CN111735378B - 一种轻量化导向传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻量化导向传感器及其制备方法，属于交通运输技术领域。本发明的轻量化导向传感器包括探头和基座，探头包括探头外壳、探头线圈、线圈骨架和填充探头外壳内部空腔的填充结构件，探头线圈上安装有信号传输组件Ⅰ，线圈骨架和填充结构件均采用轻质介电材料制成，探头线圈、线圈骨架和填充结构件安装于探头外壳内；基座包括基座外壳和采集电路板，采集电路板上安装有信号传输组件Ⅱ，信号传输组件Ⅱ与信号传输组件Ⅰ组装后形成完整的信号传输部件；本发明采用轻质介电材料制备轻量化导向传感器的线圈骨架和探头壳体内腔的填充结构件，既能保持对产品内部组件的绝缘、固定和防护，也可同步实现产品轻量化的要求。

Description

一种轻量化导向传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于交通运输技术领域，涉及一种轻量化导向传感器及其制备方法。

背景技术

高速磁浮列车利用电磁力使车体悬浮在车道的导轨面，上浮间隙保持在10~15mm左右。高速磁浮列车具有速度快、启动加速度大、爬坡能力强等优点，作为一种新兴高速交通模式，既可在长大干线交通中发挥速度优势，也适用于中短途路线快启快停，从而大幅提高城市通勤效率。

高速列车在运行过程中除依靠消耗电能等之外，还必须克服包括机械摩擦力、空气摩擦力等在内的巨大阻力，并且会对轨道会产生强大的冲击力，在制动停车时，高速列车的巨大动能需要在短时间内消散。减轻高速列车自重，对于减少线路损害、减少动力消耗、减少制动系统负担、节约能源，具有重要意义。因此用于高速列车的电子电气产品都具有轻量化的设计需求。导向传感器嵌套安装在电磁铁上，裸露在车辆外部，易受到雨水、杂质等的干扰，也对环境的可靠性提出了要求。现有技术中一般采用环氧树脂进行内外全灌封来实现强度和绝缘防护要求。

由于高速磁浮列车对所使用的导向传感器存在接口、尺寸等方面的限制，故常用的轻量化设计主要集中于结构优化，例如减少金属结构的厚度、在金属壳体上采用镂空设计或减少环氧树脂灌封层厚度等，然而这些方法在减重的同时带来了新的风险：金属厚度的减少、过多的镂空，会导致结构强度下降，容易断裂。特别是对于大平板结构，尺寸过薄在机加工过程中就会产生挠曲变形，影响后续装配；环氧树脂灌封层厚度的减少，会导致传感器的绝缘性能下降，内部电磁组件易露出，产品防护效果减弱，过薄的环氧树脂灌封层，也会增加胶层开裂的风险。另外，作为表面胶的高强度环氧树脂，往往填料较多，密度较高，导致产品整体重量提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了应用于高速磁浮列车的轻量化导向传感器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种轻量化导向传感器，所述轻量化导向传感器包括

探头，包括探头外壳、探头线圈、用于安装探头线圈的线圈骨架、用于填充探头外壳内部空腔的填充结构件，所述探头线圈上安装有信号传输组件Ⅰ，所述线圈骨架和填充结构件均采用轻质介电材料制成，所述探头线圈、线圈骨架和填充结构件安装于探头外壳内；

基座，包括基座外壳和安装在基座外壳内的采集电路板，采集电路板上安装有信号传输组件Ⅱ，信号传输组件Ⅱ与信号传输组件Ⅰ组装后形成完整的信号传输部件。

本发明的高速磁浮列车导向传感器安装于高速磁浮列车的导向电磁铁上，主要是针对与轨道侧板之间的空气间隙距离进行测量，为高速磁浮列车导向控制系统提供导向间隙信号、加速度信号，对测量的响应性要求高。本发明采用轻质介电材料作为导向传感器电磁组件的线圈骨架和探头壳体内腔的填充结构件，既能保持对产品内部组件的绝缘、固定和防护，也可同步实现产品减重。

