设有应变传感器的轴承的制作方法

1.本实用新型涉及轴承应变监测技术领域，特别是涉及设有应变传感器的轴承。


背景技术：

2.应变是轴承工作时一个重要参数，实时监测轴承的应变有助于了解轴承的工作状态，从而进行适时调整，避免操作失误和过载运转等情况造成不必要的损失。常用于监测轴承应变的装置为传感器。目前，轴承与传感器之间的设置主要有如下几种方式：1)对轴承内部进行开槽、开洞、修改尺寸等，将监测传感器植入轴承内部，即植入式。然而，轴承内部的安装空间有限，这种植入方式往往需要改变轴承结构，从而影响了轴承受力形式，导致轴承寿命下降。而且将传感器置于轴承内部也会增加导线、电极等的布置难度。另外，轴承运作过程产生的高温、油污、摩擦等，使得传感器的工作环境较为恶劣。2)将传感器安装在轴承附近位置或周边零部件上，比如轴承座等，即外挂式。但是传感元件等附加在轴承周围会改变轴承的总体尺寸，且由于传感器远离信号源，所测得的信号会受到环境噪声的影响，偏离真实值，导致测量精度不佳。而且信号在传输过程中容易产生能量损耗，尤其在采集轴承振动信号时，信号需要通过轴承座或其它零部件传递到传感器，而信号在传输过程会产生衰减，导致传感器不易检测到早期故障信号。另外，将传感元件等安装在轴承周围的过程中，容易与周边物质的接触产生剐蹭等，从而造成电极与电阻栅等结构的摩擦、磨损，甚至脱落。


