CN110208564B - 一种轮齿式液态金属转速传感器及转速测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮齿式液态金属转速传感器及转速测量方法，其中，传感器包括：一密闭的腔体；液态金属，设置于所述腔体内;连接轴，可转动地设置在所述腔体的一个端面上，并贯穿至所述腔体内部；所述连接轴具有导电性；轮齿式转子，固定于所述连接轴上，并位于所述腔体内部，所述轮齿式转子的轮齿齿顶导电，轮齿齿根不导电，并且一部分轮齿浸没在所述液态金属中；电信号接收组件，由外贯穿至所述腔体的内部，并与所述液态金属电连接。本发明的轮齿式液态金属转速传感器在测速时，阻力仅来自液态金属，相比传统的纯机械结构式转速传感器，阻力非常小；同时液态金属又具有良好的散热和润滑性能，可适应高速旋转状况下的转速测量。
Description
技术领域
本发明涉及转速传感器领域，尤其涉及一种轮齿式液态金属转速传感器及转速测量方法。
背景技术
转速传感器是一种将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。现有的转速传感器，主要是通过机械结构直接传递转动状态来进行转速测量，但这种测试方法中，测试传感器对测速轴会产生一定量的负载和阻力，该现象在机电系统中尤为明显。另外测试传感器的轴瓦在带电状况下不断摩擦，也极易发热，甚至磨损之后还可能产生电火花，严重影响电连接器的性能，并导致危险事故的发生。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轮齿式液态金属转速传感器及转速测量方法，旨在解决现有的机械结构式转速传感器可靠性差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种轮齿式液态金属转速传感器，包括：
一密闭的腔体；
液态金属，设置于所述腔体内；
连接轴，可转动地设置在所述腔体的一个端面上，并贯穿至所述腔体内部；所述连接轴具有导电性；
轮齿式转子，固定于所述连接轴上，并位于所述腔体内部，所述轮齿式转子的轮齿齿顶导电，轮齿齿根不导电，并且一部分轮齿浸没在所述液态金属中；
电信号接收组件，由外贯穿至所述腔体的内部，并与所述液态金属电连接；
外部电流由所述连接轴输入，并通过所述连接轴传递至所述轮齿式转子，然后流经所述液态金属，最后从所述电信号接收组件流出。
所述的轮齿式液态金属转速传感器，其中，所述轮齿式转子的轮齿为对称齿形。
所述的轮齿式液态金属转速传感器，其中，所述液态金属为镓铟合金或镓铟锡合金。
所述的轮齿式液态金属转速传感器，其中，所述电信号接收组件包括：
与所述液态金属电连接的感应电极；
与所述感应电极电连接的信号接收器，用于接收并处理所述感应电极所感应的电流脉冲；
与所述信号接收器电连接的输出端子，用于将所述信号接收器接收的信号输出。
所述的轮齿式液态金属转速传感器，其中，所述腔体的底部固定有止推轴承，所述连接轴抵接在所述止推轴承上。
所述的轮齿式液态金属转速传感器，其中，所述腔体包括一端设置有容纳腔的基座，以及用于密封所述容纳腔的密封端盖，所述密封端盖上设置有轴安装孔，所述连接轴可转动地安装在所述轴安装孔中。
所述的轮齿式液态金属转速传感器，其中，所述基座的顶部还设置有连通所述容纳腔的通孔，所述通孔处设置有用于测量所述液态金属的液位的探针。
所述的轮齿式液态金属转速传感器，其中，所述密封端盖朝内的一侧设置有环绕所述连接轴的环形槽，所述环形槽中设置有用于密封所述容纳腔的O形圈。
所述的轮齿式液态金属转速传感器，其中，所述O形圈的表面修饰有疏水涂层。
