CN209946188U - 一种齿轮式磁流体转速传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种齿轮式磁流体转速传感器，所示齿轮式磁流体转速传感器包括：壳体、齿轮、若干个感应电极以及若干个磁源；所述壳体具有腔体，所述齿轮设置在所述腔体内并可在所述腔体内转动；所述感应电极设置在所述壳体内壁上，所述感应电极与所述齿轮的齿端之间具有间隙，所述磁源设置在所述壳体内壁上并用于在所述间隙处提供磁场；所述腔体内填充有磁流体。由于本实用新型的齿轮式磁流体转速传感器结构简单，紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修。且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。

Description

一种齿轮式磁流体转速传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及的是一种齿轮式磁流体转速传感器。

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。常用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。现有技术中转速传感器由于通过直接传递转动状态来进行转速测量，需要使用精密微加工来制造传感器核心部件，在制作上需要复杂的微观结构，加工成本通常也非常高。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种齿轮式磁流体转速传感器，旨在解决现有技术中转速传感器的微观结构复杂导致成本较高的问题。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种齿轮式磁流体转速传感器，其中，其包括：壳体、齿轮、若干个感应电极以及若干个磁源；所述壳体具有腔体，所述齿轮设置在所述腔体内并可在所述腔体内转动；所述感应电极设置在所述壳体内壁上，所述感应电极与所述齿轮的齿端之间具有间隙，所述磁源设置在所述壳体内壁上并用于在所述间隙处提供磁场；所述腔体内填充有磁流体。

所述的齿轮式磁流体转速传感器，其中，所述磁流体包括若干个非磁性导电粒子，所述若干个非磁性导电粒子用于在所述磁场中自组装而连接所述感应电极与所述齿轮的齿端，所述间隙的长度为10-10000μm。

所述的齿轮式磁流体转速传感器，其中，所述非磁性导电粒子为纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级铜线、纳米级铝线、纳米级银线、富勒烯中的一种或多种。

所述的齿轮式磁流体转速传感器，其中，所述磁场的强度大于0.1特斯拉。

所述的齿轮式磁流体转速传感器，其中，所述壳体上设置有用于检测磁流体液位的磁流体液位探针。

所述的齿轮式磁流体转速传感器，其中，所述齿轮为圆锥齿轮。

所述的齿轮式磁流体转速传感器，其中，所述齿轮一端通过轴承与所述壳体的内壁转动连接，所述齿轮上另一端设置有齿轮柱，所述壳体上设置柱孔，所述齿轮柱穿过所述柱孔至所述腔体外。

所述的齿轮式磁流体转速传感器，其中，所述壳体内壁上设置有密封磁体，所述密封磁体围绕所述齿轮柱。

所述的齿轮式磁流体转速传感器，其中，所述齿轮、所述齿轮柱均不具有磁性且可导电。

有益效果：本实用新型的齿轮式磁流体转速传感器结构简单，紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修。且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。

附图说明

图1是本实用新型中齿轮式磁流体转速传感器的部分剖视图。

图2是本实用新型中齿轮式磁流体转速传感器的剖视图。

图3是图2中A处的放大图。

图4是本实用新型中齿轮式磁流体转速传感器的的结构示意图。

图5是本实用新型中齿轮和齿轮柱的结构示意图。

图6是本实用新型中盖体的结构示意图。

图7是本实用新型中感应电极、磁源以及输出端的结构示意图。

图8是本实用新型中非磁性导电粒子在无外加磁场时的结构示意图。

图9是本实用新型中非磁性导电粒子在竖直磁场中的结构示意图。

图10是本实用新型中非磁性导电粒子在竖直磁场中的照片。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请同时参阅图1-图9，本实用新型提供了一种齿轮式磁流体转速传感器的一些较佳实施例。

如图1和图2所示，本实用新型的齿轮式磁流体转速传感器包括：壳体10、齿轮20、若干个感应电极30以及若干个磁源40；所述壳体10具有腔体，所述齿轮20设置在所述腔体内并可在所述腔体内转动；所述感应电极30设置在所述壳体10内壁上，所述感应电极30与所述齿轮20的齿端之间具有间隙，所述磁源40设置在所述壳体10内壁上并用于在所述间隙处提供磁场。

具体地，所述壳体10的内壁上设置有感应电极安装孔，感应电极30安装在感应电极安装孔内，感应电极30的感应头伸出感应电极安装孔外，也就是说，感应电极30的感应头伸腔体内。所述腔体内填充有磁流体（图中未示出）。

