CN107131965B - 一种用于测量瞬态轴温的自更新薄膜热电偶传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量瞬态轴温的自更新薄膜热电偶传感器，其包括：截面上形成有凸台的第一半圆柱结构，所述凸台上沉积有用于测量瞬态轴温的薄膜热电偶；截面上形成有与所述凸台相匹配的凹槽的第二半圆柱结构，所述第二半圆柱结构通过固件与所述第一半圆柱结构扣合为圆柱结构且所述圆柱结构具有薄膜热电偶的引线端的一端被置于铠装套筒内。本发明可嵌入于高铁轴承内，直接测量瞬态轴温且其具有响应迅速、可自更新、安装方便、体积小、防水防油等优点。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及高速动车组转向架轴箱轴承温度测量技术领域，具体的说是涉及一种用于测量瞬态轴温的自更新薄膜热电偶传感器。
背景技术
滚动轴承作为机械设备的关键旋转和承载部件而得到广泛应用，机械设备的精度、寿命和可靠性在很大程度上取决于轴承的性能。而轴承失效又是机器最常见的故障和损坏原因之一，据统计旋转机械的故障有30％是由轴承引起的，轴承的好坏直接影响着机器的工况。传统的轴承温度监测，一般是将轴温传感器安装在轴承周围的支撑结构(如轴承座、轴箱体等)表面。但是，这种测温方式传递路径冗长，故会造成热量损失和噪声干扰问题。
同时随着我国进入“高铁时代”,铁路提速范围不断扩大,列车速度大幅提升。2014年1月16日，中国南车制造的CIT500型的试验速度达到了605公里/小时，就运营试验的速度值来讲它是世界上最高的。“一带一路”及“中国制造2025”国家战略的实施，使高速列车国际市场竞争日趋激烈，列车系统的安全性越来越受到重视，而高速动车组转向架轴箱轴承温度监测是确保列车安全运行的最重要途径之一。
但是就目前而言，主要的动车组轴温测量方法有：数字温度传感器、集成温度传感器、音响热轴探测系统及红外线轴温探测系统等。随着高速动车组速度的迅速提高，这些轴温传感器的响应时间均已无法满足快速变化的轴温测试需求，若不能及时监测到轴温的异常变化，那么在短短几秒内带有异常情况的列车就可能有几百米的故障距离，造成严重的安全事故。
发明内容
为了解决现有动车组轴温传感器无法直接测量瞬态轴温的问题,本发明提供了一种用于测量瞬态轴温的自更新薄膜热电偶传感器，其可嵌入于高铁轴承内，直接测量瞬态轴温且其具有响应迅速、可自更新、安装方便、体积小、防水防油等优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于测量瞬态轴温的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于包括：
截面上形成有凸台的第一半圆柱结构，所述凸台上沉积有用于测量瞬态轴温的薄膜热电偶；
截面上形成有与所述凸台相匹配的带有阶梯型凹槽的第二半圆柱结构，所述第二半圆柱结构通过固件与所述第一半圆柱结构扣合为圆柱结构且所述圆柱结构具有薄膜热电偶的引线端的一端被置于铠装套筒内。
进一步优选的，所述薄膜热电偶至少包括：
沉积于所述凸台表面的绝缘薄膜；
沉积于所述绝缘薄膜表面且沿凸台的中心轴线对称分布的薄膜热电极一以及薄膜热电极二，所述薄膜热电极一以及薄膜热电极二一端相互搭接形成热电偶传感器的热接点，即测量端，所述薄膜热电极一以及薄膜热电极二另一端分别一一对应粘接有补偿导线一以及补偿导线二以构成引线端；
以及沉积于所述热接点上的保护薄膜。
进一步优选的，所述凹槽为阶梯型凹槽结构，即所述凹槽包括一端自测量端开始延伸，另一端延伸有与之垂直的竖面的第一平面；以及一端与竖面垂直并向引线端延伸的第二平面，且所述第一平面距离第二半圆柱结构截面所对应的槽深小于所述第二平面距离第二半圆柱结构截面所对应的槽深。
进一步优选的，所述绝缘薄膜采用Al2O3绝缘薄膜。