本发明将基座与探头组装在一起的同时将信号传输组件Ⅰ与信号传输组件Ⅱ组装，形成完整的信号传输部件，从而可将探头感应信号传递至采集电路板。

作为优选，所述线圈骨架和填充结构件为一个整体结构件，其整体形状与探头外壳的内腔相匹配。

作为优选，所述线圈骨架具有U型内腔，所述填充结构件位于线圈骨架的U型内腔并与其相匹配，所述线圈骨架的外部形状与探头外壳的内腔相匹配。

所述线圈骨架具有U型内腔时，所述线圈骨架具有底面和设置在底面之上的相对的两个侧面。

作为优选，所述线圈骨架为薄板状骨架，所述填充结构件位于线圈骨架上方并与探头外壳的内腔相匹配。

作为优选，所述基座还包括电连接器，所述电连接器安装在基座外壳的接口处。

本发明中电连接器用于连接外部电缆给采集电路板供电。

作为优选，所述探头外壳和基座外壳之间设有密封圈，密封圈起到防水的作用。

作为优选，所述探头的外表面还包覆有绝缘防护层。

作为优选，所述绝缘防护层为环氧树脂胶层，或玻璃纤维网格布增强型环氧树脂胶层。

本发明在灌封绝缘防护层时预先在探头表面包覆一层玻璃纤维网格布，用于对绝缘防护层进行增韧补强，从而有效防止绝缘防护层开裂。

本发明的另一目的在于提供一种轻量化导向传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1、采用轻质介电材料制成线圈骨架和填充结构件；

S2、将探头线圈与线圈骨架连接在一起，与填充结构件一起整体装入探头外壳；

S3、在探头外壳的外表面灌封环氧树脂胶，使环氧树脂胶包覆探头表面，形成绝缘防护层。

作为优选，步骤S1所述线圈骨架和填充结构件的制备方法为，采用同一种轻质介电材料一次性成型制成一个整体结构体；或者先采用轻质介电材料Ⅰ制成具有U型内腔的线圈骨架，再采用轻质介电材料Ⅱ在U型内腔内成型制成填充结构件；或者先采用轻质介电材料Ⅰ制成薄板状线圈骨架，再采用轻质介电材料Ⅱ在薄板上成型制成填充结构件。

作为优选，所述轻质介电材料Ⅰ为PMI或PPS，所述轻质介电材料Ⅱ为PMI或聚氨酯硬质泡沫。

作为优选，所述线圈骨架和填充结构件采用CNC加工工艺制成。

作为优选，当采用PMI制备线圈骨架和填充结构件时，还需要将制得的线圈骨架和填充结构件在120~130℃烘干处理4~5个小时。

本发明采用PMI或PPS制成线圈骨架，采用PMI或聚氨酯硬质泡沫制成填充结构件。聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）是一种闭孔刚性发泡材料，是通过加热甲基丙烯酸/甲基丙烯腈共聚物板料共同发泡而成的。PMI 泡沫具有低密度、高比强度、高比模量、高耐热、介电性好、抗压缩、抗疲劳、耐腐蚀、防火和燃烧时不释放有害物质等性能，与环氧树脂有良好的相容性。聚苯硫醚（PPS）是一种综合性能优异的热塑性结晶树脂。PPS的耐热性能和抗腐蚀性能优异，力学性能好，其刚性极强，具有优异的耐蠕变和耐疲劳性，电性能优良，具有高频稳定性和电磁屏蔽功能；这里所述的聚氨酯硬质泡沫是一种使用了芳烃聚酯多元醇的聚氨酯材料，强度、耐热、阻燃等性能优良，韧性和尺寸稳定性好。由于PMI容易吸湿，因此需要进行烘干处理以消除吸潮可能带来的影响。

作为优选，步骤S2所述探头线圈通过胶粘的方式安装连接到线圈骨架。

作为优选，步骤S3所述在探头外壳的外表面灌封环氧树脂胶之前先在探头外壳的外表面包覆一层玻璃纤维网格布。

作为优选，所述制备方法还包括将信号传输组件Ⅰ与探头线圈组装在一起，将信号传输组件Ⅱ与采集电路板组装在一起，在将探头与基座组装的同时，将信号传输组件Ⅰ与信号传输组件Ⅱ组装在一起形成完整的信号传输部件。

作为优选，所述制备方法还包括在将信号传输组件Ⅱ与采集电路板组装在一起后将采集电路板安装在基座外壳内，将电连接器安装在基座外壳的接口处。

作为优选，所述探头安装在基座上的方法为通过紧固件将探头外壳和基座外壳连接在一起。

作为优选，所述探头外壳和基座外壳之间设有密封圈。

本发明在探头外壳和基座外壳之间设置密封圈起到防水的作用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采用轻质介电材料作为导向传感器探头线圈的骨架材料和探头壳体内部的填充材料，大大降低了导向传感器的重量；

