CN110244074A - 一种贴片式微型磁流体转速传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种贴片式微型磁流体转速传感器及其制备方法，所述转速传感器包括传感器底座、设置在传感器底座内部的传感器腔体、套设在传感器腔体内的转速感应环、设置在转速感应环中间的测速轴；所述传感器腔体底部设置有用作电流信号输入端的第一导电涂层，转速感应环为开口环且所述转速感应环内部设置有用作电流信号输出端的第二导电涂层，传感器腔体内填充有磁流体溶液，测速轴上设置有用于控制磁流体溶液中的非磁性导电颗粒进行自组装的磁性体贴片。本发明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，极大地提高了转速传感器的响应速度、稳定性、可靠性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及转速传感器领域，尤其涉及一种贴片式微型磁流体转速传感器及其制备方法。
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，转速传感器属于间接式测量装置，常见的转速传感器可用于机械加工、电磁加工和混合加工等方法制造。按信号形式的不同，转速传感器可分为模拟式和数字式，其种类繁多且应用极广。常见的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式以及测速发电机等。
现有技术主要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，这种现象在微型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。另外，目前大多数微型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贴片式微型磁流体转速传感器及其制备方法，旨在解决现有转速传感器结构复杂，响应速度慢，可靠性、稳定性较差以及生产成本较高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种贴片式微型磁流体转速传感器，其中，包括传感器底座、设置在传感器底座内部的传感器腔体、套设在所述传感器腔体内的转速感应环、设置在所述转速感应环中间的测速轴；所述传感器腔体底部设置有用作电流信号输入端的第一导电涂层，所述转速感应环为开口环且所述转速感应环内部设置有用作电流信号输出端的第二导电涂层，所述传感器腔体内填充有磁流体溶液，所述磁流体溶液包括非磁性导电颗粒以及绝缘磁性流体，所述测速轴上设置有用于控制磁流体中的非磁性导电颗粒进行自组装的磁性体贴片。
所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其中，所述传感器底座侧面设置有用于防止磁流体溶液泄露的端盖。
所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其中，所述第一导电涂层与转速感应环之间形成的环状空隙大小为100-500微米。
所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其中，所述非磁性颗粒导电颗粒选自纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级银线和碳纳米管中的一种或多种。
所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其中，所述测速轴上均匀地在一个圆周上设置有至少两条磁性体贴片，且相邻两个磁性体贴片之间的间距小于所述转速感应环的开口宽度。
所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其中，所述端盖上设置有用于安装永磁铁的安装槽。
所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其中，所述磁性体贴片由α-四氧化三铁或三氧化二铁纳米颗粒混入到胶体材料中制得。
一种贴片式微型磁流体转速传感器的制备方法，其中，包括步骤：
根据非磁性微纳米导电颗粒的物理化学性质选用不同基液的绝缘磁流体进行悬浮溶解，制得磁流体溶液；
根据测速输入端的条件和转速测量需求设计测速轴和磁性体贴片，所述磁性体贴片中的磁性体宽度设置为W，根据转速测量的精度要求在测速轴同一圆周上对称设置若干条磁性体贴片；