进一步优选的，所述薄膜热电极一和补偿导线一均采用NiCr合金材料。
进一步优选的，所述薄膜热电极二和补偿导线二均采用NiSi合金材料。
进一步优选的，所述保护薄膜为SiOxNy保护薄膜。
进一步优选的，所述第一半圆柱结构以及第二半圆柱结构的基体材料为6061铝合金材料。
进一步优选的，所述测量端伸出所述铠装套筒端面且可加工成与被测对象表面形状相匹配的形状。
进一步优选的，所述固件包括螺钉；且第二半圆柱结构与第一半圆柱结构以凸台和所述螺钉进行定位并通过拧紧补偿导线平端紧定螺钉的尾端以压紧补偿导线一、二的所对应的补偿导线紧固点。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所形成的热电偶传感器能够直接嵌入在高铁轴承(如双列圆锥滚子轴承)外圈内进行测量，且其动态响应时间达微秒级，可实现轴承瞬态温度的直接测量。
附图说明
图1是本发明所述自更新薄膜轴温传感器的分层结构示意图；
图2是本发明所述第二半圆柱结构的结构示意图；
图3是本发明所述NiSi掩模结构图；
图4是本发明所述第一半圆柱结构的结构示意图；
图5是本发明所述NiCr掩模结构图；
图6是本发明所述半圆柱夹具图；
图7是本发明所述自更新薄膜轴温传感器安装示意图。
图中：1、第一半圆柱结构，2、第二半圆柱结构，2a、第一平面，2b、竖面，2c、第二平面，3、Al2O3绝缘薄膜，4、薄膜热电极一，5、薄膜热电极二，6、SiOxNy保护薄膜，7、补偿导线一，8、补偿导线二，9、补偿导线紧固点，10、KD-2常温快干导电银胶，11、单组份室温固化硅橡胶(704W)，12、平端紧定螺钉，13、沉头螺丝，14、热接点，15、铠装套筒，16、NiCr掩模，17、NiSi掩模，18、半圆柱夹具，19、自更新薄膜轴温传感器，20、双列圆锥滚子轴承；A、测量端，B、引线端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1－图2所示，本发明要提供一种用于测量瞬态轴温的自更新薄膜热电偶传感器，其主要是由两个半圆柱结构扣合形成，具体包括：
截面上形成有凸台的第一半圆柱结构1，所述凸台上沉积有用于测量瞬态轴温的薄膜热电偶；进一步优选的，所述薄膜热电偶至少包括：沉积于所述凸台的表面的绝缘薄膜，沉积于所述绝缘薄膜表面且沿凸台的中心轴线对称分布的薄膜热电极一4以及薄膜热电极二5，所述薄膜热电极一4以及薄膜热电极二5一端相互搭接形成热电偶传感器的热接点14，即测量端A，所述薄膜热电极一4以及薄膜热电极二5另一端分别一一对应粘接有补偿导线一7以及补偿导线二8以及沉积于所述热接点上的保护薄膜，热接点面积优选值为10mm×2mm；
截面上形成有与所述凸台相匹配凹槽的第二半圆柱结构2，所述第二半圆柱结构2通过固件与所述第一半圆柱结构1扣合为圆柱结构且所述圆柱结构带有引线端的一端被置于铠装套筒内。
进一步优选的，所述绝缘薄膜采用Al2O3绝缘薄膜3，采用直流脉冲磁控溅射加射频偏压间歇性沉积制备而成，厚度优选值为2.6μm；所述薄膜热电极一4和补偿导线一7均采用NiCr合金材料；所述薄膜热电极二5和补偿导线二8均采用NiSi合金材料；所述保护薄膜为SiOxNy保护薄膜6，所述薄膜热电极一厚度优选值为800nm，所述薄膜热电极二厚度优选值为800nm，所述保护薄膜厚度优选值为1μm。更进一步优选的，所述补偿导线一、补偿导线二的紧固方法为用平端紧定螺钉12尾端压紧法固定。
进一步优选的，由于6061铝合金具有硬度小、易于抛光、热导率高、热膨胀系数小、机加工性好、良好的抗腐蚀性、致密均匀无缺陷且容易涂层等优良特性，故所述第一半圆柱结构1以及第二半圆柱结构2的基体材料为6061铝合金材料，这样的材料可与被测对象配合磨损，实验证明最大磨损长度为6mm；所述铠装套筒材料为不锈钢材料。更进一步优选的，所述铠装套筒15带有锥管螺纹且与所述传感器采用热压配合方法安装为一体。
