一种基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器
技术领域
1.本发明涉及lc传感器技术，特别涉及一种基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器，属于测量、测试的技术领域。
背景技术：
2.转速是旋转机械的一个关键参数，其对系统状态监测，过程控制和故障诊断至关重要。转速传感器是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。然而，目前市面上的转速传感器一般体积较大，需要外加电源供电，成本较高且无法适应恶劣的工业环境。其次在低转速下，由于传统传感器灵敏度较低，无法准确进行测量。
3.lc无源无线传感器自从1967年被首次提出以来，已经被广泛应用于各种场合，例如压力、温度、湿度、转速、气体等参数的检测。lc传感器通常由敏感电容和螺旋电感串联而成，其工作原理很简单，无需电源供电，也无需电气连接，且体积小，功耗低，成本低，这使得其在机械旋转结构下具有无可比拟的优势。
4.自然界中所有的材料都具有正的泊松比，负泊松比材料只能被人工制造出来。与传统正泊松比材料相比，负泊松比材料在受拉伸时,其在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时,材料的横向反而发生收缩。
技术实现要素：
5.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器，通过在敏感电容极板间填充负泊松比材料来提高传感器的灵敏度，解决了传统转速传感器体积较大，需要外加电源供电，成本较高且无法适应恶劣工业环境的问题。
6.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
7.一种基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器，包括：读出系统和传感器节点，其中读出系统与传感器节点通过电感耦合进行信号传输。
8.进一步的，所述读出系统由信号分析仪、读出线圈组成；信号分析仪发出扫频电磁激励信号，对传感器节点的谐振频率进行探测,从而测量被测物体的转速。
9.进一步的，所述传感器节点由敏感电容和电感线圈串联而成；敏感电容由两块相互平行的敏感电容极板以及中间填充的负泊松比材料所构成，当被测物体旋转时，由于向心力的作用，两敏感电容极板间距发生变化，且中间填充的负泊松比材料发生膨胀，介电常数发生改变，引起敏感电容值改变，从而引起传感器节点的谐振频率变化，通过电感耦合将频率信号传递给读出电路，从而测量出被测物体的转速。
10.进一步的，所述负泊松比材料为由内凹六边形单元格周期性排列所构成的三维蜂窝结构，其中横梁属于镀金材料，其余部分由传统塑料构成；横梁与横梁之间、横梁与平行的两个敏感电容极板之间形成微电容结构，敏感电容的等效电容值为敏感电容极板电容值与微电容值之和。
11.其工作原理为：
12.(1)信号分析仪发出一定频率的正弦交流信号，通过读出系统中电感线圈与传感器节点中电感线圈的互感耦合，将激励信号耦合到传感器节点上；
13.(2)当被测物体旋转时，由于向心力的影响，敏感电容的导电极板间距增大，且中间填充的负泊松比材料发生膨胀；由于负泊松比材料结构的横梁属于镀金材料，微型横梁与微型横梁之间、微型横梁与电容两极板之间形成微电容结构，敏感电容的等效电容值为平行板电容值与微电容值之和。在负泊松比材料发生形变时，微电容单元也随之发生变化，其变化值将叠加到平行板电容变化之上，使得整体的电容值发生变化，从而引起lc谐振回路的谐振频率变化。
14.(3)其中负泊松比材料为由内凹六边形单元格周期性排列所构成的三维蜂窝结构，其中横梁属于镀金材料，其余部分由传统塑料构成。
15.(3)通过对读出系统中电感线圈进行输入阻抗分析或分析其输入回波损耗从而测出lc传感器的谐振频率，即可计算出被测物体的转速。
16.本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
17.(1)本发明提供的基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器，将无源无线技术引入了转速测量实现读出电路与待测物体零接触的监测方式，避免引线等有线连接带来的不便。
18.(2)敏感电容由两块相互平行的导电极板以及中间填充的负泊松比材料所构成，这种结构提高了敏感电容随转速的变化程度，从而提高了转速传感器的灵敏度。尤其在低转速情况下，能够准确的测量转速。