根据磁性体贴片中磁性体的宽度以及相邻两磁性体贴片之间的间距设计转速感应环，所述转速感应环的开口宽度应大于相邻两磁性体贴片之间的间距；
根据所述转速感应环的开口位置和直径设计传感器底座，在传感器腔体底部进行第一导电涂层的喷涂，安装所述转速感应环，并检查传感器底座与转速感应环的同轴度以及传感器腔体的间隙；
根据传感器底座尺寸设计端盖，在端盖上设置用于安装密封永磁铁的安装槽，安装永磁铁，将制备好的磁流体溶液充入到传感器腔体中并测试其防泄漏特性；
将磁性体贴片贴附在测试轴上，并将测试轴安放到测试位置，装配完成后制得所述贴片式微型磁流体转速传感器。
所述贴片式微型磁流体转速传感器的制备方法，其中，所述传感器腔体的宽度d小于实验测得磁流体溶液的自组装链状结构长度L。
所述贴片式微型磁流体转速传感器的制备方法，其中，所述测速轴在安装过程中使所述磁性体贴片处于所述转速感应环开口位置对应的安装部位。
有益效果：本发明提供的贴片式微型磁流体转速传感器，通过磁性体贴片磁场的转动方向对磁流体溶液中的动态自组装过程进行控制，从而控制第一导电涂层与转速感应环之间的电路通断，实现对测试轴转速的测量。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微型转速传感器，本发明贴片式微型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，极大地提高了微型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为本发明一种贴片式微型磁流体转速传感器较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明转速感应环较佳实施例的结构示意图。
图3为本发明图1所示一种贴片式微型磁流体转速传感器的侧面剖视图。
图4为本发明图3所示B部位的放大示意图。
图5为本发明一种贴片式微型磁流体转速传感器的制备方法较佳实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种贴片式微型磁流体转速传感器及其制备方法，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。
请参阅图1至图4，本发明提供的一种贴片式微型磁流体转速传感器包括传感器底座10、设置在传感器底座10内部的传感器腔体20、套设在所述传感器腔体20内的转速感应环30、设置在所述转速感应环30中间的测速轴40；所述传感器腔体底部设置有用作电流信号输入端的第一导电涂层（未标出），所述转速感应环30为开口环且所述转速感应环30内部设置有用作电流信号输出端的第二导电涂层31，所述传感器腔体20内填充有磁流体溶液（未标出），所述磁流体溶液包括非磁性导电颗粒以及绝缘磁性流体，所述测速轴40上设置有用于控制磁流体溶液中的非磁性导电颗粒进行自组装的磁性体贴片50。
在本发明中，所述传感器底座主要作为转速传感器的外部固定件和支撑件，所述的磁性体贴片主要用于控制传感器腔体内磁流体溶液中的非磁性导电颗粒进行自组装，所述涂在传感器腔体底部的第一导电涂层作为信号传输的来源，所述的转速感应环是贴片式微型磁流体转速传感器的核心结构，所述转速感应环为开口环结构，且其内部设置有用作电流信号输出端的第二导电涂层，通过磁性体贴片磁场的转动方向对磁流体溶液中的动态自组装过程进行控制，从而控制第一导电涂层与转速感应环之间的电路通断，实现通过第一导电涂层与转速感应环之间的电流通断次数来记录测速轴转动的圈数，完成对测试轴转速的测量。本发明提供的贴片式微型磁流体转速传感器结构紧凑，响应时间较短，较传统的纯机械结构式微型转速传感器而言，本发明贴片式微型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，极大地提高了微型转速传感器的响应速度、稳定性、可靠性和经济性。
在一些实施方式中，所述磁流体溶液包括非磁性导电颗粒以及绝缘磁性流体。具体的，所述磁流体溶液是将一定量微米级或纳米级非磁性导电颗粒混入到绝缘磁性流体中，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制得。所述磁流体溶液中的非磁性导电颗粒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，所述链状结构能够实现两个电路之间的连通作用，因此可通过控制磁场改变绝缘磁性流体的状态来实现电路的闭合与断开。优选的，所述非磁性导电颗粒选自纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级银线和碳纳米管中的一种或多种，但不限于此。