（2）本发明优选PMI或PPS作为线圈骨架的材料，既具有高强度，又能满足线圈所需的低介电要求；

（3）本发明优选PMI或聚氨酯硬质泡沫作为导向传感器探头外壳内部的填充结构件的材料，既能满足轻量化的需求，又能与探头表面所覆盖的环氧树脂胶层粘接匹配，使传感器整体具有较好的密封性能和对内部器件较好的保护性；

（4）本发明改变传统一次性灌封环氧树脂胶作为传感器探头表面覆盖胶层和内部填充材料的制备方法，采用轻质介电材料制备传感器探头的线圈骨架与填充结构件，然后在探头外层仍然覆盖环氧树脂胶层作为防护层，既达到了轻量化的目的，又保证了传感器的密封性、绝缘性和对内部器件较好的保护性；

（5）本发明制得的导向传感器在满足高速磁浮列车用导向传感器的性能需求的同时，较原有全环氧树脂灌封方案的传感器整体重量减少30%~70%。

附图说明

图1为本发明实施例的导向传感器的爆炸分解示意图。

图2为本发明实施例的导向传感器的探头的爆炸分解及组装示意图

图3为本发明实施例完成环氧树脂灌封后的探头的结构示意图。

图4为本发明实施例的导向传感器完成基座和探头组装后的导向传感器示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

如图1~4所示，本实施例中的轻量化导向传感器包括探头10和基座20。

探头10包括探头外壳11、探头线圈12、用于安装探头线圈12的线圈骨架和用于填充探头外壳11内部空腔的填充结构件，探头线圈12、线圈骨架和填充结构件安装于探头外壳11内，探头线圈12上通过螺钉安装有连接器插头15，探头的外表面还包覆玻璃纤维网格布16和绝缘防护层17。

线圈骨架和填充结构件可以为一体成型的整体结构件，其整体形状与探头外壳11的内腔相匹配；也可以是线圈骨架具有U型内腔（线圈骨架具有U型内腔时，线圈骨架具有底面和设置在底面之上的相对的两个侧面），填充结构件位于线圈骨架的U型内腔并与其相匹配，线圈骨架的外部形状与探头外壳11的内腔相匹配；还可以是线圈骨架为薄板结构，填充结构件位于线圈骨架上方并与探头外壳11的内腔相匹配。

基座20包括基座外壳21、采集电路板22和电连接器23，采集电路板22安装于基座外壳21内部，电连接器23安装在基座外壳21的接口处，采集电路板22上通过螺钉安装有连接器插座24。

连接器插座24与连接器插头15组装后形成完整的连接器，用于将探头感应信号传递至采集电路板22，探头外壳11和基座外壳21之间设有密封圈25，探头外壳11和基座外壳21通过螺钉紧固在一起。

实施例2

本实施例中轻量化导向传感器的制备方法为：

（1）如图1~2所示，以PMI材料（型号ROHACELL WF110）为原料采用CNC加工工艺一次性成型制成具有整体结构的线圈骨架/填充结构件13，并于125℃下烘干处理4.5h；

（2）如图2所示，将连接器插头15与探头线圈12通过螺钉组装，然后将探头线圈12与线圈骨架/填充结构件13采用环氧树脂粘接胶（胶型号HT6203）粘结在一起，整体装入探头外壳11；

（3）先在探头外壳11的外表面包覆一层玻璃纤维网格布16，在玻璃纤维网格布16上灌封环氧树脂胶（环氧树脂胶型号ZR6102），使环氧树脂胶包覆探头表面，形成绝缘防护层17，实现对探头线圈12、线圈骨架/填充结构件13、探头外壳11的固定和绝缘防护，灌封完成后的探头如图3所示；

（4）将连接器插座24与采集电路板22通过螺钉进行组装，之后将采集电路板22装入基座外壳21内，将电连接器23安装到基座外壳21的接口处，在探头外壳11和基座外壳21之间安装密封圈25，通过螺钉将探头外壳11和基座外壳21连接在一起，并将连接器插头15和连接器插座24组装在一起成为完整的连接器，组装完成后的传感器如图4所示。

