測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器的制造方法
【專利摘要】一種測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，采用電渦流探頭作為敏感元件檢測探頭到飛輪轉(zhuǎn)子側(cè)面的距離隨轉(zhuǎn)子傾側(cè)產(chǎn)生的變化，實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子兩維傾側(cè)角的非接觸式測量，在飛輪轉(zhuǎn)子圓周上均布四組電渦流探頭組，將兩個(gè)相對(duì)電渦流探頭組的輸出信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算，消除其中的共模成分，實(shí)現(xiàn)兩維擺角測量解耦。本發(fā)明使擺角非接觸測量功能與飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速無關(guān)，從而提高飛輪轉(zhuǎn)子傾側(cè)擺角測量頻率。
【專利說明】測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天事業(yè)的發(fā)展，如何降低航天器的成本，同時(shí)又保持其高可靠性和富于競爭力的性能指標(biāo)，這是一項(xiàng)日益增長的需求。姿態(tài)控制系統(tǒng)是航天器中較昂貴的分系統(tǒng)之一，這是由于其硬件成本高、所需要的系統(tǒng)集成和測試費(fèi)用高。因此，在保持姿控分系統(tǒng)精確的指向性能要求的同時(shí)，簡化姿控分系統(tǒng)并降低其成本，這將有助于顯著降低航天器的成本。
[0003]衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)一般基于對(duì)角動(dòng)量的直接控制?？刂频淖罱K目的是使衛(wèi)星或衛(wèi)星的一部分指向地球、其他航天器或其它天體。現(xiàn)有條件下，為實(shí)現(xiàn)高精度，可以采用三個(gè)飛輪，通過改變各個(gè)飛輪的轉(zhuǎn)速，航天器內(nèi)總角動(dòng)量的大小和方向便可得到控制。這些飛輪通常三個(gè)一組以正交方式安裝。重量和成本就成為這種多個(gè)飛輪配置方案的一個(gè)主要缺點(diǎn)。
[0004]針對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的這些不足之處，加拿大研究機(jī)構(gòu)提出了一種新型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——陀螺飛輪。該裝置可為航天器提供偏置角動(dòng)量，并且能夠?qū)λ腥齻€(gè)軸施加控制力矩，因此該裝置同時(shí)起到一個(gè)偏置動(dòng)量飛輪和兩個(gè)零動(dòng)量飛輪的作用，達(dá)到了同樣水準(zhǔn)的指向精度性能，使得姿控系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的部件數(shù)量減少。這對(duì)諸如通信、遙感以及空間科學(xué)等應(yīng)用衛(wèi)星的低成本、輕量化的姿態(tài)控制系統(tǒng)是十分有吸引力的。
[0005]陀螺飛輪是由加拿大Bristol公司研發(fā)的一種新型的航天器姿態(tài)控制裝置。并在加拿大航天局SCISAT小型科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行了飛行驗(yàn)證。非接觸式兩維擺角傳感器是實(shí)現(xiàn)陀螺飛輪三軸控制力矩輸出的核心部件之一。
[0006]Bristol公司設(shè)計(jì)的陀螺飛輪采用光電方式實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子兩維側(cè)擺角度的非接觸式測量。其工作原理是將飛輪轉(zhuǎn)子外表面加工為球面，通過機(jī)械加工或表面涂覆形成三角形幾何特性。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，將一束光發(fā)射到飛輪轉(zhuǎn)子表面，然后接收飛輪表面反射的光信號(hào)。飛輪表面的幾何特征的變化引起反射光強(qiáng)的變化，形成一串脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的寬度取決于飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和傾側(cè)角度。在飛輪轉(zhuǎn)速已知時(shí)可以解算出飛輪轉(zhuǎn)子的傾側(cè)角度。
[0007]現(xiàn)有的這種測量飛輪轉(zhuǎn)子傾側(cè)角度的技術(shù)存在以下幾點(diǎn)問題:
1、測量傾側(cè)角度與飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子加減速對(duì)傾側(cè)角度測量帶來誤差和干擾。
[0008]2、傾側(cè)角度的采樣頻率取決于飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快，數(shù)據(jù)刷新率高；飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速慢，數(shù)據(jù)刷新率低。傾側(cè)角度測量頻率的變化給后續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來困難。
[0009]3、對(duì)數(shù)字控制方法而言，提高采樣頻率可以提高控制精度。但采用現(xiàn)有方法無法根據(jù)控制算法的需要改變傾側(cè)角度的采樣頻率。
[0010]4、現(xiàn)有方法將傾側(cè)角度的測量轉(zhuǎn)換為測量脈沖寬度，對(duì)測量實(shí)時(shí)性造成影響。在脈沖高電平或低電平持續(xù)期間發(fā)生的傾角變化無法測量得到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提供一種測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，使擺角非接觸測量功能與飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速無關(guān)，從而提高飛輪轉(zhuǎn)子傾側(cè)擺角測量頻率。
