CN110208565B - 一种法兰式磁流体转速传感器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种法兰式磁流体转速传感器及其设计方法，所述传感器包括壳体及设置在该壳体上的下端盖与安装有法兰盘的上端盖；还包括设置在壳体上用于感应并记录测速电路中的电流通断次数的感应电极；设置在壳体上并贯穿该壳体以及所述上端盖、下端盖的测速轴；以及设置在壳体内用于通过电流通断次数来测量所述测速轴转动圈数的测速转子；所述测速转子包括套筒以及设置在该套筒上的装载有测速电路的输入电极；所述上端盖、下端盖与壳体之间形成一用于进行测速的测速腔体，测速腔体具有一定间隙，该间隙中设置有用于控制传感电路通断的带有非磁性导电颗粒的磁流体，以达到提高磁流体转速传感器的响应速度、稳定性、可靠性以及经济性。

Description

一种法兰式磁流体转速传感器及其设计方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及的是一种法兰式磁流体转速传感器及其设计方法。

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。现有技术的主要是通过直接传递转动状态来进行转速测量，但这种形式造成测速传感器对测速轴产生了一定量的负载和阻力，这种现象在机电系统中尤为明显，另外内部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，并且，目前大多数转速传感器需要使用精密微加工来制造传感器核心部件，一是这种传感器在设计上需要复杂的微观结构，二是这样的特殊结构需要的加工成本通常也非常高，导致整个转速传感器的成本骤然升高。

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法兰式磁流体转速传感器及其设计方法，以解决现有的机械结构式转速传感器不可靠、工作环境要求较多、生产加工成本较高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种法兰式磁流体转速传感器，包括壳体以及设置在该壳体底部的下端盖，还包括设置在所述壳体顶部并安装有法兰盘的上端盖；设置在所述壳体上用于感应并记录测速电路中的电流通断次数的感应电极；设置在所述壳体上并贯穿该壳体以及所述上端盖、下端盖的测速轴；以及设置在壳体内用于通过电流通断次数来测量所述测速轴转动圈数的测速转子；所述测速转子包括套筒以及设置在该套筒上的装载有测速电路的输入电极；所述上端盖、下端盖与壳体之间形成一用于进行测速的测速腔体，所述测速腔体具有一定间隙，该间隙中设置有用于控制传感电路通断的磁流体。

本发明的进一步设置，所述套筒为磁性材料制成，所述输入电极贴合在所述套筒的外表面上并连接测速电路的输入端。

本发明的进一步设置，所述磁流体为带有非磁性导电颗粒的磁流体；所述壳体为非磁性材料制成的壳体，所述感应电极贴附在所述壳体的内表面上，并外接测速电路用于感应测速电流。

本发明的进一步设置，所述上端盖与所述测速转子之间以及所述下端盖与所述测速转子之间均设置有磁密封调整环。

本发明的进一步设置，所述磁密封调整环设置在所述测速腔体内，并用于调整所述测速腔体内间隙的大小。

本发明的进一步设置，所述上端盖与所述下端盖分别对传感器的上下两端进行密封以形成所述测速腔体，且所述上端盖与所述下端盖均设置有密封槽。

本发明的进一步设置，所述测速轴为转速输入轴和/或通过联轴器连接转速输入轴的短轴。

本发明的进一步设置，所述测速转子上设置有用于连接并传递所述测速轴与所述测速转子之间回转运动的键。

本发明的进一步设置，所述测速转子的内表面以及所述测速轴的外表面均开设有与所述键适配的滑键键槽。

一种传感器的设计方法，用于上述的传感器中，所述方法包括步骤：

S1、根据非磁性导电粒子制备磁流体；

S2、根据测速输入端的条件和转速测量需求来设计测速轴、键和带输入电极的测速转子；

S3、根据测速腔体的宽度和转速测量需求来设计测速转子的输入电极个数N；

S4、根据安装环境和位置尺寸设计传感器的外壳，在传感器的外壳内表面安装感应电极，通过磁密封调整环的厚度调节传感器的测速腔体的实际有效间隙δ；

S5、根据测速转子上的输入电极与感应电极对应的测速位置，将键和带输入电极的测速转子安装在测速轴上；

S6、根据传感器外壳的尺寸设计下端盖于上端盖，在上端盖上开设密封永磁铁安装槽，其后安装永磁铁，并将制备好的混有非磁性导电颗粒的铁磁流体充入到测速腔体中并测试其防泄漏特性；

