CN212341238U - 发动机用高可靠环境适应性磁电转速传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种发动机用高可靠环境适应性磁电转速传感器，包括测试齿轮和传感器主体，所述传感器主体包括壳体、骨架、铁芯，在铁芯的后端设置有磁钢，在骨架的外侧采用并行同步的方式绕制有两组感应线圈；在传感器的壳体内部后端，介于感应线圈与信号输出线之间，设置有两组环形变压器；环形变压器的初级引出线与两组感应线圈的引出线相连接，次级引出线与转速信号输出线相连接；所述转速信号输出线从壳体后端伸出并与尾附件相连接。本实用新型可保证两路感应线圈完全对称，两路感应线圈输出的转速信号可完全同步，提高了准确性。同时还能大幅提升低转速条件下的转速信号输出幅值，有效满足了转速信号最低输出幅值的要求。

Description

发动机用高可靠环境适应性磁电转速传感器

技术领域

本实用新型属于发动机测控技术领域，具体涉及一种发动机用高可靠环境适应性磁电转速传感器。

背景技术

对磁电式轮速传感器而言，测量的准确性与可靠性是传感器的最关键技术特性，而采用双余度线圈设计方式，是实现上述关键技术特性的有效手段。目前，已有的双余度磁电转速传感器主要有两种结构形式。其一是两组感应线圈在同一骨架上分内外双层绕制，这种结构由于内外层每匝线圈周长不同，无法保证两组线圈的电阻和匝数完全一致，因此，对应同一转速信号，输出的感应电动势就会出现明显差异，造成双余度输出信号出现不同步的问题。其二是两组感应线圈在传感器壳体内采用并列安装结构形式。由于传感器的测量端面与测量齿轮凸齿的外切点对应的区域是唯一的，即转速传感器的测量端面应正对测量齿轮凸齿切点所在区域时，才能获得最佳转速感应信号，若两组感应线圈在传感器壳体内采用并列安装结构形式，则两组感应线圈均无法处于最佳信号测量区域，因此，必须加以改进。因此，两组线圈只能采取共用骨架、铁芯和磁钢方式。由于两路线圈并行缠绕，绕制的匝数受到限制，转速输出的信号幅度偏低，尤其在低转速工作条件下，信号幅度偏低问题会更加突出。因此，需对两路转速信号进行有效的信号放大处理，以满足转速传感器稳定、可靠测量的需求。

磁电式轮速传感器在低转速时，由于有效输出信号幅值过小，噪声含量高，致使传感器整机抗干扰能力差，以致相关测控系统无法进行准确的识别和测量，无法准确判别低转速时装备的真实运行状态。因此，要求转速传感器应具有低转速工作、高灵敏度、低噪声等突出性能；由于本项目转速传感器处于发动机运行环境，工作条件极为恶劣，因此，要求转速传感器应具有良好的耐温、耐油、防腐蚀、抗振动冲击等防护性能，以满足对发动机全工况条件下的转速信号，进行准确、可靠地测量及控制。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种发动机用高可靠环境适应性磁电转速传感器，以解决现有技术中的问题。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：一种发动机用高可靠环境适应性磁电转速传感器，包括测试齿轮和传感器主体，其特征在于：所述传感器主体包括壳体，在壳体内部前端设置有骨架，在骨架内部设置有铁芯，在铁芯的后端设置有磁钢，在骨架的外侧采用并行同步的方式绕制有两组感应线圈；在传感器的壳体内部后端，介于感应线圈与信号输出线之间，设置有两组环形变压器；环形变压器的初级引出线与两组感应线圈的引出线相连接，次级引出线与转速信号输出线相连接；所述转速信号输出线从壳体后端伸出并与尾附件相连接。

进一步的：所述铁芯贯穿于骨架的腔体内侧，磁钢通过强磁力吸引固定在铁芯的后端，铁芯与骨架之间采用耐高温环氧胶固定，且壳体内部采用耐高温环氧胶填充灌封。

进一步的：在壳体的后端螺纹连接有锁紧螺母，在锁紧螺母内侧设置有用于密封的胶塞和与防护弹簧相配合的压环。

进一步的：所述壳体采用316L不锈钢制作而成；传感器的感应线圈采用耐高温漆包线制作而成；传感器的磁钢，采用耐高温钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)加工而成，传感器转速信号输出线线缆采用TPE—热塑性聚酯弹性体材料制成。

