[0001] 本申请涉及传感器技术领域，具体地涉及一种摩擦电式旋转传感器。

[0002] 现有的运动监测技术，如电磁式、光电式和霍尔式传感器，通常在结构紧凑性和环境适应性方面存在局限性。这些技术往往需要对轴承结构进行改动，导致监测设备难以集成到设有滚动轴承的狭小空间内，尤其是对于具有多转子结构的轴承而言，集成监测设备的困难更明显。即使在较大尺寸的轴承中实现了传感器的集成，传感单元对轴承的运行状态也可能产生负面影响，特别是在高速重载工况下，这种影响更为显著。

[0034] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请实施例，并不用于限制本申请实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0035] 需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

[0036] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0037] 另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

[0038] 在本申请实施例中，转速传感器可以是摩擦电式旋转传感器。

[0039] 图1示意性示出了根据本申请实施例的一种滚动轴承的爆炸图一。图2示意性示出了根据本申请实施例的一种滚动轴承的爆炸图二。如图1和图2所示，本申请实施例提供一种滚动轴承100，该滚动轴承100可以包括：轴承本体110，包括旋转套圈和保持架200；转速传感器300，设于轴承本体110上且用于在旋转套圈旋转时生成耦合信号；耦合信号中包含旋转套圈的实时转速信息和保持架200的实时转速信息。

[0040] 在本申请实施例中，轴承本体110可理解为是现有的滚动轴承标准件，一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，上述的旋转套圈，可为内圈，也可为外圈；若内圈为旋转套圈，外圈可称之为固定套圈，反之亦然。例如，当内圈中套设有旋转轴，旋转轴的旋转会带动内圈旋转，此时内圈则为旋转套圈，外圈作为固定套圈；当内圈中套设有固定轴，外圈上套设旋转部件，则旋转部件的旋转会带动外圈旋转，此时外圈则为旋转套圈，内圈作为固定套圈。根据轴承本体110的固有结构特征可知，旋转套圈在旋转时，其转速远大于保持架的转速，二者转速的区别也为耦合信号的生成和后续解耦提供了基础性条件。

[0041] 在本申请实施例中，转速传感器300可以包括设于轴承本体同侧的第一介电环120、第二介电环220以及固定电路板320，第一介电环120设于旋转套圈上并与旋转套圈同速旋转，固定电路板320上设有一对电极，固定电路板320在旋转套圈旋转时与第一介电环
120、第二介电环220之间分别相对运动，以使第一介电环120和第二介电环220同时与一对电极产生静电感应，从而生成耦合信号；此时的转速传感器300可理解为是一种摩擦电式传感单元。

[0042] 在本申请实施例中，第一介电环120设于旋转套圈上，第二介电环220设于保持架200上。旋转套圈旋转时，固定电路板320与第一介电环120、第二介电环220之间分别相对运动，可以理解为，在旋转套圈旋转时，固定电路板320与第一介电环120之间相对运动，且固定电路板320与第一介电环120之间相对运动。进一步地，旋转套圈旋转时，固定电路板320可处于静止状态，也可以以不同于第一介电环120、第二介电环220的转速旋转，使得旋转套圈旋转时，固定电路板320能够与第一介电环120、第二介电环220分别产生类似摩擦的动作，进而使得第一介电环120、第二介电环220能够同时与固定电路板320上的一对电极之间产生摩擦电，进而促使固定电路板320的一对电极能够在旋转套圈旋转的过程中，产生两个频率信号叠加的多频波信号，即上述的耦合信号。

[0043] 两者分别与旋转套圈和保持架200同速旋转，这表明两个介电环的运动直接反映了旋转套圈和保持架的运动状态，因此，转速传感器300能够精确感知旋转套圈的转速和保持架200的转速，以及两者的转速差。

[0044] 在本申请实施例中，第一介电环120和第二介电环220均由多个扇环段拼接围合而成，且二者均为每相邻两个扇环段中的其中一个为介电材质，另一个为非介电材质；第一介电环的每个介电材质的扇环段的圆心角与第二介电环的每个介电材质的扇环段的圆心角均一致；一对电极为周向邻接的两个扇环状电极，每个扇环状电极的圆心角与每个介电材质的扇环段的圆心角均相同。

