本發(fā)明具體涉及一種對磁懸浮陀螺定向儀系統(tǒng)產(chǎn)生微力矩進(jìn)行機(jī)理分析的磁懸浮定向儀微力矩檢測方法。

背景技術(shù)：

磁懸浮陀螺全站儀是基于磁懸浮支承技術(shù)的陀螺儀和全站儀集成于一體的具有全天候、全天時(shí)、快速高效獨(dú)立的測定真北方位的精密定向測量儀器，是一種新型的陀螺全站儀。高精度磁懸浮陀螺全站儀在大型隧道、地鐵、礦山等地下工程建設(shè)及軍事保障領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，也在導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)艦船導(dǎo)航、軍用衛(wèi)星與地形跟蹤導(dǎo)航等軍用控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，它的發(fā)展對一個(gè)國家的國防及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的戰(zhàn)略意義?，F(xiàn)在磁懸浮已成為高精度慣性儀表的重要組成部分，液浮慣性儀表采用磁懸浮后，為了獲得儀表的高精度，必須使磁懸浮的微力矩減小到最低容許的程度。在磁懸浮的實(shí)際應(yīng)用中，同時(shí)也引入了繞陀螺儀輸出軸的干擾力矩，即磁懸浮微力矩。隨機(jī)干擾力矩越大，定向儀的精度愈低。在精密支承中，為了完全消除機(jī)械接觸，磁懸浮的有害力矩相比其他支撐方式最小，能減少誤差源，提高分辨率，從而使定向精度得到保障。為了保證慣性儀表的性能，各元件在裝入系統(tǒng)時(shí)，可在測試儀器上對單個(gè)懸浮元件進(jìn)行微力矩的測量，便于對裝配環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種提高微力矩的測量精度，從而提高定向精度的磁懸浮定向儀微力矩檢測方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(1)通電產(chǎn)生微力矩

當(dāng)加電時(shí)，磁懸浮線圈通電產(chǎn)生磁場，對球形銜鐵產(chǎn)生懸浮力，使陀螺房體產(chǎn)生軸向懸浮力，實(shí)現(xiàn)陀螺房體軸向的無接觸懸??；磁懸浮支撐對浮子組件施加作用力時(shí)，陀螺房體頂部球形銜鐵受到豎直向上的吸引力，使陀螺豎直向上運(yùn)動；定子和轉(zhuǎn)子的對稱軸與陀螺浮子的輸出軸存在夾角和偏心，敏感組件的轉(zhuǎn)子偏離中心位置發(fā)生運(yùn)動，造成左右氣隙的磁通發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)繞輸出軸的干擾力矩；當(dāng)干擾力矩產(chǎn)生時(shí)，使輸出軸與殼體之間出現(xiàn)繞輸出軸的相對角位移；

(2)通過光電傳感器進(jìn)行信號檢測

使懸浮球的位置在垂直方向發(fā)生轉(zhuǎn)動角度，平面反射鏡轉(zhuǎn)動后，根據(jù)光學(xué)原理，光電傳感器獲得相關(guān)信號，光電傳感器將角位移信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)按規(guī)律變化的電壓信號；由于將光源通過平面反射鏡反射，經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過外部電路的一級放大環(huán)節(jié)；光源 采用一定頻率的光源，在進(jìn)行交流放大后，經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理后再次進(jìn)行直流放大，再由校正網(wǎng)絡(luò)和功率放大后輸出到力矩器；

(3)力矩器檢測微力矩

當(dāng)功率放大器輸出電流輸出到力矩器后，將輸入的電流轉(zhuǎn)化成力矩，產(chǎn)生一個(gè)再平衡力矩與干擾力矩平衡；在力矩線圈中串聯(lián)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻，測得電阻上的電壓值即可獲得加矩電流，進(jìn)而算出平衡力矩的大小：

M_控制力矩＝K_{力矩系數(shù)}I_定子I_{轉(zhuǎn)子}

(4)測量精度分析

(4.1)測量范圍

由測量公式知：

M＝K*I_定子*I_{轉(zhuǎn)子電流}

＝K*(U_定子電壓/R_{定子采樣電阻})*(U_{轉(zhuǎn)子電壓}/R_{轉(zhuǎn)子采樣電阻})

K值：力矩器放大倍數(shù)，單位：克*厘米/毫安*毫安；標(biāo)稱值70

R_{轉(zhuǎn)子}：力矩器轉(zhuǎn)子采樣電阻，單位：歐姆；范圍：200～20000

R_定子：力矩器定子采樣電阻，單位：歐姆。范圍：10～1000

U_定子電壓：力矩器轉(zhuǎn)子采樣電壓，單位：伏；范圍：±10或±5

U_{轉(zhuǎn)子電壓}：力矩器轉(zhuǎn)子采樣電壓，單位：伏；范圍：±10或±5

可見；最大測量力矩M_MAX＝70*(5/0.2)*(5/0.01)

