專利名稱：一種超導(dǎo)磁懸浮的尋北裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種尋北裝置，特別涉及超導(dǎo)磁懸浮的尋北裝置。
背景技術(shù)：
新型材料和低溫技術(shù)的不斷發(fā)展加快了超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，超導(dǎo)體獨(dú)特的物理特性能有著其它材料不可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如無阻載流能力、完全抗磁性以及量子相干效應(yīng)等等?；诔瑢?dǎo)體各種特性研發(fā)的高精度超導(dǎo)儀器設(shè)備在能源、信息、環(huán)境探測(cè)、軌道交通、醫(yī)療診斷和科學(xué)儀器等方面有著重要的應(yīng)用。尋北儀是測(cè)量其基準(zhǔn)邊與地理真北方向之間夾角的儀器，可為其他設(shè)備提供方位和姿態(tài)等信息，在載體的初始姿態(tài)測(cè)量、雷達(dá)天線的對(duì)準(zhǔn)、地球物理探測(cè)、隧道施工、礦山開采、大地測(cè)量及資源勘測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。磁強(qiáng)計(jì)尋北儀通過測(cè)量地磁場(chǎng)來確定北向，由于容易受周圍電器設(shè)備產(chǎn)生的外磁場(chǎng)影響，且地球表面每個(gè)位置的磁場(chǎng)方向不同，磁強(qiáng)計(jì)尋北儀的精度較低。天文尋北儀通過測(cè)量星體來確定方位，可以達(dá)到很高的精度，但是在水下、隧道內(nèi)以及氣候不好的情況下無法使用。擺式羅盤尋北儀的定位精度較高，但尋北時(shí)間較長。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度快速定向?qū)け?，本發(fā)明提出一種基于超導(dǎo)磁懸浮的尋北裝置。本發(fā)明裝置具有尋北精度高和尋北時(shí)間短等特點(diǎn)。本發(fā)明尋北裝置包括轉(zhuǎn)臺(tái)基座、水平轉(zhuǎn)臺(tái)、夾具、水平儀、方位基準(zhǔn)線、低溫容器、 制冷機(jī)、防輻射屏、傳熱屏、轉(zhuǎn)子腔、超導(dǎo)轉(zhuǎn)子、懸浮線圈、驅(qū)動(dòng)線圈、赤道傳感器、極軸傳感
ο所述的水平轉(zhuǎn)臺(tái)安放在轉(zhuǎn)臺(tái)基座上，低溫容器固定在水平轉(zhuǎn)臺(tái)的夾具上。利用水平轉(zhuǎn)臺(tái)面上的水平儀對(duì)水平轉(zhuǎn)臺(tái)和低溫容器進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，使水平轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸和低溫容器的旋轉(zhuǎn)軸與大地水平面保持垂直，水平轉(zhuǎn)臺(tái)以地垂線為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。所述的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子在赤道附近位置刻有信號(hào)讀取圖形，兩個(gè)赤道傳感器正交固定在轉(zhuǎn)子腔上，兩個(gè)赤道傳感器的光軸在赤道水平面上相互垂直并指向超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的球心，赤道水平面與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫小３嗟纻鞲衅魍ㄟ^檢測(cè)赤道位置的信號(hào)讀取圖形來測(cè)量超導(dǎo)轉(zhuǎn)子敏感到的地球自轉(zhuǎn)角速度的水平分量和超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。方位基準(zhǔn)線刻在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上，方位基準(zhǔn)線與其中一個(gè)赤道傳感器的光軸平行。所述的信號(hào)讀取圖形由刻在轉(zhuǎn)子赤道附近一周的首尾相連的兩個(gè)相同的直角三角形組成，直角三角形的一條長直角邊與赤道平行，直角三角形的中線與赤道線重合，直角三角形的斜邊與赤道線的夾角為U，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子角度偏轉(zhuǎn)的測(cè)量范圍與角度u成正比。所述的制冷機(jī)安裝在低溫容器的上端，低溫容器內(nèi)部通過拉桿固定卷筒形狀的防輻射屏，在防輻射屏筒內(nèi)布置傳熱屏，傳熱屏通過螺釘固定在制冷機(jī)的二級(jí)冷頭下端。在傳熱屏內(nèi)放置轉(zhuǎn)子腔，轉(zhuǎn)子腔的外壁緊貼傳熱屏的內(nèi)壁。采用傳熱屏通過制冷機(jī)的二級(jí)冷頭的冷量直接傳導(dǎo)冷卻轉(zhuǎn)子腔。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子位于轉(zhuǎn)子腔內(nèi)，轉(zhuǎn)子腔上下端布置有懸浮線圈，通過所述的懸浮線圈使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子懸浮。