CN111739709B - 一种轻量化悬浮传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻量化悬浮传感器及其制备方法，属于交通运输技术领域。本发明的轻量化悬浮传感器包括基座和探头，基座包括壳体、采集电路板，采集电路板安装在壳体的一端，采集电路板安装有信号传输组件Ⅱ；探头包括探头线圈、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，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在壳体的另一端；本发明采用轻质介电材料作为悬浮传感器探头的线圈骨架和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

一种轻量化悬浮传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种轻量化悬浮传感器及其制备方法。

背景技术

高速列车在高速运行时，除消耗电能之外，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，并且会对轨道产生强大的冲击力。另外，在制动停车时，高速列车的巨大动能也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。

由于高速磁浮列车对所使用的传感器存在接口、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、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。

现有悬浮传感器常用环氧树脂进行内外全灌封，环氧树脂灌封层具有绝缘和防护的作用，如将灌封层厚度减少，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，作为表面胶的环氧树脂，需要具有很好的强度，以起到防护作用。而这种高强度的环氧树脂，往往填料较多，密度较高，导致产品整体重量提高。这与高速磁浮列车的轻量化需求相悖。

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悬浮传感器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种轻量化悬浮传感器，所述轻量化悬浮传感器包括，

基座，包括壳体、采集电路板，所述采集电路板安装在壳体的一端，所述采集电路板上安装有信号传输组件Ⅱ；

探头，包括探头线圈、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，所述信号传输组件Ⅰ与信号传输组件Ⅱ组装后形成完整的信号传输部件，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在壳体的另一端。

本发明的悬浮传感器安装于高速磁浮列车悬浮电磁铁上的两个高能磁芯之间以及末端磁极与相邻的高能磁芯之间的每个间隙中，主要针对与轨道长定子之间的空气间隙距离进行测量，为高速磁浮列车悬浮控制系统提供悬浮间隙信号、加速度信号和速度信号，用于控制整车的悬浮运行，对测量的响应性要求较高。本发明采用轻质介电材料既作为电磁组件的线圈骨架，又起到填充壳体内部空腔的作用，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。

作为优选，所述线圈骨架和填充结构件为一个整体结构件，其整体形状与壳体的另一端的内腔相匹配。

作为优选，所述线圈骨架具有U型内腔或为中空内腔，所述填充结构件位于线圈骨架的U型内腔或中空内腔并与其相匹配，所述线圈骨架的外部形状与壳体的另一端的内腔相匹配。

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，所述线圈骨架具有中空内腔时，所述线圈骨架具有底面和设置在底面之上的首尾相连的侧面，所述首尾相连的侧面根据与要填充的壳体的内腔的形状相匹配。

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壳体的另一端的内腔相匹配。

本发明的线圈骨架和填充结构件的制备方法可采用上述三种方法，其中线圈骨架和填充结构件采用同一种轻质介电材料一次性制成一个整体的结构件，制备工艺更加简便，轻量化效果更佳，并且结构更加紧凑。

作为优选，所述基座还包括电连接器，所述电连接器安装在壳体的一端。

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，所述基座还包括密封盖板，所述密封盖板紧固安装在壳体的尾部。

作为优选，所述密封盖板和壳体之间设有密封圈。

作为优选，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。

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）是一种用于闭孔刚性发泡材料，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共固化相容性。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、耐疲劳性和耐磨性，电性能优良，即使在高温、高湿、高频条件下变化也不大，适用于制作电气组件。本发明所述的聚氨酯硬质泡沫是一种使用芳烃聚酯多元醇而制备的聚氨酯，其强度、耐热、阻燃等性能优良，韧性和尺寸稳定性好，常用作填充支撑材料。

作为优选，所述探头的外表面还包覆有绝缘防护层，所述绝缘防护层为环氧树脂胶层。进一步优选，所述环氧树脂胶层为玻璃网格布增强型环氧树脂胶层。

本发明的悬浮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，也对环境可靠性有一定要求。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，能够有效对绝缘防护层进行增韧补强，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悬浮传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1、采用轻质介电材料制备线圈骨架和填充结构件；