＝8.75*10⁵gcm＝87.5NM

最小測量力矩M_MIN＝70*[(10/212)*1/20]*[(10/212)*1/1]

＝70*0.0024414*0.05*0.0024414

＝2.086*10^-5gcm＝2.086*10^-9NM

(4.2)測量分辨率

最小測量力矩M_MIN＝2.086*10^-5gcm＝2.086*10^-9NM。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.本發(fā)明采用無接觸、無電磁干擾的光電傳感器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度信號，采用光電池作為傳感器的感光部件，有更高的穩(wěn)定性且不受外界電磁信號的干擾。

2.本發(fā)明采用一定頻率的光源，經(jīng)后續(xù)選頻解調(diào)后，能大幅度的提高信噪比。

3.本發(fā)明夠同時(shí)滿足測量行業(yè)和導(dǎo)航領(lǐng)域的工作要求，大大減輕了測量工作人員的工作量，而且對于導(dǎo)航領(lǐng)域，更有利于提高定向儀的精度，提高定向儀的裝配精度。因?yàn)榇艖腋?的制造工藝通常要求很高，因此合理的制造檢測工裝更能提高裝配質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明專利的磁懸浮陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明專利的測試系統(tǒng)原理框圖；

圖3為本發(fā)明專利的測試系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：理論上磁懸浮系統(tǒng)只由于各向異性及磁浮線圈等將對浮子組件產(chǎn)生干擾力矩。但實(shí)際情況下，磁懸浮作用力不可能完全通過敏感組件的輸出軸，那么在輸出軸上將產(chǎn)生干擾力矩。當(dāng)輸出軸上有干擾力矩作用時(shí)，這個(gè)力矩作用在浮子組件上使它繞輸出軸轉(zhuǎn)動，使之與殼體之間出現(xiàn)繞輸出軸的相對角位移，這時(shí)信號器就有信號輸出，其輸出為與偏轉(zhuǎn)角成比例的調(diào)幅電壓信號，該電壓輸入到殼體外部的信號檢測電路，經(jīng)過信號處理與變換，輸出一與輸入電壓成比例的直流電流至儀表的力矩器，產(chǎn)生與電流成比例的力矩，這一力矩繞輸出軸作用在浮子組件上，使浮子組件繞相反的方向轉(zhuǎn)動，在穩(wěn)態(tài)時(shí)它與浮子力矩相等。此時(shí)，力矩器的控制力矩即為所測的微力矩。

本發(fā)明公開了一種測量磁懸浮定向儀微力矩檢測方法，有利于全面推進(jìn)磁懸浮技術(shù)的快速發(fā)展與成功應(yīng)用。當(dāng)陀螺房體6內(nèi)球形銜鐵2因?yàn)橥娛艿截Q直向上的吸引力，磁懸浮支撐對敏感組件施加作用力時(shí)，干擾力矩會使之與殼體7之間出現(xiàn)繞輸出軸OA1的相對角位移，通過光電傳感器3將信號的轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)和放大電路將電壓轉(zhuǎn)化成相應(yīng)比例的電流輸入力矩器產(chǎn)生力矩，該力矩為為所測量的微力矩。為提高磁懸浮定向儀的裝配精度提供了一種方法。光電傳感器與光源在隨動殼體內(nèi)側(cè)，反光鏡位于陀螺房體外側(cè)。通電后，由于輸出軸受微力矩影響，輸出軸與隨動殼體存在相對角位移。光電傳感器將角信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸送到檢測電路通過校正網(wǎng)絡(luò)去噪并進(jìn)行功率放大后輸出的電流進(jìn)入力矩器；此時(shí)力矩器產(chǎn)生與微力矩等大方向的力矩，此時(shí)光電傳感器收到力矩器敏感組件發(fā)出的信號，此時(shí)輸出軸處于平衡狀態(tài)，與隨動殼體夾角為0°

一種測量磁懸浮定向儀微力矩檢測方法，光電傳感器的選擇和應(yīng)用、選頻校正網(wǎng)絡(luò)、功率放大電路、力矩器。輸出軸與殼體產(chǎn)生相對角位移，光電傳感器將產(chǎn)生的信號傳至力矩器，產(chǎn)生與電流成比例的力矩與干擾力矩相平衡，則該微力矩為所測的干擾力矩。所述的測量磁懸浮定向儀微力矩檢測方法，光電傳感器以光電池作為傳感器的敏感部件，能夠準(zhǔn)確的將懸浮球位移改變信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。光電傳感器發(fā)出的信號含有噪聲，經(jīng)過選頻校正網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波，提高信噪比。微弱的信號可通過一級交流放大電路進(jìn)行放大。所述的測量磁懸 浮定向儀微力矩檢測方法，信號器將號器產(chǎn)生的電流經(jīng)信號調(diào)理模塊處理放大，最后送入力矩器的線圈。所述的測量磁懸浮定向儀微力矩檢測方法，控制力矩器前橋式開關(guān)的選擇，使流入力矩器的電流是幅值恒定，與電流成比例的平衡力矩和干擾力矩大小相等，方向相反，該微力矩為所測得力矩。測量磁懸浮定向儀微力矩檢測方法，對所測微力矩進(jìn)行測量精度分析。