S7、在初次装配后，对其进行通电测速实验。

本发明所提供的一种法兰式磁流体转速传感器及其设计方法，本发明具有以下优点：（1）本发明的磁流体转速传感器结构简单，设计紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修；（2）本发明的磁流体转速传感器具有良好的互换性、可以实现模块化、系列化以及快速设计；（3）本发明的磁流体转速传感器对工作环境无特殊要求，能够适应各种特殊环境；（4）本发明利用磁性流体自身特性，可以适应高速旋转状况下的转速测量；（5）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。与现有技术相比，本发明结构紧凑，响应时间较短，较传统的纯机械结构式磁流体转速传感器，磁流体转速传感器具有结构简单，加工成本较低，同时磁流体又具有良好的密封、散热和润滑性能，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了磁流体转速传感器的响应速度、稳定性、可靠性和经济性。

附图说明

图1是本发明中法兰式磁流体转速传感器的立体图。

图2为本发明的法兰式磁流体转速传感器原理示意图。

图3为本发明的法兰式磁流体转速传感器中下端盖与测试轴的结构示意图。

图4为为本发明的法兰式磁流体转速传感器装配示意图。

图5为图4中A处的放大图。

图6为本发明的法兰式磁流体转速传感器的带输入电极的测速转子示意图。

图7为本发明的法兰式磁流体转速传感器的测试轴和测速转子连接示意图。

图8为本发明的显微镜下纳米铜球颗粒自组装实验结果示意图。

图9为本发明的法兰式磁流体转速传感器的传感器外壳示意图。

图10为本发明的法兰式磁流体转速传感器的带密封槽的法兰密封端盖示意图。

附图中各标记：1、壳体；2、下端盖；3、上端盖；4、测速轴；5、测速转子；51、套筒；52、输入电极；6、感应电极；7、键；8、磁密封调整环；9、密封槽。

具体实施方式

本发明提供一种法兰式磁流体转速传感器及其设计方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例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。

请同时参阅图1至图10，本发明提供了一种法兰式磁流体转速传感器的较佳实施例。

如图1至图5所示，一种法兰式磁流体转速传感器，包括壳体1以及设置在该壳体1底部的下端盖2，壳体1主要作为磁流体转速传感器的外部支撑件，还包括设置在所述壳体1顶部并安装有法兰盘的上端盖3，具体地，为避免磁性材料影响磁流体转速传感器的磁场分布状况，所述壳体1选用非磁性材料，同理，请结合图10，法兰式的上端盖3也是非磁性材料制成，且其上的法兰盘在轴向进行安装，所述壳体1上还设置有贯穿该壳体1以及所述上端盖3、下端盖2的测速轴4，请继续参阅图6，所述转速传感器还包括设置在所述壳体1上用于感应并记录测速电路中的电流通断次数的感应电极6，具体地，所述感应电极6贴附在所述壳体1的表面上，并外接测速电路用于感应测速电流，以及设置在壳体1内用于通过电流通断次数来测量所述测速轴4转动圈数的测速转子5，请继续参阅图7，所述测速转子5包括套筒51以及设置在该套筒51上的装载有测速电路的输入电极52，较佳地，所述套筒51为磁性材料制成，优选的，该磁性材料为永磁铁，所述输入电极52贴合在所述套筒51的外表面上并连接测速电路的输入端，结合图4，所述上端盖3、下端盖2与壳体1之间形成一用于进行测速的测速腔体，所述测速腔体具有一定间隙，该间隙中设置有用于控制传感电路通断的带有非磁性导电颗粒的磁流体。

