CN104154907A - 一种液浮陀螺仪浮子悬浮结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液浮陀螺仪浮子悬浮结构，包括陀螺仪安装壳体和浮子组件，在陀螺仪安装壳体内安装一个电极组件，该电极组件为圆筒状，其上部和下部均设置四个电极，上层的四个电极和下层的四个电极对称设置，在电极组件内同轴设置浮子组件，该浮子组件与电极组件之间具有间隙，浮子组件与壳体之间填充浮液。本发明是一种设计科学、结构合理、尤其适用于高精度陀螺仪的液浮陀螺仪浮子悬浮结构，本结构通过采用静电悬浮支承形式，实现了液浮陀螺仪浮子组件在浮液中真正悬浮，有效消除了浮子组件与轴承之间由于存在机械接触而对陀螺仪性能造成的影响，同时其由于结构简单，而具有极强的实用性。

Description

一种液浮陀螺仪浮子悬浮结构

技术领域

本发明涉及惯性导航系统领域中的陀螺仪，尤其是一种属于单自由度液浮速率积分陀螺仪浮子悬浮结构。

背景技术

液浮陀螺仪的工作原理是通过在内部填充浮液将内部的核心部件浮子组件悬浮起来，使得其机械接触压力最小，达到最大程度降低摩擦力矩的作用，从而可大幅度提高陀螺仪的分辨率及精度。然而，理想悬浮情况并不存在，总是存在或多或少重浮力差。为有效消除这种剩余力，目前在陀螺仪领域通常采用以下技术来消除：

其一，采用宝石轴承形式，采用摩擦系数低的宝石材料做轴承，浮子采用细小的轴来悬挂其中，这样在正压力的作用下可以保证较小的摩擦力矩，这种方式可以将机械静摩擦降低，适用于较低精度陀螺仪使用。

其二，采用压电支承组合宝石轴承的结构形式，该种结构通过支承的颤动将机械接触的静摩擦转化为动摩擦，较大程度降低由于剩余力存在而引起的摩擦力矩，但是，该种结构没有实现真正悬浮，而且振动过程会造成零部件寿命降低。

其三，采用磁悬浮方式，该种结构将浮子完全悬浮起来，实现了浮子组件的无接触悬浮，极大程度提高了陀螺仪的精度。但是其结构复杂，应用难度大，电磁干扰也较大，一定程度影响陀螺仪的输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、干扰力矩小的液浮陀螺仪浮子悬浮结构。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种液浮陀螺仪浮子悬浮结构，包括陀螺仪安装壳体和浮子组件，其特征在于：在陀螺仪安装壳体内安装一个电极组件，该电极组件为圆筒状，其上部和下部均设置四个电极，上层的四个电极和下层的四个电极对称设置，每个电极上焊接一个引线柱，该引线柱与外围控制线路连接，在电极组件内同轴设置浮子组件，该浮子组件与电极组件之间具有间隙，浮子组件与壳体之间填充浮液。

而且，所述的圆筒状的电极组件上层设置的四个电极按逆时针顺序分别为第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，下层设置的四个电极中在第一电极下方的为第五电极，其他按逆时针顺序分别为第六电极、第七电极和第八电极。

而且，所述的每个电极的厚度均为0.2mm，其相互独立，每个电极与浮子之间构成电容组合，与对面电极通过外围控制线路成对构成差动式结构。

而且，所述的电极组件和浮子组件之间的间隙为0.01mm。

本发明的优点和积极效果是：

本发明是一种设计科学、结构合理、尤其适用于高精度陀螺仪的液浮陀螺仪浮子悬浮结构，本结构通过采用静电悬浮支承形式，实现了液浮陀螺仪浮子组件在浮液中真正悬浮，有效消除了浮子组件与轴承之间由于存在机械接触而对陀螺仪性能造成的影响，同时其由于结构简单，而具有极强的实用性。

附图说明

图1是电极展开位置示意图；

图2a是电极组件的工艺结构图；

图2b是图2a的右视图；

图3是成型后电极组件切面图；

图4是静电悬浮系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种液浮陀螺仪浮子悬浮结构，包括陀螺仪安装壳体105和浮子组件106，在陀螺仪安装壳体内侧胶接安装一个电极组件104，该电极组件为圆筒状，其上部和下部均设置四个电极101，上层的四个电极和下层的四个电极对称设置，其具体结构为：电极组件包括一个圆筒状筒体，该筒体的外表面沿圆周方向制出一个径向凹槽108，沿轴向制出四个均布设置的轴向凹槽109，该径向凹槽和轴向凹槽将筒体外表面划分成对称设置的八个电极，上层设置的四个电极按逆时针顺序分别为第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，下层设置的四个电极中在第一电极下方的为第五电极，其他按逆时针顺序分别为第六电极、第七电极和第八电极。每个电极的厚度均为0.2mm，其相互独立，每个电极与浮子之间构成电容组合，与对面电极通过外围控制线路成对构成差动式结构。如图1所示，其中第一电极、第三电极与浮子电容组合对，第二电极、第四电极与浮子电容组合对，第五电机、第七电极与浮子电容组合对，第六电极、第八电极与浮子电容组合对分别构成差动控制回路的测量和执行元件。

