CN111307273A - 基于磁敏感材料的电感式振动传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于磁敏感材料的电感式振动传感器，包括底座、外壳体，外壳体安装在底座的上端，外壳体中安装内壳体，导向环的外圆卡在环形凸缘的环槽中，导向环的圆心孔滑动配合质量块，第一电感线圈缠绕在质量块上端设置的上绕线座的上绕线槽中，上绕线座的圆心孔中设置第一磁敏感材料，第二电感线圈缠绕在质量块下端设置的下绕线座的下绕线槽中，下绕线座的圆心孔中设置第二磁敏感材料，质量块的中心凸台与磁敏感材料固定，上绕线座的下端设置第一减震环，下绕线座的上端设置第二减震环，第一磁敏感材料、第一电感线圈和第二磁敏感材料、第二电感线圈以质量块的中心形成对称的差动结构，第一电感线圈、第二电感线圈经电感电压转换模块连接信号接口。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于磁敏感材料的电感式振动传感器。
背景技术
振动是自然界的普遍现象之一，大到宇宙小至原子微粒，无部存在振动现象。在工程领域中振动现象比比皆是，但很多情况下振动是有害的，如振动会降低加工精度和光洁度，加剧结构件的疲劳和磨损，甚至是导致结构件断裂解体，在航空领域中基体及结构件的振动还会影响驾驶员的操作，对飞行驾驶带来安全隐患。因此，在工程领域中对振动的监测显得至关重要，目前，主要采用振动传感器对振动进行实时监测。振动传感器是一种能够感受机械振动参量，如振动的速度、加速度、频率等，并将振动参量转换为可用输出电信号的传感器。按机电变换原理振动传感器可分为：电动势、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式，相比于其它的变换原理，电感式传感器因其具有很高的分辨力、较长的使用寿命等优点，广泛应用在精密和超精密测量领域，对检测的有效性以及自动控制系统的可靠运行起到关键性作用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于磁敏感材料的电感式振动传感器，其能对被测物的振动大小进行实时测量，且结构简单、灵敏度高、可靠性好。
本发明的技术方案是：一种基于磁敏感材料的电感式振动传感器，包括底座、外壳体，所述外壳体安装在底座的上端，其特征在于：所述外壳体中固定安装内壳体，所述内壳体下端的下底板与底座之间留有安装电感电压转换模块的间距，该内壳体的中段内壁设有环形凸缘，所述环形凸缘的内壁设置一用于固定导向环的环槽，一导向环的外圆卡在环槽中，导向环的圆心孔滑动配合一质量块，所述质量块为圆柱形状，该质量块轴向长度大于导向环的轴向长度，使质量块外圆的上下两端与导向环的上下端之间就均留有自由度距离，所述质量块的上端与内壳体的腔顶之间设置上绕线座，所述上绕线座的外部设置环形的上绕线槽，在上绕线槽中缠绕第一电感线圈，在上绕线座的圆心孔中设置第一磁敏感材料，所述第一磁敏感材料的上端与内壳体的腔顶粘接固定，所述质量块的下端与内壳体的腔底之间设置下绕线座，所述下绕线座的外部设置环形的下绕线槽，在下绕线槽中缠绕第二电感线圈，在下绕线座的圆心孔中设置第二磁敏感材料，所述第二磁敏感材料的下端与下底板的上端粘接固定，——所述质量块的上下两端分别设有中心凸台，两个中心凸台分别插入上绕线座、下绕线座的圆心孔中与磁敏感材料粘接固定，所述上绕线座的下端通过第一减震环与质量块上端接触，所述下绕线座的上端通过第二减震环与质量块下端接触，使第一磁敏感材料、第一电感线圈和第二磁敏感材料、第二电感线圈以质量块的中心形成对称的差动结构，所述第一电感线圈、第二电感线圈分别通过导线与一电感电压转换模块连接，所述电感电压转换模块固定在底座上，并通过导线连接外壳体上的信号接口。
所述内壳体的腔顶圆心设有上定位座，所述上定位座的圆周为安装上绕线座的环形安装槽，所述下底板上端圆心设有下定位座。
所述底座上设有安装螺孔，用于与被测物通过螺钉连接固定。
所述第一磁敏感材料和第二磁敏感材料均采用预结构化磁流变弹性体。
所述导向环采用聚四氟乙烯材料的导向环。
所述外壳体的下端设有内螺纹，所述底座的上端设有环形的安装凸台，该安装凸台设置外螺纹与外壳体螺纹连接。
所述内壳体的上端通过螺栓与外壳体连接固定。