本发明的法兰式磁流体转速传感器的工作原理为:磁性材料制成的套筒51用于提供磁场，混有非磁性导电颗粒的铁磁流体在一定的磁场作用下，会出现沿磁感线方向进行自组装从而形成链状结构，该链状结构能够实现两个电路之间的连通作用，因此可以通过控制磁场改变磁性流体的状态来实现传感器电路的闭合与断开。当测速轴4带动测速转子5转动时，贴合在套筒51表面上并连接测速电路输入端的输入电极52会依次经过设置在壳体1内壁的感应电极6，通过铁磁流体将输入电极52与感应电极6连接，以实现电流导通，壳体1上的感应电极6设置为一个，套筒51上均匀分布有若干个输入电极52，输入电极52的个数即为测速转子5转动一圈感应器电流通断的次数，从而达到通过电流通断次数来测量测速转子5转动的圈数，进而实现对转速的测量。

通过上述技术方案，本发明的非接触式磁流体转速传感器不仅结构紧凑，响应时间较短，较传统的纯机械结构式磁流体转速传感器，磁流体转速传感器结构简单，各部分相对独立，方便维护和检修，具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速设计，利用磁性流体自身特性，可以适应高速旋转状况下的转速测量，且加工成本较低，同时磁流体又具有良好的密封、散热和润滑性能，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了磁流体转速传感器的响应速度、稳定性、可靠性和经济性。

进一步地，所述磁流体为带有非磁性导电颗粒的铁磁流体，对于水基磁流体配制的带有非磁性导电颗粒的铁磁流体来讲，其磁场强度应大于0.2T（特斯拉），对于油基磁流体配制的带有非磁性导电颗粒的铁磁流体来讲，其磁场强度应大于0.1T（特斯拉），常用材料有钕铁硼永磁铁、铁氧体永磁铁。

其中，请参阅图8，所述的非磁性颗粒导电颗粒，是将一定量微米级或纳米级非磁性导电颗粒混入到温敏绝缘磁性流体中，并通过保持剂（如：苯乙烯或磷酸盐缓冲液）保持其均匀混合状态，包括有纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级银线、碳纳米管等。

在其中一个实施例中，所述测速腔体的间隙主要用于存放和填充混有非磁性导电颗粒的铁磁流体，优选地，该空隙的大小在100微米至500微米之间，具体的尺寸设计需要根据具体的转速来确定，转速越高空隙要求越小，转速越低空隙的间距要求降低。较佳地，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，在技术允许的条件下，传感器腔体的缝隙可以小于50微米。

进一步地，请参阅图2与图9，所述上端盖3与所述测速转子5之间以及所述下端盖2与所述测速转子5之间均设置有用于防止所述磁流体的混合溶液泄漏的磁密封调整环8。

具体地，所述的磁密封调整环8主要利用了在磁场作用下磁流体磁粘性增大的特性，对于水基磁流体来讲，永磁铁的磁场强度应大于0.2T（特斯拉），对于油基磁流体来讲，永磁铁的磁场强度应大于0.1T（特斯拉），常用材料有钕铁硼永磁铁、铁氧体永磁铁。所述测速腔体的间隙主要由传感器的壳体1的内壁、上端盖3、下端盖2、磁密封调整环8和测速转子5之间的缝隙构成，磁流体的混合溶液置于该间隙中，通过磁密封调整环8可以有效防止磁流体的溶液泄漏。

优选地，所述磁密封调整环8设置在所述测速腔体内，并用于调整所述测速腔体内间隙的间距大小，具体地，磁密封调整环8的外形和尺寸可以对传感器腔体的外形和尺寸进行一定的调整，进而实现对测速腔体内间隙的间距进行调整。

进一步地，请参阅图2，所述上端盖3与所述下端盖2均设置有密封槽9，并分别对传感器的上下两端进行密封以形成所述测速腔体，具体地，所述的带密封槽9的上端盖3以及下端盖2用于封闭内部空间形成测速腔体，其密封槽9可以有效的对传感器端面进行密封，其中，带密封槽9的上端盖3开设有端盖密封永磁铁安装槽，用以安装永磁铁，以进一步对法兰盘式的上端盖3进行密封。