S2、将探头线圈连接在线圈骨架上，与填充结构件一起整体装入壳体的另一端；

S3、在壳体Ⅰ的外层覆盖玻璃纤维网格布，在玻璃纤维网格布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，再将轻质介电材料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制成具有中空内腔的线圈骨架，再将轻质介电材料Ⅱ在中空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，再将轻质介电材料Ⅱ在薄板状线圈骨架上成型制成填充结构件。

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。

由于PMI容易吸湿，因此需要进行烘干处理以消除吸湿可能带来的影响。

作为优选，步骤S2所述探头线圈通过胶粘的方式连接到线圈骨架上。

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，然后将采集电路板安装在壳体的一端，在探头整体装入壳体的另一端的同时，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，所述基座还包括电连接器，所述制备方法还包括将电连接器安装在壳体的一端。

作为优选，所述基座还包括密封盖板，所述制备方法还包括将密封盖板紧固安装在基座外壳的尾部。

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悬浮传感器探头线圈的骨架材料和传感器壳体的填充材料，大大降低了悬浮传感器的重量；

（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悬浮传感器壳体填充结构件的材料，既能满足轻量化的需求，又能与壳体表面所覆盖的环氧树脂胶层粘接相容匹配，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壳体填充材料和表面覆盖胶层的制备方法，采用轻质介电材料制备悬浮传感器探头线圈的线圈骨架与填充结构件，在外层仍然覆盖环氧树脂胶层，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防护性；

（5）本发明制得的悬浮传感器在满足高速磁浮列车用悬浮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为本发明实施例的悬浮传感器的爆炸分解图。

图2为本发明实施例悬浮传感器探头的组装示意图。

图3为本发明实施例完成基座和探头组装后的悬浮传感器。

图4为本发明实施例完成环氧树脂灌封后的悬浮传感器。

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，本实施例的轻量化悬浮传感器，包括基座20和探头10。

其中基座20包括壳体、采集电路板23和电连接器24；壳体呈“L”型结构，包括水平设置的壳体Ⅰ21和竖直设置的壳体Ⅱ22，壳体Ⅰ21和壳体Ⅱ22可以为一体成型，也可以是先分别制备壳体Ⅰ21和壳体Ⅱ22再固接在一起；探头10在组装后安装于壳体Ⅰ21内，采集电路板23安装在壳体Ⅱ22内，电连接器24安装在壳体Ⅱ22的电接口上，将连接器插座25（即信号传输组件Ⅱ）通过螺钉安装于采集电路板23上；基座20还包括安装在壳体Ⅱ22的尾部的密封盖板26，密封盖板26和壳体Ⅱ22之间设有密封圈。

探头10包括探头线圈11、线圈骨架和填充结构件，探头线圈11通过螺钉安装有与连接器插座25匹配的连接器插头13（即信号传输组件Ⅰ），连接器插头13与连接器插座25组装后形成完整的连接器（即信号传输部件），探头线圈11与线圈骨架胶接在一起，探头线圈11、线圈骨架和填充结构件安装于壳体Ⅰ21内，探头10的外表面还包覆有玻璃纤维网格布14和绝缘防护层（附图中未标记），

线圈骨架和填充结构件为一个整体结构件，其整体形状与壳体Ⅰ21的内腔相匹配；或者线圈骨架具有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壳体Ⅰ21的内腔相匹配；或者线圈骨架具有中空内腔（线圈骨架具有中空内腔时，线圈骨架具有底面和设置在底面之上的首尾相连的侧面，首尾相连的侧面根据与要填充的壳体的内腔的形状相匹配），填充结构件位于线圈骨架的中空内腔并与其相匹配，线圈骨架的外部形状与壳体Ⅰ21的内腔相匹配；或者线圈骨架为薄板状骨架，填充结构件位于线圈骨架上方并与壳体Ⅰ21的内腔相匹配。

实施例2

本实施例中轻量化悬浮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加工工艺将线圈骨架和填充结构件一次性成型制成具有整体结构的线圈骨架填充件12，并于125℃下烘干处理4h；

