探测器从被测电机传动轴上传来的压力，并输出对应的电荷信号；所述输出电路用于接收所述电荷信号，并将所述电荷信号转换为电信号进行输出。

优选的，所述石墨烯镀层的轴向长度设为1至10mm。

优选的，所述石墨烯镀层的层数设为10层以上。

优选的，所述石墨烯镀层的截面形状设为锯齿，所述锯齿设为连续排列的全等三角形且呈圆周分布。

优选的，所述刚性金属探测器由刚性金属材料制作。

优选的，所述刚性金属探测器与所述石墨烯镀层保持接触的一端设为圆锥，所述圆锥的尖端***所述锯齿的间隙，所述圆锥的侧面与所述锯齿的侧面保持接触。

优选的，所述输出电路包括A/D转换和信号输出功能的电子线路，所述输出电路用于作为整个传感器的电信号输出。

优选的，基于石墨烯镀层的电动机轴传感器还包括计算机，所述计算机与所述输出电路通信连接；所述计算机用于接收所述输出电路的输出电信号并计算电动机的转速。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器，比现有技术可以更精确地感知电机轴上的运动信息；石墨烯目前是世界上最薄也是最坚硬的纳米材料，基于石墨烯材料在电动机传动轴上的镀层，对电动机轴的性能参数进行变换，具有对电动机运行影响小，测量精度高等特点。

2.本发明提供的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器具有结构简单，体积小，质量轻，精度高，性能可靠，可适用于高精度的电动机测试，特别是微特电动机测试。

3.本发明提供的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器，利用石墨烯具有较好的硬度，并且可以精细加工成锯齿状结构的石墨烯镀层，镀层的作用使得刚性金属探测器发生周期性的位移，从而驱动压电晶体产生周期的电荷信号，经输出电路发送到计算机，因此可精确计算出电动机的转速、转矩，并可判断出转子的实时位置等，对于精确测量和控制电动机具有重要意义。

4.本发明提供的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器，测量误差极小，基础转速测量误差可以低于百万分之一。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器安装于电动机上的结构示意图；

图2为本发明提供的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器的原理示意图；

图3为本发明提供的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器的主视图；

图4为图3所示的Ⅰ处放大视图；

图5为本发明提供的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器输出信号的变化频率周期示意图；

1-定子；2-定子叠片组；3-绕组；5-转子；7-传动轴；8-轴承；9-壳体；100-基于石墨烯镀层的电动机轴传感器；

11-石墨烯镀层；12-输出电路；13-刚性金属探测器；14-内置压电晶体；15-套筒；16-电极片；17-接线柱；18-支座；19-锯齿；20-圆锥。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图2-图4所示，一种基于石墨烯镀层的电动机轴传感器100，包括石墨烯镀层11、探棒和输出电路12；所述石墨烯镀层11镀在电动机传动轴7的外表面上；所述探棒包括刚性金属探测器13和内置压电晶体14，所述刚性金属探测器13通过支座与电动机的定子固定连接，所述刚性金属探测器13的一端与所述石墨烯镀层11保持接触，所述刚性金属探测器13的另一端与内置压电晶体14连接；所述内置压电晶体14用于感知所述刚性金属探测器13从被测电机传动轴7上传来的压力，并输出对应的电荷信号；所述输出电路用于接收所述电荷信号，并将所述电荷信号转换为电信号进行输出。