进一步的：所述传感器的测量端面的厚度不大于0.15mm。

本实用新型的有益效果如下：本实用新型中，采用双余度同步线圈输出方式，在同一转速传感壳体内，采用并行同步的方式绕制两路转速信号感应线圈，两路感应线圈共用骨架、铁芯和磁钢。因此，可保证两路感应线圈完全对称，两路感应线圈输出的转速信号可完全同步。两路转速信号同步输出时，可判定此时传感器处于正常工作状态；而一旦某一路转速信号发生短路或或断路等异常情况时，另一路仍可独立工作。此外，该结构可有效避免由于两组感应线圈在同一骨架上分内外双层绕制，而无法保证两组线圈的电阻和匝数一致性及输出完全同步的问题。利用环形变压器的放大效应，对转速信号进行二级放大，从而能大幅提升低转速条件下的转速信号输出幅值，以满足转速信号最低输出幅值的要求。

本方案中，转速传感器的壳体采用316L不锈钢加工制作，最高工作温度600℃；传感器的感应线圈采用耐高温漆包线制作而成，漆包线的最高工作温度可达220℃；传感器的磁钢，采用耐高温钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)加工而成，工作耐受温度可从-200℃到300℃；传感器的机芯（感应线圈、永久磁铁等）采用耐高温环氧胶填充灌封，耐高温环氧胶的工作温度可以长期保持在240℃；传感器信号引出线线缆采用TPE—热塑性聚酯弹性体材料制成，最高使用温度可达180℃；从而保证了整体的较宽的温度适应性。

在转速信号输出环节，借助线圈内阻以及线路阻抗，设计了低通滤波电路。由此，可有效抑制高频噪声信号干扰，提高转速输出信号的信噪比，保证转速信号输出质量，增强传感器抗电磁干扰能力。实现了低噪声要求。

本方案中，传感器壳体全部采用不锈钢316L一体加工而成；信号线缆护套采用TPE热塑性弹性体材质，采用胶塞密封固定方式，有效提升了线缆的固定强度和抗拉性能；转速传感器壳体内部的感应线圈、磁钢、变压线圈等全部采用耐高温环氧树脂胶一体化灌封，使整机具有优良的刚性强度，确保满足抗振动、冲击防护要求。抗振动、耐冲击设计，抗振动加速度高达50g,耐冲击加速度高达100g。同时，密封防护等级满足IP68要求。

附图说明

图1 为本方案中磁电转速传感器的整体结构示意图；

图2 为为本方案中磁电转速传感器输出电压、频率与转速的对应关系示意图；

图3为本方案中转速信号环形变压器二级放大后波形图。

图中序号说明：1为测试齿轮、2为壳体、3为骨架、4为铁芯、5为磁钢、6为感应线圈、7为环形变压器、8为转速信号输出线、9为尾附件、10为电连接器、11为锁紧螺母、12为胶塞、13为压环、14为防护弹簧。

具体实施方式

如图1-3所示为本方案一种发动机用高可靠环境适应性磁电转速传感器，包括与被测发动机相连接并同步旋转的测试齿轮1和传感器主体；所述传感器主体包括壳体2，在壳体内部前端设置有骨架3，在骨架内部设置有铁芯4，在铁芯的后端设置有磁钢5，在骨架的外侧采用并行同步的方式绕制有两组感应线圈6；在传感器的壳体内部后端，介于感应线圈与信号输出线之间，设置有两组环形变压器7；环形变压器的初级引出线与两组感应线圈的引出线相连接，次级引出线与转速信号输出线8相连接；所述转速信号输出线从壳体后端伸出并与尾附件9相连接。

优选的：所述铁芯贯穿于骨架的腔体内侧，磁钢通过强磁力吸引固定在铁芯的后端，铁芯与骨架之间采用耐高温环氧胶固定，且壳体内部采用耐高温环氧胶填充灌封。

优选的：在壳体的后端螺纹连接有锁紧螺母11，在锁紧螺母内侧设置有用于密封的胶塞12和与防护弹簧14相配合的压环13。

优选的：所述壳体采用316L不锈钢制作而成；传感器的感应线圈采用耐高温漆包线制作而成；传感器的磁钢，采用耐高温钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)加工而成，传感器转速信号输出线线缆采用TPE—热塑性聚酯弹性体材料制成。