技术实现要素：

3.基于此，有必要提供一种能够提高集成度、测量准确性和寿命的设有应变传感器的轴承。
4.一种设有应变传感器的轴承，其特征在于，包括：
5.轴承，所述轴承的端面设有依次连通的第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，所述第一凹槽和所述第三凹槽的开口内径小于底部内径；及
6.薄膜传感器，包括应变电阻栅、第一导线、第二导线、第一电极结构及第二电极结构；所述应变电阻栅设于所述第二凹槽内，所述第一电极结构及所述第二电极结构分别设于所述第一凹槽和所述第三凹槽内，所述第一导线与所述应变电阻栅和所述第一电极结构分别连接，所述第二导线与所述应变电阻栅和所述第二电极结构分别连接。
7.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述第一凹槽和所述第三凹槽沿所述轴承轴向上的截面为梯形。
8.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述第一凹槽和所述第三凹槽在沿所述轴承轴向上的截面的底角为27
°
～45
°
。
9.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述第一凹槽和所述第三凹槽为圆台形凹槽。
10.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述第一凹槽和所述第三凹槽的
深度为2mm～3mm，开口内径为0.8mm～3mm，底部内径为2.4mm～9mm。
11.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述第一凹槽和所述第三凹槽的深度均大于所述第二凹槽。
12.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述第二凹槽的形状为连续弯折的长条形或弧形。
13.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述第二凹槽包括多个相邻设置的凹槽段，各相邻两个所述凹槽段依次连接以形成所述连续弯折的长条形或弧形，各相邻两个所述凹槽段之间形成的夹角为90
°
～135
°
。
14.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述第二凹槽的深度为0.1mm～1mm，宽度为80μm～200μm。
15.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述薄膜传感器还包括底端保护层、粘接层及顶端保护层；
16.所述底端保护层贴合于所述第二凹槽内，用于提供绝缘保护；
17.所述粘接层覆盖所述底端保护层，用于提高所述薄膜传感器与所述轴承的结合力；
18.所述应变电阻栅覆盖所述粘接层；及
19.所述顶端保护层覆盖所述应变电阻栅，用于提供绝缘保护。
20.可选的，如上述所述的设有应变传感器的轴承，所述设有应变传感器的轴承还包括信号接收器和信号处理器；
21.所述第一导线和所述第二导线的端部与所述信号接收器的输入端电连接，所述信号接收器的输出端与所述信号处理器的输入端电连接，以将接收到的所述轴承的应变信号转换为电阻信号，并根据所述电阻信号得到所述轴承的应变值。
22.本实用新型提供的设有应变传感器的轴承以微创形式在轴承端面集成薄膜应变传感器，相较于将轴承内部或周边接触件去除大量结构以将传感器植入的方式，此种结构最大化减少了对轴承受力形式的影响，避免了其寿命的下降，充分解决由于轴承内部空间狭小不足而增加传感器安装、布线等的难度。
23.此外，将薄膜传感器集成于轴承端面的凹槽内，可避免安装过程中产生剐蹭而造成电极或电阻栅等结构的摩擦、磨损，甚至脱落的问题。而且此种结构实现了原位监测轴承工作状态，最大化减少了环境噪声等对传感信号的影响，提高了测量精度。
24.进一步将电极结构沉积于具有特定形状的凹槽内，可有效防止电极结构的滑脱，同时将导线设于凹槽内也可避免其与外界摩擦所导致的脱落，尤其是在冲击振动环境下极大的增强了电极的可靠性，提高了传感器的使用效率和寿命，减少传感器的维修次数。
附图说明
25.图1为本实用新型一实施例中的设有应变传感器的轴承的结构示意图；
26.图2为图1中b区的放大俯视图；
27.图3为图2中沿a-a方向的截面图；
28.图4为薄膜传感器的结构示意图；
29.图5为薄膜传感器各个层的结构示意图。
30.附图标记说明：
31.10-轴承；20-薄膜传感器；11-第一凹槽；12-第二凹槽；13-第三凹槽；21-应变电阻栅；22-第一导线；23-第二导线；24-第一电极结构；25-第二电极结构；26-底端保护层；27-粘接层；28-顶端保护层。
具体实施方式
32.现将详细地提供本实用新型实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文。提供每一实例作为解释而非限制本实用新型。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本实用新型进行多种修改和变化而不背离本实用新型的范围或精神。例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式。
33.因此，旨在本实用新型覆盖落入所附权利要求的范围及其等同范围中的此类修改和变化。本实用新型的其它对象、特征和方面公开于以下详细描述中或从中是显而易见的。本领域普通技术人员应理解本讨论仅是示例性实施方式的描述，而非意在限制本实用新型更广阔的方面。
34.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
36.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
37.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