驅(qū)動(dòng)線圈布置在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔中心附近位置中，通過驅(qū)動(dòng)線圈使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過安裝在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子頂部的極軸傳感器檢測(cè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子懸浮位置。使用所述的發(fā)明裝置的尋北方法是設(shè)定赤道傳感器一的光軸與真北方向的夾角為α，當(dāng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過超導(dǎo)轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子腔的相對(duì)偏轉(zhuǎn)變化，利用兩個(gè)赤道傳感器測(cè)量地球自轉(zhuǎn)角速度水平分量在兩個(gè)赤道傳感器光軸方向上的分量，即地球自轉(zhuǎn)角速度 ω ΙΕ在當(dāng)?shù)氐乩砭暥葹闃淞⒅玫乃椒至考s￡ c0S(3在赤道傳感器一和赤道傳感器二的光軸方向上的分量，此分量分別為％= IE C0S Ψ C0S 漢禾口糾 _ ^1e COS識(shí)sina，再通過計(jì)算得到赤道傳感器一的光軸與真北方向的夾角α =Brctan(Co1Z^2),即可得到水平轉(zhuǎn)臺(tái)上方位基準(zhǔn)線與真北方向的夾角α值。


圖1低溫容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖中5低溫容器，6制冷機(jī)，8傳熱屏，9轉(zhuǎn)子腔， 10超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，11防輻射屏，12赤道信號(hào)讀取圖形，13懸浮線圈，14驅(qū)動(dòng)線圈，15極軸傳感器，16赤道傳感器一，17赤道傳感器二 ；圖2超導(dǎo)磁懸浮尋北裝置示意圖。圖中1轉(zhuǎn)臺(tái)基座，2水平轉(zhuǎn)臺(tái)，3水平儀，4夾具，7方位基準(zhǔn)線；圖3赤道信號(hào)讀取圖形展開示意圖。圖中18轉(zhuǎn)子赤道線，19超導(dǎo)轉(zhuǎn)子光滑表面；圖4赤道傳感器與超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的位置示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖1所示，低溫容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括低溫容器5、制冷機(jī)6、傳熱屏8、轉(zhuǎn)子腔9、超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10、防輻射屏11、赤道信號(hào)讀取圖形12、懸浮線圈13、驅(qū)動(dòng)線圈14、極軸傳感器15、 赤道傳感器一 16和赤道傳感器二 17。制冷機(jī)6安裝在低溫容器5的上端，低溫容器5內(nèi)部通過拉桿固定卷筒形狀的防輻射屏11，在防輻射屏11筒內(nèi)布置傳熱屏8，傳熱屏8通過螺釘固定在制冷機(jī)6 二級(jí)冷頭的下端。在傳熱屏8內(nèi)放置轉(zhuǎn)子腔9，轉(zhuǎn)子腔9的外壁緊貼傳熱屏8的內(nèi)壁。采用傳熱屏8通過制冷機(jī)6的二級(jí)冷頭的冷量直接傳導(dǎo)冷卻轉(zhuǎn)子腔9，代替了一般采用液氦浸泡轉(zhuǎn)子腔9的冷卻方式，減少了裝置需輸入液氦的繁復(fù)性，降低了裝置的體積和重量。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10位于轉(zhuǎn)子腔9內(nèi)，轉(zhuǎn)子腔9上下端布置有懸浮線圈13，通過所述的懸浮線圈13使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10懸浮。驅(qū)動(dòng)線圈14布置在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10內(nèi)孔中心附近位置中，通過驅(qū)動(dòng)線圈14使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)，通過安裝在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10頂部的極軸傳感器15檢測(cè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子懸浮位置。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10在赤道附近位置刻有赤道信號(hào)讀取圖形12，赤道信號(hào)讀取圖形12—般采用機(jī)械刀刻和激光燒蝕等方法加工形成。兩個(gè)赤道傳感器包括赤道傳感器一 16和赤道傳感器二 17正交固定在轉(zhuǎn)子腔上，赤道傳感器一 16和赤道傳感器二 17的光軸在赤道水平面上相互垂直并指向超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10的球心，赤道水平面與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?。如圖2所示，本發(fā)明尋北裝置包括轉(zhuǎn)臺(tái)基座1、水平轉(zhuǎn)臺(tái)2、水平儀3、夾具4、低溫容器5、制冷機(jī)6和方位基準(zhǔn)線7。所述的水平轉(zhuǎn)臺(tái)2安放在轉(zhuǎn)臺(tái)基座1上，低溫容器5固定在水平轉(zhuǎn)臺(tái)2的夾具4上。