如图1示出了电动机的一种基本结构，包括定子1、转子5、传动轴7、壳体9和轴承8等，定子1构成电机的固定部件，其由定子叠片组2组成，其上设置电机的绕组3。基于石墨烯镀层的电动机轴传感器100安装于电动机的定子1的端部，即靠近电动机传动轴7输出动力一侧的端部；石墨烯镀层11镀在电动机传动轴7的外表面上；探棒还包括套筒15和电极片16等，刚性金属探测器13的首端与石墨烯镀层11保持接触，刚性金属探测器13的横截面可设为矩形，内置压电晶体14可设为压电晶体片，套筒15设有内孔，刚性金属探测器13的末端伸入套筒15的内孔，刚性金属探测器13的左右两侧面分别与内置压电晶体14紧密接触连接，两个电极片16则分别设置于内置压电晶体14的侧面且紧密接触连接，两个电极片16相互导通；刚性金属探测器13的末端端面可设有接线柱17，两个电极片16的导线与接线柱17接通，输出电路12可安装于电机壳体外，接线柱17上连接导线与输出电路12连通；探棒与支座18固定，探棒通过支座18上的安装孔固定于电动机的定子1的端部。

当电机传动轴7转动时，刚性金属探测器13探测到电动机传动轴上的石墨烯镀层11发生周期性的位移，由于刚性金属探测器固定不动，因此石墨烯镀层11对刚性金属探测器产生周期的压力，该压力传导到内置压电晶体14，从而驱动内置压电晶体14产生周期的电荷信号，该信号可包含电机传动轴上的运动信息；输出电路12接收到该电荷信号，经转换为电信号并输出，可经通讯电缆或通讯模块发送到计算机，计算机根据接收到的信号的变化频率，计算电动机的转速。因此，本发明提供的基于石墨烯镀层的电动机轴传感器具有结构简单，体积小，质量轻，精度高，性能可靠，可适用于高精度的电动机测试，特别是微特电动机测试。

所述石墨烯镀层11的轴向长度设为1至10mm。根据电动机的输出轴长度进行选择，特例的，对于电机传动轴输出端长度10cm、轴直径5cm、功率10kW、转速低于1500r/min的中型电机，石墨烯镀层11的轴向长度可设为1mm。

为了使得石墨烯镀层具有较好的硬度及耐磨性，优选的方案为所述石墨烯镀层的层数设为10层以上。

为了高精度测量电动机运行时的性能参数，使金属探测器发生周期性的位移，从而驱动内置压电晶体产生周期信号，优选的方案为所述石墨烯镀层11的截面形状设为锯齿19，所述锯齿19设为连续排列的全等三角形且呈圆周分布。电动机的传动轴表面上可先加工出锯齿状，再对传动轴的加工后表面进行镀石墨烯镀层，可保证镀层的均匀性。特例的，对于上述中型电机，锯齿19的形状可设为等腰三角形，两条边长为0.2微米，两条边的夹角70度，齿尖间距为1.9058微米。

所述刚性金属探测器由刚性金属材料制作。刚性金属探测器可由铝合金材料制作，铝合金具有重量轻、导电性好、力学性能佳、加工性能好等优点。

为了确保刚性金属探测器与石墨烯镀层始终保持接触，精确传导传动轴上运动信息的变化，优选的方案为所述刚性金属探测器与所述石墨烯镀层保持接触的一端设为圆锥20，所述圆锥20的尖端***所述锯齿19的间隙，所述圆锥20的侧面与所述锯齿的侧面保持接触。锯齿19的间隙的几何尺寸可设为略大于圆锥20的外形尺寸，以确保圆锥20与锯齿19的侧面始终保持接触。

所述输出电路12包括A/D转换和信号输出功能的电子线路，所述输出电路用于作为整个传感器的电信号输出。输出电路12可设为通用性的、具有A/D转换和信号输出功能的电子线路，可将接收到的电荷信号，经A/D转换器转换为数字量信号输出，经通讯电缆或通讯模块发送到计算机。

基于石墨烯镀层的电动机轴传感器还包括计算机，所述计算机与所述输出电路连接；所述计算机用于接收所述输出电路的输出电信号并计算电动机的转速。

输出电路发送数字量电信号至计算机，计算机可以根据接收到的信号的变化频率，计算电动机的转速，其误差可以不超过百万分之一。计算过程如下：

对于电机传动轴输出端长度10cm、轴直径5cm、功率10kW、转速低于1500r/min的中型电机，石墨烯镀层的轴向长度可设为1mm；对于上述中型电机，锯齿的形状可设为等腰三角形，两条边长为0.2微米，两条边的夹角70度，齿尖间距为1.9058微米。