在一些实施方式中，如图1所示，所述传感器底座10侧面设置有用于防止磁流体溶液泄露的端盖60。优选的，所述端盖60上设置有用于安装永磁铁的安装槽61，所述永磁铁用于防止传感器腔体内的磁流体溶液在端盖与传感器底座连接处的泄露。更优选的，所述端盖以及传感器底座侧面设置有相适配的安装孔，通过螺钉穿过所述安装孔可将端盖固定在所述传感器底座。所述永磁铁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，所述永磁铁的磁场强度应大于0.1T（特斯拉），对于油基磁流体来讲，所述永磁铁的磁场强度应大于0.08T（特斯拉），常用的永磁铁包括钕铁硼永磁铁或铁氧体永磁铁。
在一些实施方式中，为避免影响测速轴上磁性体贴片的磁场分布状况，所述传感器底座选用非磁性材料制备而成，不能使用体磁性材料。
在一些实施方式中，如图1所示，所述测速轴需要采用非磁性材料，或在表面镀有铅层，当测速轴轴径较大且无磁性时，可以直接在测速轴上贴上磁性体贴片进行测试，当测速轴具有弱磁性、轴径较细或者较粗时，则需要联轴器连接到测速轴上，然后在联轴器上贴上磁性体贴片。在一种具体的实施方式中，所述磁性体贴片由α-四氧化三铁或三氧化二铁纳米颗粒混入到胶体材料中制得。在一种具体的实施方式中，所述测速轴上均匀地在一个圆周上设置有至少两条磁性体贴片，且相邻两个磁性体贴片之间的间距小于所述转速感应环的开口宽度。通过增加磁性体贴片的数目可提高转速测量精度，当磁性体贴片上同一圆周布置了N条磁性体，则转速传感器输出N个信号时，才说明测速轴转动了一圈。
在一些实施方式中，所述传感器腔体的底部设置有第一导电涂层，使不带电的传感器腔体底部具有一定的导电性，所述第一导电涂层连接着输入测试电流。优选的，所述第一导电涂层与转速感应环之间形成的环状空隙大小为100-500微米，具体的尺寸设计需要根据具体的待测转速来确定，转速越高空隙要求越小，转速越低空隙的间距要求降低。
在一些实施方式中，如图2所示，所述转速感应环在几何形状上为开口环，所述转速感应环的开口位置主要用于储存磁流体溶液，在安装过程中，需要保持开口向上，这样可以使得传感器腔体内能时刻充满磁流体溶液，同时，所述转速感应环的内部设置有第二导电涂层，所述第二导电涂层连接着测试电流的输出端。
本发明还提供一种贴片式微型磁流体转速传感器的制备方法，其中，如图5所示，包括步骤：
S10、根据非磁性微纳米导电颗粒的物理化学性质选用不同基液的绝缘磁流体进行悬浮溶解，制得磁流体溶液；
S20、根据测速输入端的条件和转速测量需求设计测速轴和磁性体贴片，所述磁性体贴片中的磁性体宽度设置为W，根据转速测量的精度要求在测速轴同一圆周上对称设置若干条磁性体贴片；
S30、根据磁性体贴片中磁性体的宽度以及相邻两磁性体贴片之间的间距设计转速感应环，所述转速感应环的开口宽度应大于相邻两磁性体贴片之间的间距；
S40、根据所述转速感应环的开口位置和直径设计传感器底座，在传感器腔体底部进行第一导电涂层的喷涂，安装所述转速感应环，并检查传感器底座与转速感应环的同轴度以及传感器腔体的间隙；
S50、根据传感器底座尺寸设计端盖，在端盖上设置用于安装密封永磁铁的安装槽，安装永磁铁，将制备好的磁流体溶液充入到传感器腔体中并测试其防泄漏特性；
S60、将磁性体贴片贴附在测试轴上，并将测试轴安放到测试位置，装配完成后制得所述贴片式微型磁流体转速传感器。
在一些实施方式中，本实施例根据非磁性微纳米导电颗粒的物理化学性质选用不同基液的绝缘磁流体进行悬浮溶解，由于绝缘铁磁流体具有良好的散热性，一般常用感温绝缘铁磁流体，所述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；所述基液可以选用水、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组装成链长度为L的自组装效率达到70%。
在一些实施方式中，当根据转速测量的精度要求在测速轴同一圆周上对称设置至少两条磁性体贴片时，为保证测速轴转动过程中磁流体转速传感器中的感应电流可以在开口位置断开和重连，需要将所述转速感应环的开口宽度设置为大于相邻两磁性体贴片之间的间距。当在测速轴上同一圆周布置了N条磁性体贴片时，转速传感器输出N个信号时，才说明测速轴转动了一圈。
在一些实施方式中，传感器腔体的宽度应由步骤S10中的自组装实验进行确定，同时也应当考虑转动的因素，所以所述传感器腔体的宽度d应小于实验测得磁流体溶液的自组装链状结构长度L。优选的，常用的取值范围为L/4<d<L。