利用安裝在水平轉(zhuǎn)臺(tái)2臺(tái)面上的水平儀3對(duì)水平轉(zhuǎn)臺(tái)2和低溫容器5進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，使水平轉(zhuǎn)臺(tái)2的旋轉(zhuǎn)軸和低溫容器5的旋轉(zhuǎn)軸與大地水平面保持垂直，水平轉(zhuǎn)臺(tái)2以地垂線為旋轉(zhuǎn)軸360度旋轉(zhuǎn)。水平轉(zhuǎn)臺(tái)2低速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)低溫容器5繞地垂線旋轉(zhuǎn)，可以消除低溫容器5內(nèi)部的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10與轉(zhuǎn)子腔9等殼體有關(guān)的常值漂移， 使測(cè)量精度更高。 如圖3將赤道信號(hào)讀取圖形12展開成平面圖形所示，赤道信號(hào)讀取圖形12由刻在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)子赤道線18附近一周的首尾相連兩個(gè)相同的直角三角形組成，直角三角形的一條長直角邊與轉(zhuǎn)子赤道線18平行，直角三角形的中線與轉(zhuǎn)子赤道線18重合。直角三角形的斜邊與轉(zhuǎn)子赤道線18的夾角為u，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10角度偏轉(zhuǎn)的測(cè)量范圍與角度u成正比。尋北時(shí)間越短，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10相對(duì)轉(zhuǎn)子腔9的偏轉(zhuǎn)角度越小，測(cè)量超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10相對(duì)轉(zhuǎn)子腔9的偏轉(zhuǎn)角度范圍越小，u的取值就越小。赤道傳感器探測(cè)光打在赤道信號(hào)讀取圖形 12上時(shí)赤道傳感器輸出高電平，赤道傳感器探測(cè)光打在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子光滑表面19時(shí)赤道傳感器輸出低電平。如圖4所示，方位基準(zhǔn)線7與赤道傳感器一 16的光軸平行，與真北N方向的夾角為α。當(dāng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10和低溫容器5的旋轉(zhuǎn)軸均平行于地垂線時(shí)，赤道傳感器一 16 和赤道傳感器二 17的光軸均在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10的赤道水平面上，此時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)一周， 赤道傳感器一 16和赤道傳感器二 17分別輸出兩個(gè)脈寬相等的脈沖信號(hào)，脈寬即可換算為超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10所旋轉(zhuǎn)過的一定角度。通過采集單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量，即可計(jì)算得到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)速。懸浮的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10與外界無接觸，其旋轉(zhuǎn)軸在空間方位是恒定不變的，而轉(zhuǎn)子腔9固連在低溫容器5和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)2上，受地球轉(zhuǎn)動(dòng)影響，使得超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10的旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)轉(zhuǎn)子腔9發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，赤道傳感器一 16輸出兩個(gè)脈寬不相等的脈沖信號(hào)，通過兩脈沖信號(hào)脈寬的差值、角度u以及超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)速即可計(jì)算得到ω” 其方向?yàn)檠爻嗟纻鞲衅鞫?17光軸的方向。同理，赤道傳感器二 17輸出兩個(gè)脈寬不相等的脈沖信號(hào)，通過計(jì)算得到ω2，其方向?yàn)檠爻嗟纻鞲衅饕?16光軸的方向。地球自轉(zhuǎn)角速度在當(dāng)?shù)氐乩砭暥葹闃淞⒅玫乃椒至考s￡ cos識(shí)在赤道傳感器一 16和赤道傳感器二 17的光軸方向上的分量，此分量分別為 2 =AiiCospcosc^Pffl1 = 0fficos<3sina，即可通過公式α = Brctan(Q1ZQ2)求解得到方位基準(zhǔn)線7和真北方向N的夾角α的數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)磁懸浮的尋北裝置，所述的尋北裝置包括低溫容器(5)、制冷機(jī)(6)、防輻射屏(11)、轉(zhuǎn)子腔(9)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)子(10)、懸浮線圈(13)、驅(qū)動(dòng)線圈(14)，制冷機(jī)(6)安裝在低溫容器(5)的上端，低溫容器(5)內(nèi)部通過拉桿固定卷筒形狀的防輻射屏(11)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子(10)位于轉(zhuǎn)子腔(9)內(nèi)，轉(zhuǎn)子腔(9)內(nèi)上下端布置懸浮線圈(13)，驅(qū)動(dòng)線圈(14)布置在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子(10)內(nèi)孔中，其特征在于所述的裝置還包括轉(zhuǎn)臺(tái)基座(1)、水平轉(zhuǎn)臺(tái)O)、水平儀 (3)、夾具(4)、方位基準(zhǔn)線(7)、傳熱屏(8)、赤道信號(hào)讀取圖形(1 、極軸傳感器(1 、赤道傳感器一(16)和赤道傳感器二(17)；所述的水平轉(zhuǎn)臺(tái)(2)安放在轉(zhuǎn)臺(tái)基座⑴上，低溫容器(5)固定在水平轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的夾具(4)上；利用安裝在水平轉(zhuǎn)臺(tái)(2)臺(tái)面上的水平儀(3) 對(duì)水平轉(zhuǎn)臺(tái)( 和低溫容器( 進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，使水平轉(zhuǎn)臺(tái)( 的旋轉(zhuǎn)軸和低溫容器(5) 的旋轉(zhuǎn)軸與大地水平面保持垂直，水平轉(zhuǎn)臺(tái)O)以地垂線為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；在防輻射屏(11) 筒內(nèi)布置有傳熱屏(8)，傳熱屏(8)通過螺釘固定在制冷機(jī)(6)的二級(jí)冷頭下端；在傳熱屏 (8)內(nèi)放置轉(zhuǎn)子腔(9)，轉(zhuǎn)子腔(9)的外壁緊貼傳熱屏(8)的內(nèi)壁，利用制冷機(jī)(6) 二級(jí)冷頭的冷量通過傳熱屏(8)直接傳導(dǎo)冷卻轉(zhuǎn)子腔(9)；所述的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子(10)在赤道附近位置刻有信號(hào)讀取圖形(12)，赤道傳感器一(16)和赤道傳感器二(17)正交固定在轉(zhuǎn)子腔(9) 上，赤道傳感器一(16)和赤道傳感器二(17)的光軸在赤道水平面上相互垂直并指向超導(dǎo)轉(zhuǎn)子(10)的球心，赤道水平面與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?；方位基?zhǔn)線刻(7)在水平轉(zhuǎn)臺(tái)(2)上與赤道傳感器一(16)的光軸平行。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種超導(dǎo)磁懸浮的尋北裝置，其特征在于使用所述尋北裝置的尋北方法為通過懸浮線圈(13)和驅(qū)動(dòng)線圈(14)使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子(10)懸浮并高速旋轉(zhuǎn)， 利用超導(dǎo)轉(zhuǎn)子(10)與轉(zhuǎn)子腔(9)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)位置變化，通過赤道傳感器一(16)和赤道傳感器二(17)測(cè)量地球自轉(zhuǎn)角速度ω IE在當(dāng)?shù)氐乩砭暥葹闃淞⒅玫乃椒至考s￡ cos識(shí)在赤道傳感器二(17)和赤道傳感器一(16)的光軸方向上的分量，分別S^zfi^cospsina和 2= /￡C0SpC0Sa，再通過計(jì)算機(jī)計(jì)算得到赤道傳感器一(16)的光軸與真北方向的夾角α = MCtan(COl7^2),即可得到水平轉(zhuǎn)臺(tái)(2)上的方位基準(zhǔn)線(7)與真北方向的夾角α的數(shù)值，上述算式中，Q1通過赤道傳感器一(16)測(cè)量得到，Q1的方向?yàn)檠刂嗟纻鞲衅鞫?(17)的光軸方向，ω2通過赤道傳感器二(17)測(cè)量得到，ω2的方向?yàn)檠刂嗟纻鞲衅饕?(16)的光軸方向。
全文摘要
一種超導(dǎo)磁懸浮的尋北裝置，包括轉(zhuǎn)臺(tái)基座(1)、水平轉(zhuǎn)臺(tái)(2)、水平儀(3)、夾具(4)、低溫容器(5)、制冷機(jī)(6)、方位基準(zhǔn)線(7)、傳熱屏(8)、轉(zhuǎn)子腔(9)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)子(10)、防輻射屏(11)、赤道信號(hào)讀取圖形(12)、懸浮線圈(13)、驅(qū)動(dòng)線圈(14)、極軸傳感器(15)、赤道傳感器一(16)和赤道傳感器二(17)。通過赤道傳感器檢測(cè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子(10)表面的赤道信號(hào)讀取圖形(12)，經(jīng)計(jì)算得到地球自轉(zhuǎn)角速度水平分量在兩個(gè)赤道傳感器光軸方向上的角速度分量ω1和ω2，通過算式α＝arctan(ω1/ω2)計(jì)算得到方位基準(zhǔn)線(7)和真北方向的夾角α的數(shù)值。
文檔編號(hào)G01C17/30GK102494679SQ20111036993
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者劉建華, 崔春艷, 戴銀明, 王暉, 王秋良, 胡新寧 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所