一种转速测量方法，包括步骤：将待测试转动组件与如上所述的轮齿式液态金属转速传感器中的连接轴连接，启动待测试转动组件，所述待测试转动组件的转速R为：
R=N/( n×T)，
其中N为时间段T内，所述电信号接收组件接受到的脉冲信号个数，n为所述轮齿式转子的轮齿个数。
有益效果：本发明提供了一种如上所述的轮齿式液态金属转速传感器，本发明的轮齿式液态金属转速传感器在测速时，阻力仅来自液态金属，相比传统的纯机械结构式转速传感器，阻力非常小；同时液态金属又具有良好的散热和润滑性能，可应用于灰尘、水下等极端环境，可以适应高速旋转状况下的转速测量，极大地提高了转速传感器的响应速度和稳定性，极大地提高了转速传感器的响应速度和稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种轮齿式液态金属转速传感器的较佳实施例的组装图。
图2为图1的爆炸图。
图3为图1的局部剖视图。
图4为本发明的一种电信号接收组件的实施例图。
图5为本发明的轮齿式液态金属转速传感器设置止推轴承的实施例图。
图6为本发明的轮齿式液态金属转速传感器设置O形圈的实施例图。
图7为图1中从密封端盖沿轴向的投影视图。
图8为沿图7中A-A线的剖视图。
图9为图8中B部分的放大图。
具体实施方式
本发明提供了一种轮齿式液态金属转速传感器及转速测量方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。同时本发明中，“导电”的处理方式有：直接选择导体材料或者在不导电材料上制作导电涂层；“不导电”也可以依此原理做类似的处理。
本发明提供了一种轮齿式液态金属转速传感器的较佳实施例，如图1、图2和图3所示，包括基座1、密封端盖2、液态金属、轮齿式转子3以及电信号接收组件4，基座1与密封端盖2组装构成密闭的腔体。基座1的外形并不限制，图中是以圆柱形基座为例，基座1的一端设置有容纳腔11，另一端根据实际需要可以设置法兰12。密封端盖2设置在容纳腔11的敞口处，对容纳腔11进行密封。液态金属和轮齿式转子3均密封在容纳腔11内，其中，液态金属可以是镓铟合金或镓铟锡合金。密封端盖2上设置有轴安装孔21，轮齿式转子3通过连接轴31与轴安装孔21连接，并且相对于密封端盖2可转动，并且连接轴31可导电。轮齿式转子3的轮齿齿顶导电，轮齿齿根不导电，并且一部分轮齿浸没在所述液态金属中。基座1的顶部还设置有与容纳腔11连通的凹槽13，电信号接收组件4设置在凹槽13中，并且与容纳腔11中的液态金属电连接。
本发明的轮齿式液态金属转速传感器的工作原理为：外部电流由连接轴31输入，电流通过连接轴31传递至轮齿式转子3，然后流经液态金属，最后从电信号接收组件4流出；待测试设备的机械转动通过连接轴31传递给轮齿式转子3，而轮齿式转子3存在轮齿齿顶导电、轮齿齿根不导电的差异，在轮齿式转子3转动过程中，内部电路输出的电流信号为脉冲式信号，脉冲频率与轮齿式转子3的轮齿数目有关。将一定时间内的脉冲信号个数除以轮齿式转子3的轮齿数可以获得该时间内转动圈数，再除以该时间即可得到转速。本发明的轮齿式液态金属转速传感器在测速时，阻力仅来自液态金属，相比传统的纯机械结构式转速传感器，阻力非常小；同时液态金属又具有良好的散热和润滑性能，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了转速传感器的响应速度和稳定性。