附图说明
19.图1为本发明基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器的等效电路图。
20.图2为图1所示lc传感器中敏感电容的三维结构图。
21.图中标号说明：1、传感器节点，2、读出系统，3、敏感电容，11、电感线圈，12、敏感电容极板，13、负泊松比材料，21、电感线圈，22、信号分析仪，32、镀金横梁。
具体实施方式
22.下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
23.如图1、图2所示，本发明公开的一种基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器，包括传感器节点1和读出电路2；传感器节点1由敏感电容3和电感线圈11串联而成，敏感电容3由敏感电容极板12和负泊松比材料13构成；读出电路2由电感线圈21和信号分析仪22串联而成。
24.如图1所示，信号分析仪22发出一定频率的正弦交流信号，通过读出电路中电感线圈21与传感器节点中电感线圈11的互感耦合，将激励信号耦合到传感器节点上。当被测物体旋转时，由于向心力的影响，敏感电容极板12间距增大，且中间填充的负泊松比材料13发生膨胀，介电常数发生变化，从而导致敏感电容值改变，引起lc谐振回路的谐振频率变化，再通过信号分析仪22进行输入阻抗分析或分析其输入回波损耗从而测出lc传感器的谐振频率，即可计算出被测物体的转速。
25.如图2所示，敏感电容3由两块相互平行的敏感电容极板12以及中间填充的负泊松比材料13所构成。负泊松比材料13为由内凹六边形单元格周期性排列所构成的三维蜂窝结构，其中镀金横梁32属于镀金材料，其余部分由传统塑料构成。镀金横梁32与镀金横梁32之间、镀金横梁32与敏感电容极板12之间形成微电容结构，敏感电容3的等效电容值为平行敏感电容极板12电容值与微电容值之和。
技术特征：
1.一种基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器，其特征在于，包括：读出系统和传感器节点，其中读出系统与传感器节点通过电感耦合进行信号传输。2.根据权利要求1所述一种基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器，其特征在于，所述读出系统由信号分析仪、读出线圈组成；信号分析仪发出扫频电磁激励信号，对传感器节点的谐振频率进行探测,从而测量被测物体的转速。3.根据权利要求1所述一种基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器，其特征在于，所述传感器节点由敏感电容和电感线圈串联而成；敏感电容由两块相互平行的敏感电容极板以及中间填充的负泊松比材料所构成，当被测物体旋转时，由于向心力的作用，两敏感电容极板间距发生变化，且中间填充的负泊松比材料发生膨胀，介电常数发生改变，引起敏感电容值改变，从而引起传感器节点的谐振频率变化，通过电感耦合将频率信号传递给读出电路，从而测量出被测物体的转速。4.根据权利要求3所述一种基于负泊松比材料的高灵敏度lc柔性转速传感器，其特征在于，所述负泊松比材料为由内凹六边形单元格周期性排列所构成的三维蜂窝结构，其中横梁属于镀金材料，其余部分由传统塑料构成；横梁与横梁之间、横梁与平行的两个敏感电容极板之间形成微电容结构，敏感电容的等效电容值为敏感电容极板电容值与微电容值之和。
技术总结
本发明提供一种基于负泊松比材料的高灵敏度LC柔性转速传感器，属于测量、测试的技术领域。该LC柔性转速传感器包括读出系统和传感器节点；所述读出系统由信号分析仪、电容、电感线圈串联而成；所述传感器节点由电感线圈、敏感电容串联而成；所述敏感电容由两块相互平行的导电极板以及中间填充的负泊松比材料所构成；所述读出系统与传感器节点通过电感耦合进行信号传输，从而检测被测物体的转速。本发明结构简单，能够实现无接触的转速测量，并且提高转速传感器的灵敏度。高转速传感器的灵敏度。高转速传感器的灵敏度。
技术研发人员：董蕾 戴鹏 王立峰
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2021.11.23
技术公布日：2022/2/24
再多了解一些
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