优选的：所述传感器的测量端面的厚度不大于0.15mm。

本实用新型结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，制备出测试齿轮、壳体和骨架结构，

步骤2，采用同步并行的方式在骨架上紧密绕制两组感应线圈，绕制完成后，将线圈与引出线连接，并用高温胶带紧密缠绕固定；

步骤3，将铁芯蘸浸高温环氧胶后，植入骨架腔体内侧；将磁钢植入骨架后部腔体内侧，依靠强磁力，与铁芯紧密连接固定，组成一体；

步骤4，绕制环形变压器，绕制完成后，将线圈连接引出线，并采用耐温胶带及硅胶紧密固定；

步骤5，将制作完成的转速感应线圈整体植入传感器壳体内，采用耐温环氧胶进行灌封固定，控制胶体厚度处于线圈整体边际即可，并固化；将环形变压器的初级引出线分别与两组转速线圈引出线相连接，再将环形变压器的次级引出线分别与转速信号输出线连接；

步骤6，用耐温环氧胶对壳体内的芯体进行整体灌封，控制胶体厚度高于芯体边际2mm即可，常温下放置24小时后，再经高温120℃烘干8小时后即可完全固化；

步骤7，将锁紧螺母螺纹处涂覆乐泰中强度螺纹胶，并使用力矩扳手与壳体拧紧，锁紧螺母通过压环挤压胶塞，使胶塞与壳体内壁以及信号线护套紧密接触、配合，即完成制备过程。

优选的：步骤2中，感应线圈绕制匝数为7500匝；步骤4中，绕制环形变压器时，初级为1000匝，次级为3000匝。

本方案的工作过程如下：测试齿轮与发动机等旋转部件连接并同步旋转，在旋转过程中，齿轮齿形端面间隔通过传感器，切割磁力线，使感应线圈内产生感应电动势，感应电动势通过环形变压器构成的二级放大电路进行信号放大，放大后的信号通过输出线至电连接器10中，电连接器起到将输出线与外部电路的连接作用。尾附件是电连接器的附件。

发动机用磁电转速传感器，不同于其它应用场合，具有工作环境恶劣，测试工况复杂，可靠性要求高等突出特点，因此，对传感器的耐温性能、输出性能、防护性能等技术指标提出了更为严格的要求。

本方案采用了一种双余度同步输出的转速磁传感器，解决了原有双余度转速磁传感器由于线圈结构不对称，输出不同步的问题。原有双余度线圈为在同一骨架上分内外双层绕制，这种结构由于内外层每匝线圈周长不同，无法保证两组线圈的电阻和匝数完全一致，因此，对应同一转速信号，输出的感应电动势就会出现明显差异，造成双余度输出信号出现不同步的问题。本方案在同一转速传感壳体内，设计两路转速信号感应线圈，两路感应线圈共用骨架、铁芯和磁钢，并对两组线圈采用并行同步的方式绕制，因此，可保证两路感应线圈完全对称，两路感应线圈输出的转速信号可完全同步。两路转速信号同步输出时，可判定此时传感器处于正常工作状态；而一旦某一路转速信号发生短路或或断路等异常情况时，另一路仍可独立工作，且测量结果准确。

为保证磁电转速传感器的信号输出强度，传感器的感应线圈需安装在测量齿轮凸齿的外切点区域附近，由于切点区域的唯一性，决定了两路感应线圈、无法采用并列安装结构形式，只能共用骨架、铁芯和磁钢。由于两路线圈并行缠绕，绕制的匝数受到限制，转速输出的信号幅度偏低，尤其在低转速工作条件下，信号幅度偏低问题会更加突出。因此，需对两路转速信号进行有效的信号放大处理，以满足转速传感器稳定、可靠测量的需求。本方案利用环形变压器的放大效应，对转速信号进行二级放大，从而能大幅提升低转速条件下的转速信号输出幅值，以满足转速信号最低输出幅值的要求。

此外，为保证转速传感器具有宽范围温区工作特性，本方案采取以下几项措施。转速传感器的壳体采用316L不锈钢加工制作，316L不锈钢具有良好的耐温性能,最高工作温度600℃；传感器的感应线圈采用直径为0.04mm的耐高温漆包线制作而成，漆包线的最高工作温度可达220℃； 传感器的磁钢（永久磁铁）部分，采用耐高温钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)加工而成。在200℃工作温度范围内，钕铁硼相比铁氧体、铝镍钴、钐钴、铂钴合金等永久磁铁，拥有最佳的剩磁、矫顽力、最大磁能积剩磁等磁性能；传感器线圈骨架部分采用聚酰亚胺材料加工而成，该材料具有良好的耐高、低温试验性能及力学性能，工作耐受温度可从-200℃到300℃；传感器的感应线圈、磁钢（永久磁铁）等组成的传感器机芯，采用耐高温环氧胶填充灌封，耐高温环氧胶的工作温度可以长期保持在240℃，在240℃时的拉伸剪切强度性能良好，仍可以达到5MPa以上；传感器信号线线缆护套采用TPE—热塑性聚酯弹性体材料制成，该类型线缆护套具有耐温、耐油、耐磨以及高弹性和低温柔韧性，信号线缆的抗拉扯力优于200N，最高使用温度可达180℃；综上，本方案中转速传感器各个组成部件及整机均可在180℃环境下长期稳定工作。