本发明提供了一种电信号接收组件4的具体结构，如图3、图4和图5所示，包括依次电连接的感应电极41、信号接收器42和输出端子43，感应电极41从凹槽13的底部深入至容纳腔11中，并浸没如液态金属，电信号从液态金属流至感应电极41，然后传导至信号接收器42，信号接收器42将感应到的电流脉冲传导给输出端子43，并由输出端子43将信号输出。优选的，感应电极的末端到轮齿式转子3的齿顶圆距离，在50μm至2000μm之间，具体的尺寸设计需要根据具体的转速来确定，转速越高值要求越小。需要强调的是，本传感器对传感区域的长度尺寸无特殊要求，可以做的很小精度却不会受到任何影响，在制造工艺满足的条件下，传感器腔体的尺寸可以小于50μm。
本发明的轮齿式转子3可以采用普通的圆柱齿轮，但是圆柱齿轮无法直接调整齿顶与电信号接收组件4（或感应电极41）之间的间距，加工完成后该间距就确定了，而该间距对脉冲信号的大小、传感器的灵敏度是有影响的，为关键参数。因此，优选的方案为，采用锥齿轮（或伞形齿轮），当需要调整时，可以通过增加垫片，或套筒，移动锥齿轮在连接轴31上的位置，来调整该间距。轮齿式转子3的轮齿可以是对称齿形或非对称齿形，优选对称齿形，具体的形状可以是渐开线齿形、矩形齿形、梯形齿形等。
为了防止轮齿式转子3在旋转过程中与容纳腔11的底部发生摩擦，可以在容纳腔11的底部设置一个止推轴承5，连接轴31抵接在止推轴承5上，如图2和4所示，两者可以同步转动。
本发明还可以设置一个用于监测液态金属的液位的探针6，具体如图2、图3所示，在基座1的顶部设置一通孔14，通孔14与容纳腔11连通，探针6固定在通孔14中，并向内伸出一定的长度，用来探测液态金属的液位。此外，通孔14也可以用于补充液态金属，实现调整液位的目标。探针6需要采用不导电材料制作，探针6的下端应低于轮齿式转子3的轮齿分度圆（或矩形尺中心圆），准用刻度应高于轮齿式转子3的轮齿齿顶圆。在检测液态金属液面位置时，应将传感器静置一段时间，让液态金属从容纳腔11的腔壁上充分回流，减少测量误差。
为了提高整体的密封性，防止液态金属泄漏，可以增加一O形圈7进行密封。具体的如图6所示，在密封端盖2朝内的一侧设置环绕连接轴31的环形槽22，O形圈7置于环形槽22中即可。优选的，O形圈的表面修饰疏水涂层，可以起到更好的防泄漏效果。
本发明上述实施例中，电信号接收组件4和用于监测液态金属的液位的探针6的具体连接方式，可以参照图7、图8和图9。
基于本发明的轮齿式液态金属转速传感器，本发明还提供了一种转速测量方法。具体的，首先将待测试转动组件与连接轴31连接，启动待测试转动组件后，待测试转动组件的转动通过连接轴31传递给轮齿式转子3，轮齿式转子3转动过程中，从连接轴31端输入的电流会变成脉冲电流从接收组件4输出，待测试转动组件的转速R可通过下述公式计算得到，
R=N/( n×T)，
其中N为时间段T内，所述电信号接收组件接受到的脉冲信号个数，n为所述轮齿式转子的轮齿个数。
本发明的轮齿式液态金属转速传感器在设计制作时需要考虑多种因素，本发明给出了一种设计制作实施例，包括以下步骤：
S1、根据使用环境的温度条件以及传感器的散热性，选用不同比例制造的镓铟合金或镓铟锡合金，并在测试电路条件下进行粘性阻力测试。
S2、根据测速输入端的条件和转速测量需求来设计感应电极、轮齿式转子的齿数N。
S3、根据安装环境和位置尺寸设计传感器外壳，在传感器外壳内表面安装感应电极，通过O形环的厚度调节容纳腔腔体的实际有效间隙，并根据安装位置和转速测量需求来设计轮齿式转子的模数、感应电极的伸出长度，进一步确定测速转子的直径，并选用止推轴承的型号，从而根据许用的腔体间隙尺寸确定底座内表面尺寸。
S4、根据感应电极的安装位置以及伸出长度到轮齿式转子的齿顶圆距离，设计液态金属液位的探针。
S5、根据安装环境和位置尺寸设计传感器基座，在传感器基座上依次安装感应电极，信号接收器、止推轴承、轮齿式转子、液态金属液位探针，并检查相互是否存在相互干涉。