进一步地，所述测速轴4为转速输入轴和/或通过联轴器连接转速输入轴的短轴。

具体地，所述的测速轴4采用非磁性材料，或在表面镀设铅层，当被测轴轴径较大且无磁性时，可以直接通过键连接进行测速，当被测轴具有弱磁性、轴径较细或者较粗时，则需要联轴器连接到测速轴4上。

优选地，请参阅图2，所述测速转子5上设置有用于连接并传递所述测速轴4与所述测速转子5之间回转运动的键7，具体地，根据测速转子5上的输入电极52与感应电极6对应的测试位置，将键7和带输入电极52的测速转子5安装在测速轴4上。

较佳地，请参阅图3与图7，所述测速转子5的内表面以及所述测速轴4的外表面均开设有与所述键7适配的滑键键槽。

具体地，通过键7将测速转子5与测速轴4进行连接，其结构简单，方便维护于检修，同时可以适应高速旋转状况下的转速测量，其中，测速轴4通过键7与所述套筒51连接，且整个套筒51需要进行机械动平衡测试以平衡负载引起的扰动。

基于本发明的法兰式磁流体转速传感器，本发明还提供了一种转速测量方法。具体地，当测速轴4带动测速转子5转动时，贴合在套筒51表面上并连接测速电路输入端的输入电极52会依次经过设置在壳体1内的感应电极6，通过铁磁流体将输入电极52与感应电极6连接，以实现一次电流导通，壳体1上的感应电极6设置为一个，套筒51上均匀分布有若干个输入电极52，输入电极52的个数即为测速转子5转动一圈感应器电路通断的次数，从而达到通过电流通断次数来测量测速转子5转动的圈数，进而实现对转速的测量。

本发明给出了一种设计方法实施例，包括以下步骤：

S1、根据非磁性导电粒子制备磁流体；

具体地，根据非磁性微导电粒子的物理化学性质选用不同基载液的磁流体进行悬浮溶解，由于感温绝缘磁流体具有良好的散热性，一般常用感温绝缘磁流体，常用的感温绝缘磁流体有水基、油基、酯基和氟醚油等磁流体，基载液可以选用水、机油、羟基油等溶剂进行配制，配制后需进行实验测量，要求在设计磁场强度下自组装成链长度为L的自组装效率达到80%。

其中，常用的感温绝缘磁流体有水基、油基、酯基和氟醚油等磁流体，选用时综合考虑实验流体粘度、压力和经济性来选择不同磁化强度的磁流体，磁化强度越高，磁流体固体特性越明显，自组装的效率也会大幅度提升，同时磁粘性引起的阻力也会大幅度增加，在设计时需要综合考量磁粘性引起的阻力和自组装效率的因素。

S2、根据测速输入端的条件（如：是否带有磁性，轴径状况如何）和转速测量需求来设计测速轴4、键7和带输入电极52的测速转子5；

S3、根据S1中的自组装实验设计测速腔体的尺寸，并根据测速腔体的宽度和转速测量需求来设计测速转子5的输入电极52个数N；

其中，通常对匀速转速测量采用对称布置输入电极52，对转速存在变加速、只关注部分转角或者往复转动时则根据实际需求采用非对称布置输入电极52。

S4、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6，通过磁密封调整环8的厚度调节传感器腔体的实际有效间隙δ，其中，δ<L，L为实验测得的自组装链状结构长度；

较佳地，腔体间隙大小δ通过步骤S1中的自组装实验进行确定，并考虑转动的因素，因此，实际尺寸略小于实验测得的自组装链状结构长度L，常用的取值范围为L/4<δ<L。

S5、根据测速转子5上的输入电极52与感应电极6对应的测试位置，将键7和带输入电极52的测速转子5安装在测速轴4上。

S6、根据传感器的壳体1尺寸设计端盖，在上端盖3开设端盖密封永磁铁安装槽，其后安装永磁铁，并将制备好的混有非磁性导电颗粒的铁磁流体充入到测速腔体中并测试其防泄漏特性；