[0045] 在本申请实施例中，两个介电环均由多个扇环段拼接围合而成。每个介电环的相邻两个扇环段中，一个为介电材质，另一个为非介电材质。由于第一介电环120和第二介电环220的每个介电材质的扇环段的圆心角一致，且每个扇环状电极的圆心角与每个介电材质的扇环段的圆心角均相同，圆心角一致性的设计确保了在介电环跟随保持架或固定套圈转动时，电极与介电环之间的静电感应能够产生稳定且可预测的耦合信号。这对于信号的精确性和一致性非常重要，减少了由结构不对称或角度不匹配引起的信号失真的问题，进一步提高了测量准确度。

[0046] 在一个实施例中，由于介电环是由介电和非介电材质的环段交替组成，转动时，电极将周期性地与不同材质的环段相互作用，生成具有特定频率和相位的信号。通过控制上述环段的圆心角和介电材质，还可以调节信号的频率和强度，从而实现对信号特性的精确控制。优选的，介电环可以为12等分设计，为提高分辨力还可以为16等分或更多等分的设计。

[0047] 图3示意性示出了根据本申请实施例的一种轴承本体、第一介电环和第二介电环的立体图；图4示意性示出了根据本申请实施例的一种轴承本体的立体图。在本申请实施例中，如图3和图4所示，第一介电环120粘附于旋转套圈的端面113，第二介电环220粘附于保持架的端面211；环形垫片310胶接于固定电路板320。由于保持架端面211所在平面相对于旋转套圈的端面113更接近轴承本体110的中间面，为保证第一介电环的介电层121和第二介电环的介电层221在同一平面，第二介电环220的厚度可略大于第一介电环120的厚度，从而可以保持第一介电环和第二介电环在滚动轴承100旋转时所产生的感应电信号在一个较高的范围。固定件330设于环形垫片310的背离固定套圈的一侧，用于将环形垫片310和固定电路板320一并固定在固定套圈的端面111上。

[0048] 在本申请实施例中，第一介电环120和第二介电环220的介电材质为具备摩擦起电效应的高分子材料，优选的，可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)或聚酰亚胺(PI)。优选的，固定电路板320的电极材质可以是铜电极或铝电极。

[0049] 在本申请实施例中，轴承本体还可以包括固定套圈，转速传感器300还可以包括固定件330，固定电路板320通过固定件330设置在固定套圈上，固定件330的结构形式包括但不限于是螺纹连接、卡扣连接、粘接、磁性吸附连接等。当内圈作为旋转套圈进行旋转时，外圈即可作为固定套圈，在内圈旋转时与固定电路板320保持相对静止；反之，当外圈作为旋转套圈进行旋转时，内圈即可作为固定套圈，在外圈旋转时与固定电路板320保持相对静止。换言之，固定套圈可以是轴承本体110的外层轴承套圈(即外圈)，也可以是轴承本体110的内层轴承套圈(即内圈)，具体根据轴承本体110的安装使用情况进行设定。将固定电路板320固定在该固定套圈上，可使得第一介电环120和第二介电环220在旋转过程中，固定电路板320能够始终与固定套圈保持相对静止，进而保证耦合信号的稳定生成。需要说明的是，固定电路板320也可不安装在固定套圈上，只要在第一介电环120与第二介电环220旋转时，固定电路板320能够始终与固定套圈保持相对静止即可，例如也可以通过合理设计轴承座，利用轴承座的轴承挡圈等结构，对固定电路板320进行固定。

[0050] 图5示意性示出了根据本申请实施例的一种保持架和第二介电环的立体图。在本申请实施例中，如图5所示，保持架本体210用于确保滚动体112均布在轴承滚道的整周，同时保证滚动体112相互之间不接触，轴承正常安装时，滚动体112位于保持架本体210的通槽212中，因此保持架200的转速也即滚动体112的公转转速。保持架本体210能够稳定地控制滚动体112的运动，从而确保了滚动轴承100在运行时的平稳性和精确性。