每个电极上焊接一个引线柱102，分别从最近边引出，该引线柱与外围控制线路连接。电极组件的外表面灌涂环氧树脂胶层103。在电极组件内同轴设置浮子组件，该浮子组件与电极组件之间具有间隙，该间隙为0.01mm。浮子组件与壳体之间填充浮液107。

本发明的制作工艺为：

电极材料采用易于加工的铅黄铜，先将电极加工成一块筒形毛坯。在外径表面上划分出对称的八块电极101(如图2)，焊上引线柱102，分别从最近边引出。利用胎具在外径表面灌环氧树脂胶103。固化后，将灌封好的电极组件104毛坯外圆机加工到与壳体的配合尺寸。对好要求的角度，使用环氧树脂胶将电极组件104胶接到壳体105上，组合加工电极毛坯内圆面，将电极公共联接部分车掉并到最终要求的尺寸，形成八个悬浮工作时的八个独立电极面。

将浮子组件106装入壳体105中，保证浮子组件106的安装与电极组件104同轴，并且保证浮子组件在静电力定中运动时存在足够间隙。浮子组件106与壳体105间充满浮液107充当电容介质，浮子组件106充当八组电容的公共极板，在浮子上联接引线连接到外围控制线路中组成悬浮系统。浮子组件106外圆尺寸与电极组件内径相差约0.01mm，可以实现悬浮控制力达到浮子组件106每移动微米可产生1g左右的恢复力。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的工作原理为：

当浮子位置变化时产生的电容差，由线路转换成电压作为信号输入，然后通过控制线路对电极施加合适的电压，生成与浮子运动方向相反的静电力加到浮子上，使浮子保持平衡状态。8个电极组成4对差动电路，分别控制浮子的左右两边的X左方向、Y左方向以及X右方向、Y右方向。当浮子偏离中心位置时，电容传感器把浮子偏离中心位置的位移转变为一对电容的差动变化，由控制线路转换成电压，经放大器放大后，与预载电压叠加，施加于电极上，从而调整作用于浮子的静电力，使浮子处于稳定的平衡中心位置。通过浮子组件悬浮结构，实现使浮子保持在轴承中间的位置稳定，其与轴承实现了无机械的接触，可实现液浮陀螺仪精度的较大幅度提高。

按照电容器的计算公式，每个极板的电容值为其中ε为介电常数，S为极板面积；δ为极板之间的实际间隙；δ₀当浮子处于中心的极板间隙。当浮子从中心位置偏移Δδ，浮子与电极形成的电容的变化量为ΔC，电容的变化量与位移变化量之间的关系可推导出为通过静电控制线路，实现电容差ΔC与电压差ΔU的转化△U＝K·△C，K为电容变化量转换为电压变化量的放大倍数。在电极加上电压U后，由于静电感应的作用，浮子对应表面将产生极性相反的电荷，浮子与电极之间就产生静电吸力，其作用与一对平行金属电极板间的静电吸力原理相同，静电吸力计算公式为当两边存在电压差ΔU时有 $\mathrm{\ΔF}=F_1-F_2=\frac{1}{2}\mathrm{\ϵ}\×{\mathrm{\ϵ}}_0\×S\×\frac{{4U}_0}{{{\mathrm{\δ}}_0}^2}\mathrm{\ΔU},$ 将浮子拉回到中间位置。

Claims (4)

1.一种液浮陀螺仪浮子悬浮结构，包括陀螺仪安装壳体和浮子组件，其特征在于：在陀螺仪安装壳体内安装一个电极组件，该电极组件为圆筒状，其上部和下部均设置四个电极，上层的四个电极和下层的四个电极对称设置，每个电极上焊接一个引线柱，该引线柱与外围控制线路连接，在电极组件内同轴设置浮子组件，该浮子组件与电极组件之间具有间隙，浮子组件与壳体之间填充浮液。

2.根据权利要求1所述的一种液浮陀螺仪浮子悬浮结构，其特征在于：所述的圆筒状的电极组件上层设置的四个电极按逆时针顺序分别为第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，下层设置的四个电极中在第一电极下方的为第五电极，其他按逆时针顺序分别为第六电极、第七电极和第八电极。

3.根据权利要求1所述的一种液浮陀螺仪浮子悬浮结构，其特征在于：所述的每个电极的厚度均为0.2mm，其相互独立，每个电极与浮子之间构成电容组合，与对面电极通过外围控制线路成对构成差动式结构。

4.根据权利要求1所述的一种液浮陀螺仪浮子悬浮结构，其特征在于：所述的电极组件和浮子组件之间的间隙为0.01mm。