所述磁流体包括若干个非磁性导电粒子，所述若干个非磁性导电粒子用于在所述磁场中自组装而连接所述感应电极30与所述齿轮20的齿端。

值得说明的是，本实用新型中需要测量齿轮20的转速。由于磁流体中的非磁性导电粒子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，即非磁性导电粒子依次排列连接成链。齿轮20包括：轮本体22以及设置在轮本体22上的若干个齿23，相邻齿23之间具有凹部，这里齿轮20的齿端具体是指齿23远离齿轮20中心（轮本体22）的一端。

当齿轮20转动，且齿与感应电极30相对时，齿端与感应电极30之间的间隙较小，非磁性导电粒子连接成的链状结构的两端分别连接在感应电机和齿轮20的齿端，实现感应电极30和齿轮20的齿端的导通。当齿轮20转动，且齿23不与感应电极30相对（即凹部与感应电极30相对）时，感应电极30与齿轮20的距离较远，非磁性导电粒子连接成的链状结构的两端无法连接在感应电极30和齿轮20上，当然，也就无法实现感应电极30和齿轮20的导通（即感应电极30与齿轮20断开）。通过感应电极30和齿轮20通断的快慢可计算求得齿轮20的转速。

磁流体是由纳米级磁性颗粒(magnetic particles，MPs，直径约10nm)、基载液和分散剂三者混合而成的一种稳定的溶液。与一般流体相比，磁流体不仅具有液体的流动性，而且具有磁化性能，利用磁流体的磁化特性，可以通过外加磁场实现对磁流体运动的操控。

含非磁性颗粒的磁流体被称为反磁流体(inverse magnetic fluid)。这是因为非磁性颗粒的尺寸远大于磁流体中的纳米级磁性颗粒，非磁性颗粒与磁流体之间的相互作用可以看作是固相颗粒与牛顿流体之间的流固耦合作用。请同时参阅图8-图10，有外加磁场时，非磁性颗粒被附近磁流体反向磁化并表现出各向异性。在磁流体中放置大量非磁性颗粒时，非磁性颗粒之间由于磁矩而具有偶极力，这种各向异性使得非磁性颗粒在磁场方向组装成链状结构。组装成链状结构后非磁性颗粒的能量更低，更加稳定。

此外，本实用新型中采用感温绝缘磁流体，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，具体地，基载液可以选用水、机油、羟基油、氟醚油等，分散剂可以采用苯乙烯或磷酸盐缓冲液，用于保持非磁性导电粒子的均匀混合状态。由于感温绝缘磁流体通常具有良好的导热性，齿轮式磁流体转速传感器具有较好的散热性能。

为便于计算，令齿轮20的齿数为n，齿轮20的转速的计算有多种方式：第一、当设置一个感应电极30时，检测感应电极30与齿轮20通断n次的时间为t₁秒，则齿轮20的转速为n/t₁转/秒。第二、当设置一个感应电极30时，检测感应电极30与齿轮20相邻两次通断的时间为t₂秒，则齿轮20的转速为1/t₂转/秒。第三、当设置两个感应电极30时，两个感应电极30所对的圆心角为α，检测某一个齿端依次转过这两个感应电极30的时间为t₃秒，则齿轮20的转速为t₃×360°/α转/秒。

请同时参阅图1、图2以及图7，本实用新型的较佳实施例中，采用一个感应电极30和一个磁源40，磁源40采用永磁体或电磁铁。为了更好地为间隙处提供磁场，磁源40和齿轮20的齿端分别位于感应电极30的两侧，也就是说磁源40也位于感应电极安装孔内，感应电极30与齿轮20的齿端的连线与磁场线平行，便于非磁性导电粒子沿磁场线分布而连接感应电极30与齿轮20的齿端。

壳体10上设置有若干个输出端60，输出端60与感应电极30连接，用于输出感应电极30的电流信号。本实用新型的较佳实施例中，采用一个输出端60。

在本实用新型的一个较佳实施例中，所述非磁性导电粒子为纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级铜线、纳米级铝线、纳米级银线、富勒烯中的一种或多种。具体地，当然，非磁性导电粒子不限于以上材料，这里的非磁性导电粒子的非磁性是指，相对于含铁、钴、镍等物质的非磁性。

在本实用新型的一个较佳实施例中，如图3所示，所述间隙的长度δ为10-10000μm。较佳的，间隙的长度δ为50-2000μm。具体地，需要根据转速测量需求设置间隙的长度δ，由于非磁性导电粒子连接成的链状结构的长度与时间有关，随着时间的推移，链状结构的长度增加，当然，链状结构也会断裂，链状结构的连接和断裂是一个可逆过程，到达一定时间后，链状结构的连接和断裂达到平衡。因此，在齿轮20的齿端与感应电极30相对的时间内，链状结构需要连接到一定长度，足以超过间隙的长度δ以连接感应电极30和齿轮20的齿端。当然需要测量的转速越高，则间隙的长度δ越小；当需要测量的转速越低，则间隙的长度δ可以增大。当然，也需要根据感应时间确定间隙的长度δ，需要感应快时，则间隙的长度δ越小，不需要感应快时，则间隙的长度δ可以增大。