[0051] 在本申请实施例中，固定电路板320的形状为环形，且具有朝向轴承本体110的正面和与正面相对的背面，一对电极位于固定电路板320的正面；固定电路板320的背面设有用于连接导线的一对焊盘，一对焊盘与一对电极一一对应连通。

[0052] 在本申请实施例中，转速传感器300还可以包括位于固定电路板320与固定套圈之间的环形垫片310，环形垫片310设于固定电路板320的正面；固定件330设于环形垫片310的背离固定套圈的一侧，用于将环形垫片310和固定电路板320一并固定在固定套圈上。

[0053] 在本申请实施例中，固定件330为环状的磁性吸附件，例如具有磁力的磁环等。

[0054] 图6示意性示出了根据本申请实施例的一种固定电路板和固定件的平面图；图7示意性示出了根据本申请实施例的一种固定电路板、固定件及环形垫片的局部剖视图。如图6和图7所示，在本申请实施例中，环形垫片310朝向固定套圈的一侧311可以与固定套圈的端面111接触，固定电路板320的正面321可以胶接在环形垫片310的背离固定套圈的一侧312，固定件330可以是磁吸环，固定件330可以通过朝向固定套圈的一侧端面331的磁力透过环形垫片310将转速传感器300吸附在轴承本体110上。固定电路板320背面的焊盘324和325上分别焊接有一根导线用于导出信号。

[0055] 在本申请实施例中，固定电路板320采用环形双面设计，使其能够紧密围绕轴承本体110，且避免固定电路板320与安装在轴承本体110上的旋转部件(如旋转轴等)在轴向发生干涉，有效利用了轴承本体110周围的空间，避免了多余的体积占用，使得整个滚动轴承100和转速传感器300结合得更加紧凑，提高了转速传感器300与轴承本体110的集成度。

[0056] 在本申请实施例中，轴承本体110、第一介电环120、第二介电环220、固定电路板320、环形垫片310，以及固定件330同轴布置。

[0057] 在本申请实施例中，将所有关键组件沿同一轴线布置，确保了滚动轴承100中的各部件在空间上的精确对齐。这种对齐方式减少了组件间的错位或偏移风险，保持了滚动轴承100的整体稳定性和运行精度。提高滚动轴承100的运行精度能够减少滚动轴承100运行中的振动和不平衡，提升整体的平稳性和使用寿命。

[0058] 在本申请实施例中，环形垫片310的厚度尺寸为0.5mm‑1mm，环形垫片310的厚度直接决定了第一介电环120、第二介电环220与固定电路板320的轴向距离，该距离对摩擦电传感单元的性能有较大的影响，优选为0.5mm左右。

[0059] 在本申请实施例中，第一介电环的外端面与第二介电环的外端面位于同一平面。

[0060] 在本申请实施例中，如出现介电层121或221与铜电极322和323直接接触或输出信号过小可适当增加或减小环形垫片310的厚度。优选的，环形垫片310的材料可以是通过光固化成型方式的树脂，固定件330可以是磁性较强的钕磁铁，导线可以是铜线或铝线，直径0.1mm左右。

[0061] 图8示意性示出了根据本申请实施例的一种滚动轴承(局部)的侧剖视图；如图8所示，在本申请实施例中，如图8所示，固定件330将固定电路板320和环形垫片310胶接形成的一个平面固定在轴承本体110的最外圈端面111上，固定电路板320与第一介电环120和第二介电环220之间有一定空隙。滚动体112位于保持架本体210的通槽212中。

[0062] 在本申请实施例中，如图9所示，本申请实施例提供一种用于监测滚动轴承打滑率的系统，该系统可以包括：上述的滚动轴承；信号采集装置，与滚动轴承的转速传感器信号连接，用于采集耦合信号；以及信号处理装置，与信号采集装置信号连接，用于获取耦合信号并对耦合信号解耦，根据解耦结果确定滚动轴承的打滑率。