采用上述技术方案：外壳体中固定安装内壳体，所述内壳体下端的下底板与底座之间留有安装电感电压转换模块的间距，内壳体的中段内壁设有环形凸缘，环形凸缘的内壁设置用于固定导向环的环槽，导向环的外圆卡在环槽中，通过该环槽对导向环固定限位。质量块滑动配合在导向环的圆心孔，且质量块的轴向长度大于导向环的轴向长度，使质量块的上下两端与导向环的上下两端之间分别留有自由度距离，即为质量块留出滑动空间，保证滑动配合的可靠性。质量块的上端与内壳体的腔顶之间设置上绕线座，上绕线座外部的上绕线槽中缠绕第一电感线圈，上绕线座的圆心孔中设置第一磁敏感材料，质量块的下端与内壳体的腔底之间设置下绕线座，下绕线座外部的下绕线槽中缠绕第二电感线圈，下绕线座的圆心孔中设置第二磁敏感材料，质量块上下两端的中心凸台分别与第一磁敏感材料、第二磁敏感材料固定。当被测物发生振动时，质量块将随之作上下运动，从而对两端的磁敏感材料形成拉伸或挤压的作用力，使第一磁敏感材料和第二磁敏感材料交替处于被拉伸或压缩的状态，当磁敏感材料被拉伸或压缩时，其磁导率将随之实时的增大或减小，磁导率的实时变化将使得第一电感线圈和第二电感线圈的电感值实时发生变化。第一电感线圈和第二电感线圈分别通过导线连接电感电压转换模块，从而通过电感电压转换模块使电感线圈实时变化的电感值转换为实时的电压信号，电感电压转换模块再通过外壳体上的信号接口将电压信号发送给外部的数据采集设备，通过监测信号接口输出的电压信号即可得到实时的振动大小。而且，第一电感线圈、第一磁敏感材料和第二电感线圈、第二磁敏感材料一质量块的中心形成对称的差动结构，可以放大电感值的实时变化量，即使被测物发生微小振动也可被本传感器被监测到，提高本传感器的灵敏度和准确性。
所述内壳体的腔顶圆心设有上定位座，所述上定位座的圆周为安装上绕线座的环形安装槽，所述下底板上端圆心设有下定位座。安装时，环形安装槽中固定上绕线座，使上绕线座的圆心孔套在上定位座的外圆周上，上定位座的下端面与第一磁敏感材料连接固定，下绕线座的圆心孔套在下定位座的外圆周上，使下定位座的上端面与第二磁敏感材料连接固定。
所述第一磁敏感材料和第二磁敏感材料均采用预结构化磁流变弹性体，这种材料的稳定性好、响应迅速。
所述导向环采用聚四氟乙烯材料的导向环，由于聚四氟乙烯的摩擦系数很低，因此可以降低导向环与质量块之间的滑动摩擦，保证质量块与导向环的滑动配合的可靠性。
所述外壳体的下端设有内螺纹，所述底座的上端设有环形的安装凸台，该安装凸台设置外螺纹与外壳体螺纹连接，外壳体与底座采用螺纹连接，装配简单可靠，且便于拆装。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为内壳体的结构示意图；
图3为质量块的结构示意图；
图4为下底板的结构示意图；
图5为上绕线座的结构示意图；
图6为下绕线座的结构示意图。
附图中，1为底座，1-1为安装螺孔，1-2为安装凸台，2为外壳体，2-1为信号接口，3为内壳体，3-1为下底板，3-2为环形凸缘，3-3为环槽，3-4为上定位座，3-5为环形安装槽，3-6为下定位座，4为电感电压转换模块，5为导向环，6为质量块，6-1为中心凸台，7为上绕线座，7-1为上绕线槽，8为第一电感线圈，9为第一磁敏感材料，10为下绕线座，10-1为下绕线槽，11为第二电感线圈，12为第二磁敏感材料，13为第一减震环，14为第二减震环。
具体实施方式
参见图1至图6，一种基于磁敏感材料的电感式振动传感器的实施例，包括底座1、外壳体2，所述外壳体2安装在底座1的上端，所述外壳体2的下端设有内螺纹，所述底座1的上端设有环形的安装凸台1-2，该安装凸台1-2设置外螺纹与外壳体2螺纹连接，外壳体2与底座1采用螺纹连接，装配简单可靠，且便于拆装，便于对外壳体2内部的元件进行检修更换，外壳体2螺纹配合在安装凸台1-2的外部，还能起到一定的防水效果，此外，外壳体2与底座1还可以采用焊接固定或粘接固定。所述底座1上设有安装螺孔1-1，用于与被测物通过螺钉连接固定。所述外壳体2中固定安装内壳体3，内壳体3的上端通过螺栓与外壳体2连接固定，外壳体2和内壳体3均采用硬质不导磁材金属材料，避免对传感器的准确性造成影响。所述内壳体3下端的下底板3-1与底座1之间留有安装电感电压转换模块4的间距，内壳体3的下端通过螺栓与下底板3-1连接固定。该内壳体3的中段内壁设有环形凸缘3-2，所述环形凸缘3-2的内壁设置一用于固定导向环5的环槽3-3，一导向环5的外圆卡在环槽3-3中，通过环槽3-3对导向环5形成固定限位。导向环5的圆心孔滑动配合一质量块6，所述质量块6为圆柱形状，该质量块6轴向长度大于导向环5的轴向长度，使质量块6外圆的上下两端与导向环5的上下端之间就均留有自由度距离，为质量块6留出滑动空间，保证滑动配合的可靠性，所述导向环5采用聚四氟乙烯材料的导向环，由于聚四氟乙烯的摩擦系数很低，因此可以降低导向环5与质量块6之间的滑动摩擦，使质量块6与导向环5的滑动配合更灵敏。