如图5所示，通过多个周期平均计算，方波周期约0.39μs，对应电动机输出的线速度为1.9058/0.39＝4.887m/s，如果传动轴半径为3.2cm可折算到电动机的转速为1440r/min。

如果传动轴半径为3.2cm，锯齿的齿尖间距为1.9058微米，由此可计算出每两个锯齿的齿尖夹角，当传动轴转动时，计算机可以根据接收到的信号的变化频率，实时计算出转子的角位移，从而判断出转子的实时位置。

另外，电动机在功率固定的条件下，转矩与电动机转速成反比关系，转速越快转矩越小，反之越大，因此计算机可根据电动机的转速计算出电动机的输出转矩。

电动机传动轴外表面上的石墨烯镀层可以采用如下方法制备：

步骤1，在室温下依次使用0.5-2mol/L丙酮、0.5-2mol/L盐酸分别清洗电动机传动轴表面5-15分钟；

步骤2，用去离子水再清洗一遍后烘干；

步骤3，再把电动机传动轴于3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)水溶液浸泡1-3小时；

步骤4，用乙醇清洗电动机传动轴，清洗之后放在温度为50-55℃的环境下进行烘干；

步骤5，把经过步骤4处理的电动机传动轴浸入0.01-0.1mg/mL的石墨烯水溶液中，温度控制在50-55℃；当能观察到石墨烯成功的镀在电动机传动轴之后，把电动机传动轴移出；在室温下使其自然烘干后，就完成了整个的镀膜过程。

电动机传动轴外表面上的石墨烯镀层的制备过程如下：

首先采用化学方法对电动机传动轴的表面进行处理，使氧化石墨烯3能更加容易和均匀的吸附在电动机传动轴表面，更重要的是可以提高传感器的测量灵敏度，即在室温下先后使用丙酮和盐酸(浓度均为1mol/L)分别清洗电动机传动轴表面10分钟，另一个目的是清除电动机传动轴表面的有机污染物。然后，用去离子水再清洗一遍并烘干。

为了增大电动机传动轴表面的硅烷醇基的数量，将其浸入NaOH(1mol/L)溶液中1小时；接着，再把电动机传动轴浸入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)溶液2小时，3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)与电动机传动轴二氧化硅表面的羟基相互作用，从而形成Si-O-Si共价键。再用乙醇清洗电动机传动轴，清洗之后放在温度为50℃的环境下进行烘干30分钟，温度为50℃的环境通过恒温恒湿箱实现。最后，把经过处理的电动机传动轴浸入0.06mg/mL的石墨烯水溶液中，温度控制在50℃。当能观察到石墨烯成功的镀在电动机传动轴之后，把电动机传动轴移出石墨烯水溶液。在室温下使其自然烘干12小时后就完成了整个的镀膜过程。

基于石墨烯镀层的电动机轴传感器的主要工作原理如下：

利用石墨烯具有较好的硬度，并且可以精细加工成锯齿状结构的石墨烯镀层；刚性金属探测器固定在电动机定子上，刚性金属探测器的圆锥尖端***锯齿的间隙；当电机传动轴转动时，刚性金属探测器探测到电动机传动轴上的石墨烯镀层发生周期性的位移，由于刚性金属探测器固定不动，因此锯齿对刚性金属探测器产生周期的压力，该压力传导到内置压电晶体，从而驱动内置压电晶体产生周期的电荷信号，该信号可包含电机传动轴上的运动信息；输出电路接收到该电荷信号，经A/D转换器转换为数字量信号输出，经通讯电缆或通讯模块发送到计算机，计算机根据接收到的信号的变化频率，计算电动机的转速、转矩，并可判断出转子的实时位置。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。