S6、根据传感器基座尺寸设计端盖，在端盖上需要设计端盖O型密封圈安装槽，将制备好的液态金属通过液态金属液位探针的安装孔充入到测速腔体中并测试其防泄漏特性。
S7、在初次装配后，需要进行通电测试实验，保证装配的有效性。
其中，所述步骤S1中，在选取液态金属时需要考量其带电状态下的粘性阻力、电阻值的扰动以及其对电极材料的湿润性。
综上所述，本发明提供了一种轮齿式液态金属转速传感器及转速测量方法，本发明的轮齿式液态金属转速传感器在测速时，阻力仅来自液态金属，相比传统的纯机械结构式转速传感器，阻力非常小；同时液态金属又具有良好的散热和润滑性能，可应用于灰尘、水下等极端环境，可以适应高速旋转状况下的转速测量，极大地提高了转速传感器的响应速度和稳定性，极大地提高了转速传感器的响应速度和稳定性；并且传感器结构简单，设计紧凑，各部分相对独立，具有良好互换性，可以实现模块化、系列化和快速设计；方便维护和检修；本传感器对传感区域的长度尺寸无特殊要求，可以做的很小，传感器腔体的缝隙可以小于50μm。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种轮齿式液态金属转速传感器，其特征在于，包括：
一密闭的腔体；
液态金属，设置于所述腔体内；
连接轴，可转动地设置在所述腔体的一个端面上，并贯穿至所述腔体内部；所述连接轴具有导电性；
轮齿式转子，固定于所述连接轴上，并位于所述腔体内部，所述轮齿式转子的轮齿齿顶导电，轮齿齿根不导电，并且一部分轮齿浸没在所述液态金属中；
电信号接收组件，由外贯穿至所述腔体的内部，并与所述液态金属电连接；
外部电流由所述连接轴输入，并通过所述连接轴传递至所述轮齿式转子，然后流经所述液态金属，最后从所述电信号接收组件流出；
所述电信号接收组件包括：与所述液态金属电连接的感应电极；
与所述感应电极电连接的信号接收器，用于接收并处理所述感应电极所感应的电流脉冲；与所述信号接收器电连接的输出端子，用于将所述信号接收器接收的信号输出；
所述感应电极深入至容纳腔中，并浸没入所述液态金属；
所述感应电极的末端到所述轮齿式转子的齿顶圆距离为50μm-2000μm；
所述轮齿式转子采用锥齿轮且所述轮齿式转子的轮齿为对称齿形。
2.根据权利要求1所述的轮齿式液态金属转速传感器，其特征在于，所述液态金属为镓铟合金或镓铟锡合金。
3.根据权利要求1所述的轮齿式液态金属转速传感器，其特征在于，所述腔体的底部固定有止推轴承，所述连接轴抵接在所述止推轴承上。
4.根据权利要求1所述的轮齿式液态金属转速传感器，其特征在于，所述腔体包括一端设置有容纳腔的基座，以及用于密封所述容纳腔的密封端盖，所述密封端盖上设置有轴安装孔，所述连接轴可转动地安装在所述轴安装孔中。
5.根据权利要求4所述的轮齿式液态金属转速传感器，其特征在于，所述基座的顶部还设置有连通所述容纳腔的通孔，所述通孔处设置有用于测量所述液态金属的液位的探针。
6.根据权利要求4所述的轮齿式液态金属转速传感器，其特征在于，所述密封端盖朝内的一侧设置有环绕所述连接轴的环形槽，所述环形槽中设置有用于密封所述容纳腔的O形圈。
7.根据权利要求6所述的轮齿式液态金属转速传感器，其特征在于，所述O形圈的表面修饰有疏水涂层。
8.一种转速测量方法，其特征在于，包括步骤：将待测试转动组件与权利要求1-7任一项所述的轮齿式液态金属转速传感器中的连接轴连接，启动待测试转动组件，所述待测试转动组件的转速R为：R＝N/(n×T)，其中N为时间段T内，所述电信号接收组件接受到的脉冲信号个数，n为所述轮齿式转子的轮齿个数。
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