进一步优选的，所述凹槽为阶梯型凹槽结构，即所述凹槽包括一端自测量端开始延伸，另一端延伸有与之垂直的竖面2b的第一平面2a；以及一端与竖面垂直并向引线端延伸的第二平面2c，且所述第一平面距离第二半圆柱结构截面所对应的槽深小于所述第二平面距离第二半圆柱结构截面所对应的槽深。之所以使得第二半圆柱结构2上的凹槽的槽深不等且测量端A大于引线端B，以适应安装所述补偿导线一7、补偿导线二8的空间需求。
进一步优选的，所述第一半圆柱结构1以及第二半圆柱结构2上设置便于固件安装的螺纹孔，所述固件包括平端紧定螺钉12以及沉头螺丝13。
更进一步优选的，如图3所示，所述测量端A伸出所述铠装套筒端面且可加工成与被测对象表面形状相匹配的形状且所述热接点沿凸台的中心轴线形成矩形结构，这样结构并不会像常规传感器结构的热接点被磨损即不能使用，而本传感器结构的热接点在当前位置被磨损时，其后端可持续测量使用，即其可磨损性提高，间接成为自更新型结构，进而使其使用寿命延长。例如如图7，采用所述自更新薄膜轴温传感器19对双列圆锥滚子轴承20温度进行测量时，为避免传感器测温端A与圆锥滚子发生干涉，将所制备的自更新薄膜轴温传感器19测量端A端面加工成圆锥形且锥度与圆锥滚子锥度一致；然后，将上述加工好的自更新薄膜轴温传感器19安装在双列圆锥滚子轴承20内。
下述具体说明本发明所述传感器的各部件的制备过程：
所述第一半圆柱结构以及第二半圆柱结构的制备：将直径优选值为6mm的6061铝合金圆柱形棒材用电火花线切割加工成第一半圆柱结构1和第二半圆柱结构2；其中，第一半圆柱结构1的凸台设计成长方形的凸台有利于抛光、镀膜和径向定位；第二半圆柱结构2加工成槽深不等的阶梯型凹槽且测量端A大于引线端B，有利于减小测量端缝隙，同时增大引线空间。
绝缘薄膜的制备：将第一半圆柱结构1的凸台上表面分别用800#、1000#、1200#、1500#水砂纸从粗到细精磨，然后用粒度小于2.5μm的水溶性抛光膏在金相抛光机上抛光至镜面，置于超声波清洗机内分别用丙酮、酒精和去离子水清洗两次，用N2气吹干后固定在如图6所示的半圆柱夹具18上，然后一同放入JZFZJ-50S高真空多功能复合镀膜机的真空溅射室内，关闭溅射室。为保证所制备的绝缘薄膜结合力、致密性、绝缘性更好，本发明优选Al2O3薄膜作为热电偶的绝缘薄膜，其采用直流脉冲磁控溅射加射频偏压间歇性沉积法制备Al2O3绝缘薄膜3，即在直流脉冲磁控溅射基础上加60V射频偏压，并且每溅射20分钟，暂停5分钟；且整个过程每溅射1小时，暂停20分钟。
薄膜热电极的制备：在制备好的Al2O3绝缘薄膜上覆盖如图5所示的NiCr掩模16，采用直流脉冲磁控溅射沉积薄膜热电极一4，其制备过程与Al2O3绝缘薄膜3相同；再在制备好的薄膜热电极一4上覆盖如图2所示的NiSi掩模17，其制备过程和薄膜热电极一4相同；薄膜热电极一4与薄膜热电极二5重合部分形成热电偶传感器的热接点14，即测温端A。
保护薄膜的制备：SiOxNy薄膜6利用Si-O-Si桥键的柔性降低薄膜的内应力；利用Si-N-Si桥键的刚性提高SiOxNy薄膜的致密性，因此SiOxNy薄膜可对热接点14起到很好的保护作用。故本发明优选SiOxNy薄膜作为热接点14的保护薄膜；即将薄膜热电极一4和薄膜热电极二4的引脚部分用铝箔纸包裹严实，只让热接点14部分裸露出来，在热接点上采用直流脉冲磁控溅射沉积SiOxNy保护薄膜6，其制备过程与薄膜热电极4、5制备过程相同。
组装：用补偿导线一7和补偿导线二8的头端与薄膜热电极一4和薄膜热电极二5的尾端在第一半圆柱结构1上表面一一对应，并在两接点处涂覆KD-2常温快干导电银胶10，在室温下静置半小时，使补偿导线一7和补偿导线二8分别与薄膜热电极一4和薄膜热电极二5粘接牢固；最后涂覆适量单组份室温固化硅橡胶(704W)11于KD-2常温快干导电银胶10表面，以保护引脚粘接处。