本方案的优点如下：

1)信号输出幅值高：

本方案将传感器感应线圈的漆包线线径由0.05mm改进为0.04mm，由此，线圈的匝数比改进前增加了20%左右,而转速传感器信号输出幅值也得到了有效提升；

此外，磁钢采用耐高温钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)N52H牌号加工而成，该牌号永久磁铁，经严格烧结工艺制作而成，确保其拥有最佳的剩磁、矫顽力，最大磁能积等磁性能均优于同类产品，其剩磁Br达到15.6KGs,矫顽力达到BHc13.8Koe, 最大磁能积（BH）_MAX可达52.6Mgoe。随着永久磁铁磁性能的提升，传感器信号输出幅值也得到了进一步的提升；

2)磁路间距小：

本方案传感器线圈铁芯采用软磁铁1J85坡莫合金加工制作，该铁芯具有极高的磁导率及极低的矫顽力, 对微弱信号反应灵敏。为提高磁力线集束能力，铁芯采用梯形锥体设计方式，同时进一步优化传感器壳体设计，将传感器测量端面的厚度控制在0.15mm以内，以有效缩短磁路间距；

3)信号两级放大：

参考图2、图3，本方案为进一步提高转速信号输出幅值，设计了环形变压器二级放大回路。在低转速条件下，传感器输出信号幅值偏低，利用环形变压器的放大效应，对转速信号进行二级放大，从而能大幅提升低转速条件下的转速信号输出幅值，以满足转速信号最低输出幅值的要求；

4)传感器噪声低：

本方案在信号输出环节，借助线圈内阻以及线路阻抗，设计了低通滤波电路，以有效抑制高频噪声信号干扰，提高转速输出信号的信噪比，保证转速信号输出质量，增强传感器抗电磁干扰能力；

5)抗振动、耐冲击性好：

本方案为满足高可靠、抗振动、冲击技术要求，传感器壳体全部采用不锈钢316L一体加工而成；信号线缆护套采用TPE热塑性弹性体材质，该类型线缆护套具有耐温、耐油、耐磨和良好的高弹性和低温柔韧性；线缆采用胶塞密封固定方式，以提升线缆的固定强度和抗拉性能，同时又能够有效保证传感器的密封防护性能；转速传感器壳体内部的感应线圈、磁钢、环形变压器等全部采用耐高温环氧树脂胶一体化灌封，使整机具有优良的刚性强度，确保满足抗振动、冲击防护要求；

6)密封防护性好：

本方案为满足水下浸渍、盐雾等环境试验要求，传感器的壳体选取耐腐蚀、抗盐雾的316L不锈钢材料整体加工制作，无任何焊接接口；信号线缆护套采用TPE热塑性弹性体材质加工制作，信号线缆与壳体间采用耐油、耐腐蚀氟硅胶塞密封固定，从而保证传感器整体具有良好的密封防护性能。

Claims (5)

1.发动机用高可靠环境适应性磁电转速传感器，包括测试齿轮和传感器主体，其特征在于：所述传感器主体包括壳体，在壳体内部前端设置有骨架，在骨架内部设置有铁芯，在铁芯的后端设置有磁钢，在骨架的外侧采用并行同步的方式绕制有两组感应线圈；在传感器的壳体内部后端，介于感应线圈与信号输出线之间，设置有两组环形变压器；环形变压器的初级引出线与两组感应线圈的引出线相连接，次级引出线与转速信号输出线相连接；所述转速信号输出线从壳体后端伸出并与尾附件相连接。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述铁芯贯穿于骨架的腔体内侧，磁钢通过强磁力吸引固定在铁芯的后端，铁芯与骨架之间采用耐高温环氧胶固定，且壳体内部采用耐高温环氧胶填充灌封。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：在壳体的后端螺纹连接有锁紧螺母，在锁紧螺母内侧设置有用于密封的胶塞和与防护弹簧相配合的压环。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述壳体采用316L不锈钢制作而成；传感器的感应线圈采用耐高温漆包线制作而成；传感器的磁钢，采用耐高温钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)加工而成，传感器转速信号输出线线缆采用TPE—热塑性聚酯弹性体材料制成。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述传感器的测量端面的厚度不大于0.15mm。

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