在本实用新型的一个较佳实施例中，所述磁场的强度大于0.1特斯拉。具体地，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）。磁场的强度可以控制链状结构的长度，磁场越强，链状结构越长；磁场越弱，链状结构的长度越短。可以根据转速测量需求设置磁场的强度。

在本实用新型的一个较佳实施例中，请同时参阅图1-图4，为了确保磁流体的量足以测试，在所述壳体10上设置有用于检测磁流体液位的磁流体液位探针50。具体地，可以在壳体10上设置探针安装孔14，磁流体液位探针50设置在探针安装孔14中。磁流体液位探针50的一端伸入到腔体内，另一端凸出于壳体10外。在磁流体不足时，将磁流体液位探针50拆下，通过探针安装孔14补充磁流体。

探针安装孔14的设置位置可以根据需要进行调整，本实用新型较佳实施例中，齿轮20在竖直面内转动，感应电极30设置在壳体10内壁的顶部，探针安装孔14设置在壳体10的上表面，只要磁流体不足，腔体顶部则会出现空气，当磁流体低于一定高度时被磁流体液位探针50检测到。

在本实用新型的一个较佳实施例中，请同时参阅图2和图5，所述齿轮20为圆锥齿轮。具体地，齿轮20可以采用圆柱齿轮或圆锥齿轮。圆柱齿轮的径向分力太大，较佳地，采用圆锥齿轮，可适用于转速较高的齿轮20的测量。

在本实用新型的一个较佳实施例中，请同时参阅图2、图5以及图6，所述齿轮20一端通过轴承70与所述壳体10的内壁转动连接，所述齿轮20上另一端设置有齿轮柱21，所述壳体10上设置柱孔16，所述齿轮柱21穿过所述柱孔16至所述腔体外。具体地，采用圆锥齿轮时，圆锥齿轮的小端通过轴承70与壳体10的内壁转动连接，大端与齿轮柱21连接。轴承70可以防止齿轮20在轴向上滑移，且避免了齿轮20与壳体10接触而产生摩擦。

在本发明的一个较佳实施例中，当然，所述齿轮20还可以是套设在齿轮柱21上，齿轮柱21一端通过轴承70与所述壳体10的内壁转动连接，另一端穿过所述柱孔16至所述腔体外，调节齿轮20在齿轮柱21上的位置可以改变间隙的宽度δ。

壳体10包括：基座11和与基座11连接的盖体12；基座11上设置有凸缘13，凸缘13设置有螺孔，螺孔可供螺钉穿过并固定传感器。柱孔16设置在盖体12上。

在本实用新型的一个较佳实施例中，所述齿轮20、所述齿轮柱21均不具有磁性且可导电。具体地，齿轮20或齿轮柱21采用非磁性导电材料制成，或是在非磁性不导电材料上镀有导电涂层。轮齿可以通过铸造、插齿和焊接等方式制造。采用齿轮柱21作为输入端，当齿轮柱21带动齿轮20转动时，齿轮20与感应电极30出现通断，通过通断的次数计算齿轮20的转速。齿轮20的齿端为平面，便于与感应电极30通过非磁性导电粒子连接。

在本实用新型的一个较佳实施例中，请同时参阅图1、图2以及图6，为了避免磁流体的泄露，所述壳体10内壁上设置有密封磁体80，所述密封磁体80围绕所述齿轮柱21，也即密封磁体80设置在柱孔16边缘。更进一步地，壳体10内壁上设置有凹槽15，具体地，凹槽15设置在盖体12上；密封磁体80位于凹槽15内，密封磁体80与凹槽15的开口的距离为0.02至0.2mm。密封磁体80利用了磁流体的流变性，使磁流体在密封处形成具有固相性质的密封膜从而隔绝外部环境并防止传感器的内部泄漏。密封磁铁采用永磁铁，常用的永磁铁有钕铁硼永磁铁、铁氧体永磁铁。

本实用新型具有以下优点：（1）本实用新型的齿轮式磁流体转速传感器结构简单，紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修；（2）本实用新型的齿轮式磁流体转速传感器具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速制作；（3）本实用新型的齿轮式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）本实用新型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，在技术允许的条件下，传感器腔体的缝隙可以小于50μm。

本实用新型采用如下制作方法制作齿轮式磁流体转速传感器，齿轮式磁流体转速传感器的制作方法包括如下步骤：

步骤S100、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%。

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，在制作时需要综合考量磁粘性引起的阻力和自组装效率的因素。