定向儀采取磁懸浮支撐的方式，陀螺馬達(dá)安裝在陀螺房體6內(nèi)，陀螺房體6上下兩端有無接觸式的旋轉(zhuǎn)軸(在旋轉(zhuǎn)軸的上軸端安裝磁懸浮電磁鐵端，在旋轉(zhuǎn)軸的下軸端安裝力矩器端)實(shí)現(xiàn)對陀螺房體軸向的無接觸懸浮。微力矩測試儀主要由工控機(jī)(內(nèi)含三塊板卡)及相關(guān)軟件組成。

1.通電產(chǎn)生微力矩

當(dāng)加電時(shí)，磁懸浮線圈通電產(chǎn)生磁場，對球形銜鐵產(chǎn)生懸浮力，使陀螺房體產(chǎn)生軸向懸浮力，實(shí)現(xiàn)陀螺房體軸向的無接觸懸浮。磁懸浮支撐對浮子組件施加作用力時(shí)，陀螺房體6頂部球形銜鐵2受到豎直向上的吸引力，使陀螺豎直向上運(yùn)動；但在實(shí)際情況下，軸向磁懸浮在實(shí)際工作情況時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子的對稱軸與陀螺浮子的輸出軸OA1不可能完全重合，存在一定的夾角和偏心，敏感組件的轉(zhuǎn)子會偏離中心位置發(fā)生運(yùn)動，造成左右氣隙的磁通發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)繞輸出軸OA1的干擾力矩。當(dāng)干擾力矩產(chǎn)生時(shí)，使輸出軸OA1與殼體之間出現(xiàn)繞輸出軸的相對角位移。

2.通過光電傳感器進(jìn)行信號檢測

由于輸出軸OA1與隨動殼體7之間出現(xiàn)繞輸出軸的相對角位移，使懸浮球的位置在垂直方向發(fā)生轉(zhuǎn)動角度，平面反射鏡5轉(zhuǎn)動后，根據(jù)光學(xué)原理，光電傳感器3獲得相關(guān)信號，光電傳感器3將角位移信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)按一定規(guī)律變化的電壓信號。由于將光源4通過平面反射鏡5反射，經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，該電能的轉(zhuǎn)換率不高，產(chǎn)生的信號比較微弱，需經(jīng)過外部電路的一級放大環(huán)節(jié)。由于外界光對感光器件的干擾不可能絕對避免，另外電路接線、電子元器件的穩(wěn)定性等都給信號帶來一定的噪聲，所以光源采用一定頻率的光源，在進(jìn)行交流放大后，經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理后再次進(jìn)行直流放大，再由校正網(wǎng)絡(luò)和功率放大后輸出到力矩器8。

3.力矩器檢測微力矩

當(dāng)功率放大器輸出電流輸出到力矩器8后，根據(jù)力矩器的工作原理，將輸入的電流轉(zhuǎn)化成力矩，產(chǎn)生一個(gè)再平衡力矩與干擾力矩平衡。在力矩線圈中串聯(lián)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻(己知確切的電阻值)，測得電阻上的電壓值即可獲得加矩電流。進(jìn)而算出平衡力矩的大小，即微力矩的大小。

M_控制力矩＝K_{力矩系數(shù)}I_定子I_{轉(zhuǎn)子}

4.測量精度分析

(1)測量范圍

由測量公式知：

M＝K*I_定子*I_{轉(zhuǎn)子電流}

＝K*(U_定子電壓/R_{定子采樣電阻})*(U_{轉(zhuǎn)子電壓}/R_{轉(zhuǎn)子采樣電阻})

K值：力矩器放大倍數(shù)，單位：克*厘米/毫安*毫安；標(biāo)稱值70

R_{轉(zhuǎn)子}：力矩器轉(zhuǎn)子采樣電阻，單位：歐姆；范圍：200～20000

R_定子：力矩器定子采樣電阻，單位：歐姆。范圍：10～1000

U_定子電壓：力矩器轉(zhuǎn)子采樣電壓，單位：伏；范圍：±10或±5

U_{轉(zhuǎn)子電壓}：力矩器轉(zhuǎn)子采樣電壓，單位：伏；范圍：±10或±5

可見；最大測量力矩M_MAX＝70*(5/0.2)*(5/0.01)

＝8.75*10⁵gcm＝87.5NM

最小測量力矩M_MIN＝70*[(10/212)*1/20]*[(10/212)*1/1]

＝70*0.0024414*0.05*0.0024414

＝2.086*10^-5gcm＝2.086*10^-9NM

(2)測量分辨率

最小測量力矩M_MIN＝2.086*10^-5gcm＝2.086*10^-9NM 。