将第二半圆柱结构7与上述制备好的第一半圆柱结构1用凸台和螺钉13进行定位，装配成圆柱型热电偶传感器结构，然后拧紧补偿导线平端紧定螺钉12，用所述紧定螺钉12尾端压紧补偿导线7、8的补偿导线紧固点9，以增加补偿导线7、8与薄膜热电极一4和薄膜热电极二5连接的可靠性；再将装配好的热电偶传感器与铠装套筒15采用热压装配法装配；最后，将热电偶传感器两端缝隙用耐高温的导热胶进行填充，以避免水、润滑脂、磨粒等杂质进入热电偶内部。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于测量瞬态轴温的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于，自更新薄膜热电偶传感器嵌入于高铁轴承内，直接测量瞬态轴温，包括：
截面上形成有凸台的第一半圆柱结构，所述凸台上沉积有用于测量瞬态轴温的薄膜热电偶；
截面上形成有与所述凸台相匹配的凹槽的第二半圆柱结构，所述第二半圆柱结构通过固件与所述第一半圆柱结构扣合为圆柱结构且所述圆柱结构具有薄膜热电偶的引线端的一端被置于铠装套筒内；
所述薄膜热电偶包括：
沉积于所述凸台表面的绝缘薄膜；
沉积于所述绝缘薄膜表面且沿凸台的中心轴线对称分布的薄膜热电极一以及薄膜热电极二，所述薄膜热电极一以及薄膜热电极二一端相互搭接形成热电偶传感器的热接点，即测量端；所述薄膜热电极一以及薄膜热电极二另一端分别一一对应粘接有补偿导线一以及补偿导线二以构成引线端；
以及沉积于所述热接点上的保护薄膜；
所述测量端伸出所述铠装套筒端面且可加工成与被测对象表面形状相匹配的形状，且所述热接点沿凸台的中心轴线形成矩形结构，使得热接点在当前位置被磨损时，其后端也可持续测量使用，间接成为自更新型结构。
2.根据权利要求1所述的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于：所述测量端伸出所述铠装套筒端面且可加工成与被测对象表面形状相匹配的形状。
3.根据权利要求1所述的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于：
所述凹槽为阶梯型凹槽结构，即所述凹槽包括一端自测量端开始延伸、另一端延伸有与之垂直的竖面的第一平面；以及一端与竖面垂直、并向引线端延伸的第二平面，且所述第一平面距离第二半圆柱结构截面所对应的槽深小于所述第二平面距离第二半圆柱结构截面所对应的槽深。
4.根据权利要求1所述的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于：
所述第一半圆柱结构以及第二半圆柱结构的基体材料为6061铝合金材料。
5.根据权利要求1所述的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于：
所述绝缘薄膜采用Al2O3绝缘薄膜。
6.根据权利要求1所述的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于：所述薄膜热电极一和补偿导线一均采用NiCr合金材料。
7.根据权利要求1所述的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于：所述薄膜热电极二和补偿导线二均采用NiSi合金材料。
8.根据权利要求1所述的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于：所述保护薄膜为SiOxNy保护薄膜。
9.根据权利要求1所述的自更新薄膜热电偶传感器，其特征在于：
所述固件包括螺钉；且第二半圆柱结构与第一半圆柱结构以凸台和所述螺钉进行定位并通过拧紧补偿导线平端紧定螺钉的尾端以压紧补偿导线一、二的所对应的补偿导线紧固点。
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