38.可以理解，传统通常采用在轴承内部植入传感器会影响轴承的受力形式，导致其寿命下降，传感器的布线和安装也较为困难。而在轴承周围附加传感器一方面容易导致传感器结构部件的磨损、摩擦，甚至脱落；另一方面，也会影响传感器的测量精度。因此，本实用新型提供一种设有应变传感器的轴承，以解决传感器测量测量精度不准、易磨损脱落、寿
命短等多种问题。
39.参阅图1～4，本实用新型一实施例提供了设有应变传感器的轴承，包括轴承10及集成于轴承10端面的薄膜传感器20；
40.可理解，轴承10包括轴孔，与轴孔的轴向垂直的面为端面。
41.轴承10的端面设有依次连通的第一凹槽11、第二凹槽12和第三凹槽13，第一凹槽11和第三凹槽13的开口内径小于底部内径。
42.薄膜传感器20，包括应变电阻栅21、第一导线22、第二导线23、第一电极结构24及第二电极结构25；应变电阻栅21设于第二凹槽12内，第一电极结构24及第二电极结构25分别设于第一凹槽11和第三凹槽13内，第一导线22与应变电阻栅21和第一电极结构24分别连接，第二导线23与应变电阻栅21和第二电极结构25分别连接。
43.可以理解的，应变电阻栅21、第一导线22、第二导线23、第一电极结构24及第二电极结构25之间电连接，用于接收和输出轴承10的应变信号。
44.在一些实施方式中，第一导线22的一端与应变电阻栅21相连，另一端露出于第一电极结构24，其余部分埋设于第一电极结构24内；第二导线23的设置方式第一导线22的设置方式基本相同，第二导线23的一端与应变电阻栅21相连，另一端露出于第二电极结构25，其余部位埋设于第二电极结构25内。
45.在一些实施方式中，第一导线22和第二导线23的材质可以为铜、铝、金、铂，优选的，第一导线22和第二导线23为直径为0.1mm～0.5mm的导线丝。
46.在一些实施方式中，第一凹槽11和第三凹槽13沿轴承10轴向上的截面为梯形。优选的，第一凹槽11和第三凹槽13在沿轴承10轴向上的截面的底角为27
°
～45
°
，以确保第一凹槽11和第三凹槽13内形成的电极结构不会脱落。更优选的，第一凹槽11和第三凹槽13在沿轴承10轴向上的截面的底角为30
°
。在一实施例中，第一凹槽11和第三凹槽13为圆台形凹槽。优选的，第一凹槽11和第三凹槽13的深度为2mm～3mm，开口内径为0.8mm～3mm，底部内径为2.4mm～9mm。
47.在一些实施方式中，第一凹槽11和第三凹槽13的深度均大于第二凹槽12。
48.在一些实施方式中，第二凹槽12的形状为连续弯折的长条形或弧形。其中，第二凹槽12包括多个相邻设置的凹槽段，各相邻两个凹槽段依次连接以形成连续弯折的长条形或弧形，各相邻两个凹槽段之间形成的夹角为90
°
～135
°
。如图2所示，各个凹槽段为长条形，各相邻两个凹槽段依次连接形成连续弯折的长条形，其中各相邻两个凹槽段之间形成的夹角为90
°
。优选的，相邻两个凹槽段之间形成的夹角为110
°
～135
°
，以便于在第二凹槽12内形成应变电阻栅21。所述第二凹槽12的深度和宽度等不作过多限制，本领域技术人员有能力根据实际需求进行选择，例如深度可以为0.1mm～1mm，宽度可以为80μm～200μm。
49.请一并参阅图5，在一些实施方式中，薄膜传感器20还包括底端保护层26、粘接层27及顶端保护层28。底端保护层26贴合于第二凹槽12内的底部，粘接层27覆盖底端保护层26，应变电阻栅21覆盖粘接层27，顶端保护层28覆盖应变电阻栅21。
50.在一些实施方式中，粘接层27及应变电阻栅21可以为薄膜结构。粘接层27可以为镍薄膜、铜薄膜或镍铜合金薄膜，用于提高薄膜传感器20与轴承10的结合力。应变电阻栅21通常可以由镍铬合金薄膜、康铜合金薄膜、铂铬合金薄膜或石墨烯薄膜形成。
51.在一些实施方式中，底端保护层26及顶端保护层28用于提供绝缘保护，其可以为
耐高温绝缘复合陶瓷材料涂层，其可以满足一定的酸碱腐蚀及高低温环境的需求，同时材料本身属性也可以在一定程度上减轻外界振动与冲击对设有应变传感器的轴承造成的伤害。优选的，底端保护层26和顶端保护层28可以为氧化物陶瓷材料涂层，例如，可以为氧化铝、氧化硅、氮化硅和氧化锆中一种或多种材料形成的涂层。
52.在一些实施方式中，薄膜应变传感器20还包括信号接收器(图中未示出)和信号处理器(图中未示出)；
53.所述第一导线22和第二导线23的端部与信号接收器的输入端电连接，信号接收器的输出端与信号处理器的输入端电连接，以将接收到的轴承10的应变信号转换为电阻信号，并根据电阻信号得到轴承10的应变值。
54.可以理解，本实用新型提供的设有应变传感器的轴承中，轴承10与薄膜传感器20制备为一体式传感器。在其中一个实施例中，具体制备过程可以如下：首先，清洗、抛光轴承10表面，使其具有合适的平整度和粗糙度，示例性的，粗糙度可以为200nm以下。随后，使用红外皮秒激光器处理轴承10的端面，形成第一凹槽11、第二凹槽12和第三凹槽13，其中红外皮秒激光器的波长可以为760nm～1200nm，重复频率可以为80khz～1000khz，脉冲宽度可以为10ps～100ps。然后，可以采用等离子喷涂、热蒸发等工艺在第二凹槽12的内底部沉积底端保护层26，采用物理气相沉积法在底端保护层26上形成粘接层27，并采用磁控溅射法或光刻工艺在粘接层27表面形成应变电阻栅21，以覆盖粘接层27。随后在第一凹槽11和第三凹槽13内涂覆金属银浆，并分别埋设第一导线22和第二导线23后固化成型，随后采用等离子喷涂、热蒸发等工艺在应变电阻栅21表面形成顶端保护层28。同时，将第一导线22和第二导线23的端部与信号接收器的输入端电连接，信号接收器的输出端与信号处理器的输入端电连接。当轴承10受到载荷时，轴承10外圈由于挤压发生形变，使得薄膜传感器20中的应变电阻栅21的阻值发生变化，通过测量应变电阻栅21阻值的变化，结合阻值变化与所受载荷之间的关系，从而测量得到轴承10所受载荷的大小。
55.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
56.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。