[0063] 在本申请实施例中，信号处理装置进一步用于：确定耦合信号的主频和次频；根据主频和次频确定滚动轴承的打滑率；其中，主频对应于旋转套圈的转速，次频对应于保持架的转速。

[0064] 在本申请实施例中，信号处理装置进一步用于：对耦合信号进行快速傅立叶变换，以确定耦合信号的频谱；获取频谱中振幅值最大的频率点，作为主频；获取频谱中振幅值第二大的频率点，作为次频。

[0065] 在本申请实施例中，信号采集装置420与滚动轴承410的转速传感器信号连接，可以通过上述方案中固定电路板320背面的焊盘324和325上分别焊接的一根导线导出信号，可选的，也可以通过红外线等无线的形式导出信号。

[0066] 在本申请实施例中，信号处理装置430对信号采集装置420采集到的耦合信号进行快速傅里叶变换，以得到耦合信号的频谱。根据傅里叶变换，一个复杂的信号或函数可以分解为多个频率、幅值以及相位不同的正弦波的叠加，该原理从理论上印证了通过采集、分析一个通道的信号实现多个频率点监测的可行性。耦合信号可以包括第一介电环120的转速信息和第二介电环220的转速信息。信号处理装置430继续对频谱中的振幅值进行处理，将振幅值最大的频率点作为主频，将振幅值第二大的频率点作为次频。主频则对应于第一介电环120的转速，次频则对应于第二介电环的转速。根据相关公式和上述两者的转速，可以确定出滚动轴承100的打滑率。

[0067] 在本申请实施例中，还提供一种摩擦电式旋转传感器，该摩擦电式旋转传感器用于安装在多转子待测件上，多转子待测件可以包括定子和能够同时旋转的至少两个转子，各转子的转速均不同；摩擦电式旋转传感器可以包括固定电路板和至少两个介电环，介电环与多转子待测件的转子数量一致且一一对应，每个介电环均能够设于对应转子上并与其同速旋转；固定电路板被配置为在各转子旋转时与定子保持相对静止，固定电路板上设有一对电极，至少两个介电环能够同时与一对电极产生静电感应，以生成耦合信号；耦合信号中包含各转子的实时转速信息。

[0068] 在本申请实施例中，每个介电环均由多个扇环段拼接围合而成，各介电环中每相邻两个扇环段中的其中一个为介电材质，另一个为非介电材质；所有介电环的介电材质的扇环段的圆心角均一致；一对电极为周向邻接的两个扇环状电极，每个扇环状电极的圆心角与每个介电材质的扇环段的圆心角均相同。由于每个介电材质的扇环段的圆心角一致，且每个扇环状电极的圆心角与每个介电材质的扇环段的圆心角均相同，圆心角一致性的设计确保了在介电环跟随保持架或固定套圈转动时，电极与介电环之间的静电感应能够产生稳定且可预测的耦合信号。这对于信号的精确性和一致性非常重要，减少了由结构不对称或角度不匹配引起的信号失真的问题。

[0069] 在本申请实施例中，还提供一种上述的摩擦电式旋转传感器的信号解耦方法，该信号解耦方法可以包括：获取摩擦电式旋转传感器生成的耦合信号；对耦合信号进行快速傅立叶变换，得到耦合信号的频谱；确定出频谱中振幅值由大到小的至少两个频率点；频率点的数量与多转子待测件的转子数量一致；将至少两个频率点分别对应为各转子的转速。

[0070] 在本申请实施例中，上述的摩擦电式旋转传感器的信号解耦方法可以用于上述的摩擦电式旋转传感器，摩擦电式旋转传感器可以用于上述的多转子待测件，频率点的数量与多转子待测件的转子数量应保持一致。在得到频谱中的频率点之后，振幅值最大的频率点对应转速最快的转子转速，依次类推，振幅值最小的频率点对应转速最慢的转子转速。