实施例3

与实施例2不同的是，本实施例先采用PPS材料制成具有U型内腔的线圈骨架，再采用PMI材料在线圈骨架的U型内腔内成型为填充结构件，其他与实施例2相同。

实施例4

与实施例3不同的是，本实施例的线圈骨架采用PMI材料制成，填充结构件采用聚氨酯硬质泡沫材料制成，其他与实施例3相同。

实施例5

与实施例3不同的是，本实施例的线圈骨架采用PPS材料制成，填充结构件采用聚氨酯硬质泡沫材料制成，其他与实施例3相同。

实施例6

与实施例3不同的是，本实施例先采用PPS材料制成具有薄板形状的线圈骨架，再采用PMI材料在线圈骨架上方成型为填充结构件，其他与实施例3相同。

对比例1

与实施例2不同的是，采用PPS材料制成线圈骨架后，不制备填充结构件，直接在探头组装后对整个探头全灌封环氧树脂，使环氧树脂填充壳体与线圈骨架之间，并覆盖探头表面，其他与实施例2相同。

本发明实施例和对比例中采用的材料性能参数如表1所示。

表1：实施例2~6和对比例1中所采用的材料性能参数

将本发明实施例2~6、对比例1中制得的传感器的重量进行比较，实施例2~6制得的传感器较对比例1分别减重了63.5%、36.2%、75.1%、36.0%和69.3%。

综上所述，本发明通过改变探头的设计，优选轻质介电材料制备线圈骨架和探头外壳内部空腔填充结构件，同时采用环氧树脂作为覆盖探头表面的胶层，在保证传感器功能、机械性能、防护性能、绝缘性能的前提下实现了轻量化的目的。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轻量化导向传感器，其特征在于，所述轻量化导向传感器包括

探头，包括探头外壳、探头线圈、用于安装探头线圈的线圈骨架和用于填充探头外壳内部空腔的填充结构件，所述探头线圈上安装有信号传输组件Ⅰ，所述线圈骨架采用PMI或PPS制成，所述填充结构件采用PMI或聚氨酯硬质泡沫制成；所述探头线圈、线圈骨架和填充结构件安装于探头外壳内；

基座，包括基座外壳和安装在基座外壳内的采集电路板，采集电路板上安装有信号传输组件Ⅱ，所述信号传输组件Ⅱ与信号传输组件Ⅰ组装后形成完整的信号传输部件。

2.根据权利要求1所述的轻量化导向传感器，其特征在于，所述线圈骨架和填充结构件为一个整体结构件，其整体形状与探头外壳的内腔相匹配。

3.根据权利要求1所述的轻量化导向传感器，其特征在于，所述线圈骨架具有U型内腔，所述填充结构件位于线圈骨架的U型内腔并与其相匹配，所述线圈骨架的外部形状与探头外壳的内腔相匹配。

4.根据权利要求1所述的轻量化导向传感器，其特征在于，所述线圈骨架为薄板状骨架，所述填充结构件位于线圈骨架上方并与探头外壳的内腔相匹配。

5.根据权利要求1所述的轻量化导向传感器，其特征在于，所述探头的外表面还包覆有绝缘防护层。

6.一种如权利要求1-5任一权利要求所述的轻量化导向传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

S1、采用轻质介电材料制成线圈骨架和填充结构件；

S2、将探头线圈与线圈骨架连接在一起，与填充结构件一起整体装入探头外壳；

S3、在探头外壳的外表面灌封环氧树脂胶，使环氧树脂胶包覆探头表面，形成绝缘防护层。

7.根据权利要求6所述的轻量化导向传感器的制备方法，其特征在于，步骤S1所述线圈骨架和填充结构件的制备方法为：采用同一种轻质介电材料一次性成型制成一个整体结构体；或者先采用轻质介电材料Ⅰ制成具有U型内腔的线圈骨架，再采用轻质介电材料Ⅱ在U型内腔内成型制成填充结构件；或者先采用轻质介电材料Ⅰ制成薄板状线圈骨架，再采用轻质介电材料Ⅱ在薄板状线圈骨架上成型制成填充结构件。

8.根据权利要求7所述的轻量化导向传感器的制备方法，其特征在于，所述轻质介电材料Ⅰ为PMI或PPS，所述轻质介电材料Ⅱ为PMI或聚氨酯硬质泡沫。

9.根据权利要求6所述的轻量化导向传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括将信号传输组件Ⅰ与探头线圈组装在一起，将信号传输组件Ⅱ与采集电路板组装在一起，在将探头与基座组装的同时，将信号传输组件Ⅰ与信号传输组件Ⅱ组装在一起形成完整的信号传输部件。

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