（2）如图2所示，将连接器插头13（即信号传输组件Ⅰ）与探头线圈11通过螺钉进行组装，然后将探头线圈11采用环氧树脂粘接胶（环氧树脂粘接胶型号HT6203）粘结在线圈骨架填充件12上，整体装入壳体Ⅰ21；

（3）将连接器插座25（即信号传输组件Ⅱ）与采集电路板23通过螺钉进行组装，之后将采集电路板23装入壳体Ⅱ22内，将连接器插头13和连接器插座25组装在一起成为完整的连接器，组装完成后的半成品如图3所示；

（4）在壳体Ⅰ21的外层覆盖玻璃纤维网格布14，在玻璃纤维网格布14的外表面灌封环氧树脂胶（环氧树脂胶型号ZR6102），使环氧树脂胶包覆探头10表面，形成绝缘防护层，实现对探头线圈11及线圈骨架填充件12的固定和绝缘防护；

（5）将电连接器24安装在壳体Ⅱ22的电接口上，然后在密封盖板26与壳体Ⅱ22之间安装密封圈，将密封盖板26与壳体Ⅱ22通过螺钉进行紧固，安装好的悬浮传感器如图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。

实施例7

与实施例3不同的是，本实施例先采用PPS材料制成具有内部空腔、留有注入口的线圈骨架，再将PMI材料注入到线圈骨架内部形成填充结构件，其他与实施例3相同。

对比例1

与实施例1不同的是，采用PPS材料制成线圈骨架后，不制备填充结构件，直接在壳体Ⅰ21组装后对整个壳体Ⅰ21内外灌封环氧树脂，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所采用的材料性能参数如表1所示。

表1：实施例2~7和对比例1中所采用材料的性能参数

将本发明实施例2~7、对比例1中制得的传感器的重量进行比较，实施例2~7制得的传感器较对比例1分别减重了62.3%、32.7%、73.8%、34.3%、70.5%和60.1%。

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壳体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 (6)

1.一种轻量化悬浮传感器，其特征在于，所述轻量化悬浮传感器包括，

基座，包括壳体、采集电路板，所述采集电路板安装在壳体的一端，所述采集电路板上安装有信号传输组件Ⅱ；

探头，包括探头线圈、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，所述信号传输组件Ⅰ与信号传输组件Ⅱ组装后形成完整的信号传输部件，所述探头线圈、线圈骨架和填充结构件安装在壳体的另一端；

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；

所述线圈骨架和填充结构件为一个整体结构件，其整体形状与壳体的另一端的内腔相匹配；

或者所述线圈骨架具有U型内腔或为中空内腔，所述填充结构件位于线圈骨架的U型内腔或中空内腔并与其相匹配，所述线圈骨架的外部形状与壳体的另一端的内腔相匹配；

或者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壳体的另一端的内腔相匹配。

2.根据权利要求1所述的轻量化悬浮传感器，其特征在于，所述探头的外表面还包覆有绝缘防护层，所述绝缘防护层为环氧树脂胶层。

3.一种如权利要求1~2任一权利要求所述的轻量化悬浮传感器的制备方法，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备线圈骨架和填充结构件；

S2、将探头线圈连接在线圈骨架上，与填充结构件一起整体装入壳体的另一端；

S3、在装有探头的壳体的外表面灌封环氧树脂胶，或先在壳体的另一端的外层覆盖玻璃纤维网格布，再在玻璃纤维网格布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。

4.根据权利要求3所述的轻量化悬浮传感器的制备方法，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，再将轻质介电材料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制成具有中空内腔的线圈骨架，再将轻质介电材料Ⅱ在中空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，再将轻质介电材料Ⅱ在薄板状线圈骨架上成型制成填充结构件。

5.根据权利要求4所述的轻量化悬浮传感器的制备方法，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。

6.根据权利要求3所述的轻量化悬浮传感器的制备方法，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，然后将采集电路板安装在壳体的一端，在探头整体装入壳体的另一端的同时，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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