本实施例中所述质量块6的上端与内壳体3的腔顶之间设置上绕线座7，所述上绕线座7的外部设置环形的上绕线槽7-1，在上绕线槽7-1中缠绕第一电感线圈8，在上绕线座7的圆心孔中设置第一磁敏感材料9，所述第一磁敏感材料9的上端与内壳体3的腔顶粘接固定，所述质量块6的下端与内壳体3的腔底之间设置下绕线座10，所述下绕线座10的外部设置环形的下绕线槽10-1，在下绕线槽10-1中缠绕第二电感线圈11，在下绕线座10的圆心孔中设置第二磁敏感材料12，所述第二磁敏感材料12的上端与下底板3-1的上端粘接固定，本实施例中第一磁敏感材料9和第二磁敏感材料12均采用预结构化磁流变弹性体，其内部的软磁颗粒呈链状或柱状结构排列，链状或柱状方向为第一磁敏感材料9的轴向方向，这种材料的稳定性好、响应迅速，且具有可逆性。所述质量块6的上下两端分别设有中心凸台6-1，两个中心凸台6-1分别插入上绕线座7、下绕线座10的圆心孔中与磁敏感材料粘接固定，质量块6振动时作上下运动就会对磁敏感材料形成拉伸或挤压的作用力，使第一磁敏感材料9和第二磁敏感材料12交替的被拉伸或压缩，从而改变第一磁敏感材料9和第二磁敏感材料12的电感值。本实施例中质量块6采用铍青铜材料制作。所述上绕线座7的下端通过第一减震环13与质量块6上端接触，第一减震环13的两端面分别与上绕线座7和质量块6粘接固定，所述下绕线座10的上端通过第二减震环14与质量块6下端接触，第二减震环14的两端面分别与下绕线座10和质量块6粘接固定，第一减震环13和第二减震环14对质量块6起到支撑作用，且还能对质量块6的振动起到缓冲的作用，且两个减震环的弹性变形量能反应质量块6的振动大小，质量块6上下运动时通过减震环的弹性变形拉伸或挤压磁敏感材料。第一磁敏感材料9、第一电感线圈8和第二磁敏感材料12、第二电感线圈11以质量块6的中心形成对称的差动结构，可以放大第一磁敏感材料9和第二磁敏感材料12产生的电感值的实时变化量，提高本传感器的灵敏度和准确性。所述第一电感线圈8、第二电感线圈11分别通过导线与一电感电压转换模块4连接，将第一磁敏感材料9和第二磁敏感材料12的电感值转换为电压信号，所述电感电压转换模块4固定在底座1上，并通过导线连接外壳体2上的信号接口2-1，电感电压转换模块4输出的电压信号经信号接口2-1发送给外部的数据采集设备。所述下底板3-1上设有通孔3-7供导线穿过。
本发明的另一实施例中所述内壳体3的腔顶圆心设有上定位座3-4，所述上定位座3-4的圆周为安装上绕线座7的环形安装槽3-5，所述下底板3-1上端圆心设有下定位座3-6。安装时，环形安装槽3-5中固定上绕线座7，使上绕线座7的圆心孔套在上定位座3-4的外圆周上，上定位座3-4的下端面与第一磁敏感材料9的上端粘接固定，下绕线座10的圆心孔套在下定位座3-6的外圆周上，使下定位座3-6的上端面与第二磁敏感材料12的下端粘接固定。
本传感器在使用时，当被测物发生振动，质量块6将随之作上下运动，带动第一减震环13和第二减震环14发生弹性形变，从而对第一磁敏感材料9和第二磁敏感材料12形成拉伸或挤压的作用力，使第一磁敏感材料9和第二磁敏感材料12交替处于被拉伸或压缩的状态，而当磁敏感材料被拉伸或压缩时，其磁导率将随之实时的增大或减小，磁导率的实时变化将使得第一电感线圈8和第二电感线圈11的电感值实时发生变化。第一电感线圈8和第二电感线圈11分别通过导线连接电感电压转换模块4，从而通过电感电压转换模块4使电感线圈实时变化的电感值转2-1将电压信号发送给外部的数据采集设备，通过监测信号接口2-1输出的电压信号即可得到实时的振动大小。而且，第一电感线圈8、第一磁敏感材料9和第二电感线圈11、第二磁敏感材料12以质量块6的中心形成对称的差动结构，可以放大电感值的实时变化量，即使被测物发生微小振动也可被本传感器被监测到，提高本传感器的灵敏度和准确性，且装配结构简单。此外，本发明的磁敏感材料可以采用磁流变弹性体材料，这种材料具有可逆性，能承受较大的振动量，防止传感器因被测物振动太大而损坏，提高本发明的稳定性和测量可靠性。