其中，永磁铁与密封面之间需要留有0.02至0.2毫米的间隙。

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。

所述步骤S2还包括：在确定尺寸后，应进行初步的静平衡和动平衡计算，以平衡轴上负载不均匀带来的附加扰动。

综上所述，本发明所提供的一种法兰式磁流体转速传感器及其设计方法，上述的非接触式磁流体转速传感器不仅结构紧凑，响应时间较短，较传统的纯机械结构式磁流体转速传感器，磁流体转速传感器结构简单，各部分相对独立，方便维护和检修，具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速设计，利用磁性流体自身特性，可以适应高速旋转状况下的转速测量，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，在技术允许的条件下，传感器腔体的缝隙可以小于50μm，且加工成本较低，同时磁流体又具有良好的密封、散热和润滑性能，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了磁流体转速传感器的响应速度、稳定性、可靠性和经济性。

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 (10)

1.一种法兰式磁流体转速传感器，包括壳体以及设置在该壳体底部的下端盖，其特征在于，还包括设置在所述壳体顶部并安装有法兰盘的上端盖；设置在所述壳体上用于感应并记录测速电路中的电流通断次数的感应电极；设置在所述壳体上并贯穿该壳体以及所述上端盖、下端盖的测速轴；以及设置在壳体内用于通过电流通断次数来测量所述测速轴转动圈数的测速转子；所述测速转子包括套筒以及设置在该套筒上的装载有测速电路的输入电极；所述输入电极有若干个，若干个所述输入电极均匀分布在所述套筒上；所述上端盖、下端盖与壳体之间形成一用于进行测速的测速腔体，所述测速腔体具有一定间隙，该间隙中设置有用于控制传感电路通断的磁流体；所述磁流体为带有非磁性导电颗粒的磁流体，所述带有非磁性导电颗粒的磁流体用于在一定的磁场作用下，沿磁感线方向进行自组装从而形成链状结构，并通过该链状结构实现所述输入电极和所述感应电极的连接。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述套筒为磁性材料制成，所述输入电极贴合在所述套筒的外表面上并连接测速电路的输入端。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述壳体为非磁性材料制成的壳体，所述感应电极贴附在所述壳体的内表面上，并外接测速电路用于感应测速电流。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述上端盖与所述测速转子之间以及所述下端盖与所述测速转子之间均设置有磁密封调整环。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述磁密封调整环设置在所述测速腔体内，并用于调整所述测速腔体内间隙的大小。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述上端盖与所述下端盖分别对传感器的上下两端进行密封以形成所述测速腔体，且所述上端盖与所述下端盖均设置有密封槽。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述测速轴为转速输入轴和/或通过联轴器连接转速输入轴的短轴。

8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述测速转子上设置有用于连接并传递所述测速轴与所述测速转子之间回转运动的键。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述测速转子的内表面以及所述测速轴的外表面均开设有与所述键适配的滑键键槽。

10.一种传感器的设计方法，用于权利要求8－9任一项所述的传感器中，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1、根据非磁性导电粒子制备磁流体；

S2、根据测速输入端的条件和转速测量需求来设计测速轴、键和带输入电极的测速转子；

S3、根据测速腔体的宽度和转速测量需求来设计测速转子的输入电极个数N；

S4、根据安装环境和位置尺寸设计传感器的壳体，在传感器的壳体内表面安装感应电极，并通过磁密封调整环的厚度调节传感器的测速腔体的实际有效间隙δ；

S5、根据测速转子上的输入电极与感应电极对应的测速位置，将键和带输入电极的测速转子安装在测速轴上；

S6、根据传感器外壳的尺寸设计下端盖与上端盖，在上端盖上开设密封永磁铁安装槽，其后安装永磁铁，并将制备好的混有非磁性导电颗粒的铁磁流体充入到测速腔体中并测试其防泄漏特性；

S7、在初次装配后，对其进行通电测速实验。