在一些实施方式中，在端盖上设置用于安装密封永磁铁的安装槽，在安装永磁铁的过程中，所述永磁铁与密封面之间需要留有0.02至0.2毫米的间隙。
在一些实施方式中，所述测速轴在安装过程中使所述磁性体贴片处于所述转速感应环开口位置对应的安装部位。
综上所述，本发明提供的贴片式微型磁流体转速传感器，通过磁性体贴片磁场的转动方向对磁流体溶液中的动态自组装过程进行控制，从而控制第一导电涂层与转速感应环之间的电路通断，实现对测试轴转速的测量。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微型转速传感器，本发明贴片式微型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，极大地提高了微型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)
1.一种贴片式微型磁流体转速传感器，其特征在于，包括传感器底座、设置在传感器底座内部的传感器腔体、套设在所述传感器腔体内的转速感应环、设置在所述转速感应环中间的测速轴；所述传感器腔体底部设置有用作电流信号输入端的第一导电涂层，所述转速感应环为开口环且所述转速感应环内部设置有用作电流信号输出端的第二导电涂层，所述传感器腔体内填充有磁流体溶液，所述磁流体溶液包括非磁性导电颗粒以及绝缘磁性流体，所述测速轴上设置有用于控制磁流体溶液中的非磁性导电颗粒进行自组装的磁性体贴片。
2.根据权利要求1所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其特征在于，所述传感器底座侧面设置有用于防止磁流体溶液泄露的端盖。
3.根据权利要求1所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其特征在于，所述第一导电涂层与转速感应环之间形成的环状空隙大小为100-500微米。
4.根据权利要求1所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其特征在于，所述非磁性颗粒导电颗粒选自纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级银线和碳纳米管中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其特征在于，所述测速轴上均匀地在一个圆周上设置有至少两条磁性体贴片，且相邻两个磁性体贴片之间的间距小于所述转速感应环的开口宽度。
6.根据权利要求2所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其特征在于，所述端盖上设置有用于安装永磁铁的安装槽。
7.根据权利要求1所述的贴片式微型磁流体转速传感器，其特征在于，所述磁性体贴片由α-四氧化三铁或三氧化二铁纳米颗粒混入到胶体材料中制得。
8.一种如权利要求1-7任一所述贴片式微型磁流体转速传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
根据非磁性微纳米导电颗粒的物理化学性质选用不同基液的绝缘磁流体进行悬浮溶解，制得磁流体溶液；
根据测速输入端的条件和转速测量需求设计测速轴和磁性体贴片，所述磁性体贴片中的磁性体宽度设置为W，根据转速测量的精度要求在测速轴同一圆周上对称设置若干条磁性体贴片；
根据磁性体贴片中磁性体的宽度以及相邻两磁性体贴片之间的间距设计转速感应环，所述转速感应环的开口宽度应大于相邻两磁性体贴片之间的间距；
根据所述转速感应环的开口位置和直径设计传感器底座，在传感器腔体底部进行第一导电涂层的喷涂，安装所述转速感应环，并检查传感器底座与转速感应环的同轴度以及传感器腔体的间隙；
根据传感器底座尺寸设计端盖，在端盖上设置用于安装密封永磁铁的安装槽，安装永磁铁，将制备好的磁流体溶液充入到传感器腔体中并测试其防泄漏特性；
将磁性体贴片贴附在测试轴上，并将测试轴安放到测试位置，装配完成后制得所述贴片式微型磁流体转速传感器。
9.根据权利要求8所述贴片式微型磁流体转速传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器腔体的宽度d小于实验测得磁流体溶液的自组装链状结构长度L。
10.根据权利要求8所述贴片式微型磁流体转速传感器的制备方法，其特征在于，所述测速轴在安装过程中使所述磁性体贴片处于所述转速感应环开口位置对应的安装部位。
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