Claims (7)
1.一种基于磁敏感材料的电感式振动传感器，包括底座（1）、外壳体（2），所述外壳体（2）安装在底座（1）的上端，其特征在于：所述外壳体（2）中固定安装内壳体（3），所述内壳体（3）下端的下底板（3-1）与底座（1）之间留有安装电感电压转换模块（4）的间距，该内壳体（3）的中段内壁设有环形凸缘（3-2），所述环形凸缘（3-2）的内壁设置一用于固定导向环的环槽（3-3），一导向环（5）的外圆卡在环槽（3-3）中，导向环（5）的圆心孔滑动配合一质量块（6），所述质量块（6）为圆柱形状，该质量块（6）轴向长度大于导向环（5）的轴向长度，使质量块（6）外圆的上下两端与导向环（5）的上下端之间就均留有自由度距离，所述质量块（6）的上端与内壳体（3）的腔顶之间设置上绕线座（7），所述上绕线座（7）的外部设置环形的上绕线槽（7-1），在上绕线槽（7-1）中缠绕第一电感线圈（8），在上绕线座（7）的圆心孔中设置第一磁敏感材料（9），所述第一磁敏感材料（9）的上端与内壳体（2）的腔顶粘接固定，所述质量块（6）的下端与内壳体（3）的腔底之间设置下绕线座（10），所述下绕线座（10）的外部设置环形的下绕线槽（10-1），在下绕线槽（10-1）中缠绕第二电感线圈（11），在下绕线座（10）的圆心孔中设置第二磁敏感材料（12），所述第二磁敏感材料（12）的下端与下底板（3-1）的上端粘接固定，所述质量块（6）的上下两端分别设有中心凸台（6-1），两个中心凸台（6-1）分别插入上绕线座（7）、下绕线座（10）的圆心孔中与磁敏感材料粘接固定，所述上绕线座（7）的下端通过第一减震环（13）与质量块（6）上端接触，所述下绕线座（10）的上端通过第二减震环（14）与质量块（6）下端接触，使第一磁敏感材料（9）、第一电感线圈（8）和第二磁敏感材料（12）、第二电感线圈（11）以质量块（6）的中心形成对称的差动结构，所述第一电感线圈（8）、第二电感线圈（11）分别通过导线与一电感电压转换模块（4）连接，所述电感电压转换模块（4）固定在底座（1）上，并通过导线连接外壳体（2）上的信号接口（2-1）。
2.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电感式振动传感器，其特征在于：所述内壳体（3）的腔顶圆心设有上定位座（3-4），所述上定位座（3-4）的圆周为安装上绕线座（7）的环形安装槽（3-5），所述下底板（3-1）上端圆心设有下定位座（3-6）。
3.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电感式振动传感器，其特征在于：所述底座（1）上设有安装螺孔（1-1），用于与被测物通过螺钉连接固定。
4.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电感式振动传感器，其特征在于：所述第一磁敏感材料（9）和第二磁敏感材料（12）均采用预结构化磁流变弹性体。
5.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电感式振动传感器，其特征在于：所述导向环（5）采用聚四氟乙烯材料的导向环。
6.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电感式振动传感器，其特征在于：所述外壳体（2）的下端设有内螺纹，所述底座（1）的上端设有环形的安装凸台（1-2），该安装凸台（1-2）设置外螺纹与外壳体（2）螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的基于磁敏感材料的电感式振动传感器，其特征在于：所述内壳体（3）的上端通过螺栓与外壳体（2）连接固定。
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