[0012]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，該非接觸式測量傳感器設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)上，所述的陀螺飛輪整機(jī)包含陀螺飛輪整機(jī)殼體)，設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)殼體內(nèi)的飛輪轉(zhuǎn)子，所述的陀螺飛輪整機(jī)殼體上設(shè)置四個(gè)正交的孔；
所述的非接觸式測量傳感器包含:
四個(gè)探頭座，其分別設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)殼體上的正交孔內(nèi)，四個(gè)探頭座位于同一平面內(nèi)；
四個(gè)電渦流探頭組，其分別對(duì)應(yīng)設(shè)置在探頭座上，所述的每個(gè)電渦流探頭組包含兩個(gè)平行設(shè)置的電渦流探頭，所述的八個(gè)電渦流探頭組成差動(dòng)輸出電橋電路，輸出電橋信號(hào)UX、UY、DX 和 DY ；
振蕩器電路，其設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)殼體上，電路連接所述的差動(dòng)輸出電橋電路，為電渦流探頭提供激勵(lì)信號(hào)；
信號(hào)處理電路，其設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)殼體上，其輸入端連接所述的差動(dòng)輸出電橋電路的輸出端，差動(dòng)輸出電橋電路輸出的信號(hào)通過信號(hào)處理電路進(jìn)行處理后，得到飛輪轉(zhuǎn)子在X軸和Y軸上的傾側(cè)角。
[0013]所述的飛輪轉(zhuǎn)子外側(cè)設(shè)置金屬套筒，增強(qiáng)電渦流探頭的輸出信號(hào)，提高測量信號(hào)的信噪比。
[0014]所述的金屬套筒為鋁合金套筒或者銅合金套筒。
[0015]所述的四個(gè)電渦流探頭組布置在飛輪轉(zhuǎn)子四周形成八個(gè)電渦流探頭分兩層均布的結(jié)構(gòu)。
[0016]所述的差動(dòng)輸出電橋電路包含兩個(gè)差動(dòng)輸出電橋，一個(gè)差動(dòng)輸出電橋的輸出信號(hào)為UX和UY，另一個(gè)差動(dòng)輸出電橋的輸出信號(hào)為DX和DY。
[0017]兩個(gè)對(duì)向設(shè)置的電渦流探頭組上的四個(gè)電渦流探頭組成一個(gè)差動(dòng)輸出電橋。
[0018]所述的信號(hào)處理電路對(duì)差動(dòng)輸出電橋電路輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)、一階濾波、信號(hào)放大、二階濾波后，得到飛輪轉(zhuǎn)子在X軸和Y軸上的傾側(cè)角:
【權(quán)利要求】
1.一種測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，該非接觸式測量傳感器設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)上，所述的陀螺飛輪整機(jī)包含陀螺飛輪整機(jī)殼體(7)，設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)殼體(7)內(nèi)的飛輪轉(zhuǎn)子(4)，其特征在于， 所述的陀螺飛輪整機(jī)殼體(7)上設(shè)置四個(gè)正交的孔(8)； 所述的非接觸式測量傳感器包含: 四個(gè)探頭座(1)，其分別設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)殼體(7)上的正交孔(8)內(nèi)，四個(gè)探頭座位于同一平面內(nèi)； 四個(gè)電渦流探頭組(2)，其分別對(duì)應(yīng)設(shè)置在探頭座(1)上，所述的每個(gè)電渦流探頭組(2)包含兩個(gè)平行設(shè)置的電渦流探頭，所述的八個(gè)電渦流探頭組成差動(dòng)輸出電橋電路，輸出電橋信號(hào)UX、UY、DX和DY ； 振蕩器電路(5)，其設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)殼體(7)上，電路連接所述的差動(dòng)輸出電橋電路，為電渦流探頭提供激勵(lì)信號(hào)； 信號(hào)處理電路(6)，其設(shè)置在陀螺飛輪整機(jī)殼體(7)上，其輸入端連接所述的差動(dòng)輸出電橋電路的輸出端，差動(dòng)輸出電橋電路輸出的信號(hào)通過信號(hào)處理電路進(jìn)行處理后，得到飛輪轉(zhuǎn)子在X軸和Y軸上的傾側(cè)角。
2.如權(quán)利要求1所述的測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，其特征在于，所述的飛輪轉(zhuǎn)子(4)外側(cè)設(shè)置金屬套筒(3)，增強(qiáng)電渦流探頭的輸出信號(hào)，提高測量信號(hào)的信噪比。
3.如權(quán)利要求2所述的測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，其特征在于，所述的金屬套筒(3)為鋁合金套筒或者銅合金套筒。
4.如權(quán)利要求1-3中任意一個(gè)所述的測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，其特征在于，所述的四個(gè)電渦流探頭組(2)布置在飛輪轉(zhuǎn)子(4)四周形成八個(gè)電渦流探頭分兩層均布的結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，其特征在于，所述的差動(dòng)輸出電橋電路包含兩個(gè)差動(dòng)輸出電橋，一個(gè)差動(dòng)輸出電橋的輸出信號(hào)為UX和UY，另一個(gè)差動(dòng)輸出電橋的輸出信號(hào)為DX和DY。
6.如權(quán)利要求5所述的測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，其特征在于，兩個(gè)對(duì)向設(shè)置的電渦流探頭組(2)上的四個(gè)電渦流探頭組成一個(gè)差動(dòng)輸出電橋。
7.如權(quán)利要求6所述的測量陀螺飛輪高速轉(zhuǎn)子兩維擺角的非接觸式測量傳感器，其特征在于，所述的信號(hào)處理電路(6)對(duì)差動(dòng)輸出電橋電路輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)、一階濾波、信號(hào)放大、二階濾波后，得到飛輪轉(zhuǎn)子在X軸和Y軸上的傾側(cè)角:
【文檔編號(hào)】G01C19/28GK103968819SQ201410227601
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】章曉明, 于學(xué)文 申請(qǐng)人:上海新躍儀表廠