步骤S200、根据齿轮20的转速设置感应电极30、齿轮20的齿数、间隙的长度δ、磁场的强度。

具体地，S200包括如下步骤：

步骤S210、根据测速输入端的条件（如：是否带有磁性，轴径状况如何）和转速测量需求来制作感应电极30、齿轮20的齿数。

具体地，齿轮20的齿应采用对称设计，其形状可以使渐开线齿形、矩形齿形、梯形齿形等，特殊情况下也可以使用非对称设计，或者不完全轮齿设计。

步骤S220、根据S100中的自组装实验制作腔体的尺寸，并根据感应电极30的安装位置和转速测量需求来制作齿轮20的模数、间隙的长度δ以及磁场的强度，进一步确定齿轮20的直径并选用轴承70的型号，从而根据间隙的长度δ确定壳体10尺寸。

间隙的长度δ应由步骤S100中的自组装实验进行确定，同时也应当考虑转动的因素，所以间隙的长度δ应略小于实验测得自组装链状结构长度L，常用的取值范围为L/4<δ<L。

步骤S230、根据感应电极30的安装位置以及间隙的长度δ，制作磁流体液位探针50。

磁流体液位探针50需要采用非磁性不导电材料，其底部应低于感应电极30，其准用刻度应高于齿轮20的齿端，在检测磁流体液面位置时应将传感器静置一段时间，以防止转动搅起的磁流体飞溅对液面位置检测产生影响。

步骤S240、根据安装环境和位置尺寸制作壳体10，壳体10包括：基座11和与基座11连接的盖体12，在传感器基座11上依次安装感应电极30，磁源40、轴承70、齿轮20、磁流体液位探针50，并检查相互是否存在相互干涉。

步骤S250、根据传感器基座11尺寸制作盖体12，在盖体12上需要制作凹槽15用于安装永磁铁，将制备好的混有非磁性导电颗粒的磁流体通过磁流体液位探针50的安装孔充入到测速腔体中并测试其防泄漏特性。

永磁铁与凹槽15的开口之间需要留有0.02至0.2毫米的间隙。

步骤S260、在初次装配后，需要进行通电测试实验，保证装配的有效性。

综上所述，本实用新型提供了一种齿轮式磁流体转速传感器，所示齿轮式磁流体转速传感器包括：壳体、齿轮、若干个感应电极以及若干个磁源；所述壳体具有腔体，所述齿轮设置在所述腔体内并可在所述腔体内转动；所述感应电极设置在所述壳体内壁上，所述感应电极与所述齿轮的齿端之间具有间隙，所述磁源设置在所述壳体内壁上并用于在所述间隙处提供磁场；所述腔体内填充有磁流体，所述磁流体包括若干个非磁性导电粒子，所述若干个非磁性导电粒子用于在所述磁场中自组装而连接所述感应电极与所述齿轮的齿端。由于本实用新型的齿轮式磁流体转速传感器结构简单，紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修。且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。

应当理解的是，本实用新型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实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种齿轮式磁流体转速传感器，其特征在于，其包括：壳体、齿轮、若干个感应电极以及若干个磁源；所述壳体具有腔体，所述齿轮设置在所述腔体内并可在所述腔体内转动；所述感应电极设置在所述壳体内壁上，所述感应电极与所述齿轮的齿端之间具有间隙，所述磁源设置在所述壳体内壁上并用于在所述间隙处提供磁场；所述腔体内填充有磁流体。

2.根据权利要求1所述的齿轮式磁流体转速传感器，其特征在于，所述磁流体包括若干个非磁性导电粒子，所述若干个非磁性导电粒子用于在所述磁场中自组装而连接所述感应电极与所述齿轮的齿端，所述间隙的长度为10-10000μm。

3.根据权利要求2所述的齿轮式磁流体转速传感器，其特征在于，所述非磁性导电粒子为纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级铜线、纳米级铝线、纳米级银线、富勒烯中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的齿轮式磁流体转速传感器，其特征在于，所述磁场的强度大于0.1特斯拉。

5.根据权利要求1所述的齿轮式磁流体转速传感器，其特征在于，所述壳体上设置有用于检测磁流体液位的磁流体液位探针。

6.根据权利要求1所述的齿轮式磁流体转速传感器，其特征在于，所述齿轮为圆锥齿轮。

7.根据权利要求1所述的齿轮式磁流体转速传感器，其特征在于，所述齿轮一端通过轴承与所述壳体的内壁转动连接，所述齿轮上另一端设置有齿轮柱，所述壳体上设置柱孔，所述齿轮柱穿过所述柱孔至所述腔体外。

8.根据权利要求7所述的齿轮式磁流体转速传感器，其特征在于，所述壳体内壁上设置有密封磁体，所述密封磁体围绕所述齿轮柱。

9.根据权利要求7所述的齿轮式磁流体转速传感器，其特征在于，所述齿轮、所述齿轮柱均不具有磁性且可导电。

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