[0071] 在本申请实施例中，图10示意性示出了根据本申请实施例的一种耦合信号的生成及解耦的过程图，如图10所示。当滚动轴承工作时，第一介电环120(即内圈介电环)和第二介电环220(即保持架介电环)以不同的转速相对转速传感器300旋转。当固定电路板320受到第一介电环120的单独激励时将产生频率较高的第一信号(即内圈信号)；当固定电路板320受到第二介电环220的单独激励时将产生频率较低的第二信号(即保持架信号)；若固定电路板320的铜电极322和323同时受到上述二者的激励，将产生两种信号的叠加，即耦合信号。耦合信号也即两种信号所叠加的多频波，该多频波的周期是组成其两个波形周期的最小公倍数。耦合信号同时包含了第一介电环(即内圈)和第二介电环(即保持架)的转速信息。信号采集装置420实时采集上述耦合信号，并进行快速傅立叶变换以获得耦合信号的频谱，然后分别提取频谱中振幅值最大和第二大的频率点也即信号的主频和次频即可实现信号的解耦，其中最大的频率点(即主频，频率2)对应第一介电环120(即内圈)的转速(即转速
2)，第二大的频率点(即转速1)对应第二介电环220(即保持架)的转速(即转速1)，最后根据公式可计算出滚动轴承的打滑率。

[0072] 在本申请实施例中，当滚动轴承100工作时，轴系带动轴承内圈共同旋转，同时，滚动体112与内圈和外圈滚道产生滚动摩擦，滚动体112自转的同时带动保持架200相对内圈轴承产生公转。在此期间，内圈的每次旋转，第一介电环120都会与固定电路板320产生多次静电感应，每次感应将产生一个周期的波形。在初始状态下，第一介电环120与铜电极322对齐。由于材料电负性的差异，第一介电环120在表面积累了负电荷。根据电荷守恒定律，铜网格表面积累了等量的正电荷。此时，正电荷和负电荷相互抵消，处于静电平衡状态。当第一介电环120在保持架200的驱动下旋转时，第一介电环120开始相对于铜电极322旋转，逐渐与铜电极323接触。这会在两个电极之间产生电位差，导致正电荷沿旋转方向从铜电极322流向铜电极323。当第一介电环120与铜电极323完全重叠时，所有正电荷都转移到铜电极323上，回到静电平衡状态。随着第一介电环120继续旋转，铜电极323上的正电荷再次向相反方向流动，流向铜电极322，在外电路中形成反向电流。随着轴承内圈的不断旋转，上述电荷转移流程周期性地重复。第二介电环与固定电路板320上的铜电极产生电信号的工作原理类似，但两个信号的频率完全不同。

[0073] 在一个实施例中，转速传感器可以包括上述的固定件330、固定电路板320、环形垫片310和多个介电环，其中，介电环的数量与多转子待测件的转子数量对应，介电环设于多转子待测件朝向固定电路板320的转子的端面上，固定电路板320朝向多转子待测件的正面上有一对电极，在一对电极的对立面即背离多转子待测件的一面有一对焊盘，一对焊盘上设有用于传输信号的导线。

[0074] 在一个实施例中，保持架可以为铜合金笼型保持架、非金属复合材料的冠型或笼型保持架和重新设计保持架与介电环的连接方式后的浪型保持架。

[0075] 通过上述技术方案，在多转子待测件上附有与转子数量对应的介电环，根据电荷守恒定律，在多转子待测件转动的情况下，其对应的介电环会与上述的一对电极产生耦合信号，并由上述的信号采集装置和信号处理装置对上述耦合信号进行处理，由此可以得到多转子待测件各转子的转速，以用于打滑率或其他参数的计算。由于摩擦电式旋转传感器的体积小巧，可以与多转子待测件融为一体，因此，上述技术方案可以在实现监测多转子待测件的转速的同时提高摩擦电式旋转传感器与多转子待测件的集成度。

[0076] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0077] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的滚动轴承。

[0078] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令滚动轴承的制造品，该指令滚动轴承实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0079] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0080] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0081] 以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。