CN106197478A - 一种磁悬浮定向仪微力矩检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种对磁悬浮陀螺定向仪系统产生微力矩进行机理分析的磁悬浮定向仪微力矩检测方法。本发明包括：通电产生微力矩；通过光电传感器进行信号检测；力矩器检测微力矩；测量精度分析。本发明采用无接触、无电磁干扰的光电传感器感应旋转角度信号，采用光电池作为传感器的感光部件，有更高的稳定性且不受外界电磁信号的干扰。

Description

一种磁悬浮定向仪微力矩检测方法

技术领域

本发明具体涉及一种对磁悬浮陀螺定向仪系统产生微力矩进行机理分析的磁悬浮定向仪微力矩检测方法。

背景技术

磁悬浮陀螺全站仪是基于磁悬浮支承技术的陀螺仪和全站仪集成于一体的具有全天候、全天时、快速高效独立的测定真北方位的精密定向测量仪器，是一种新型的陀螺全站仪。高精度磁悬浮陀螺全站仪在大型隧道、地铁、矿山等地下工程建设及军事保障领域发挥着不可或缺的作用，也在导弹制导、飞机舰船导航、军用卫星与地形跟踪导航等军用控制系统中广泛应用，它的发展对一个国家的国防及国民经济建设具有十分重要的战略意义。现在磁悬浮已成为高精度惯性仪表的重要组成部分，液浮惯性仪表采用磁悬浮后，为了获得仪表的高精度，必须使磁悬浮的微力矩减小到最低容许的程度。在磁悬浮的实际应用中，同时也引入了绕陀螺仪输出轴的干扰力矩，即磁悬浮微力矩。随机干扰力矩越大，定向仪的精度愈低。在精密支承中，为了完全消除机械接触，磁悬浮的有害力矩相比其他支撑方式最小，能减少误差源，提高分辨率，从而使定向精度得到保障。为了保证惯性仪表的性能，各元件在装入系统时，可在测试仪器上对单个悬浮元件进行微力矩的测量，便于对装配环节的质量控制。

发明内容

本发明提供了一种提高微力矩的测量精度，从而提高定向精度的磁悬浮定向仪微力矩检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)通电产生微力矩

当加电时，磁悬浮线圈通电产生磁场，对球形衔铁产生悬浮力，使陀螺房体产生轴向悬浮力，实现陀螺房体轴向的无接触悬浮；磁悬浮支撑对浮子组件施加作用力时，陀螺房体顶部球形衔铁受到竖直向上的吸引力，使陀螺竖直向上运动；定子和转子的对称轴与陀螺浮子的输出轴存在夹角和偏心，敏感组件的转子偏离中心位置发生运动，造成左右气隙的磁通发生变化，进而产生一个绕输出轴的干扰力矩；当干扰力矩产生时，使输出轴与壳体之间出现绕输出轴的相对角位移；

(2)通过光电传感器进行信号检测

使悬浮球的位置在垂直方向发生转动角度，平面反射镜转动后，根据光学原理，光电传感器获得相关信号，光电传感器将角位移信号转换为一个按规律变化的电压信号；由于将光源通过平面反射镜反射，经光电传感器转换为电信号，经过外部电路的一级放大环节；光源 采用一定频率的光源，在进行交流放大后，经选频网络进行处理后再次进行直流放大，再由校正网络和功率放大后输出到力矩器；

(3)力矩器检测微力矩

当功率放大器输出电流输出到力矩器后，将输入的电流转化成力矩，产生一个再平衡力矩与干扰力矩平衡；在力矩线圈中串联一个标准电阻，测得电阻上的电压值即可获得加矩电流，进而算出平衡力矩的大小：

M_控制力矩＝K_力矩系数I_定子I_转子

(4)测量精度分析

(4.1)测量范围

由测量公式知：

M＝K*I_定子*I_转子电流

＝K*(U_定子电压/R_{定子采样电阻})*(U_转子电压/R_{转子采样电阻})

K值：力矩器放大倍数，单位：克*厘米/毫安*毫安；标称值70

R_转子：力矩器转子采样电阻，单位：欧姆；范围：200～20000

R_定子：力矩器定子采样电阻，单位：欧姆。范围：10～1000

U_定子电压：力矩器转子采样电压，单位：伏；范围：±10或±5

U_转子电压：力矩器转子采样电压，单位：伏；范围：±10或±5

可见；最大测量力矩M_MAX＝70*(5/0.2)*(5/0.01)

＝8.75*10⁵gcm＝87.5NM

最小测量力矩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)测量分辨率

最小测量力矩M_MIN＝2.086*10^-5gcm＝2.086*10^-9NM。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用无接触、无电磁干扰的光电传感器感应旋转角度信号，采用光电池作为传感器的感光部件，有更高的稳定性且不受外界电磁信号的干扰。

2.本发明采用一定频率的光源，经后续选频解调后，能大幅度的提高信噪比。

3.本发明够同时满足测量行业和导航领域的工作要求，大大减轻了测量工作人员的工作量，而且对于导航领域，更有利于提高定向仪的精度，提高定向仪的装配精度。因为磁悬浮 的制造工艺通常要求很高，因此合理的制造检测工装更能提高装配质量。

附图说明

图1为本发明专利的磁悬浮陀螺仪的结构示意图；

图2为本发明专利的测试系统原理框图；

图3为本发明专利的测试系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明所采用的技术方案是：理论上磁悬浮系统只由于各向异性及磁浮线圈等将对浮子组件产生干扰力矩。但实际情况下，磁悬浮作用力不可能完全通过敏感组件的输出轴，那么在输出轴上将产生干扰力矩。当输出轴上有干扰力矩作用时，这个力矩作用在浮子组件上使它绕输出轴转动，使之与壳体之间出现绕输出轴的相对角位移，这时信号器就有信号输出，其输出为与偏转角成比例的调幅电压信号，该电压输入到壳体外部的信号检测电路，经过信号处理与变换，输出一与输入电压成比例的直流电流至仪表的力矩器，产生与电流成比例的力矩，这一力矩绕输出轴作用在浮子组件上，使浮子组件绕相反的方向转动，在稳态时它与浮子力矩相等。此时，力矩器的控制力矩即为所测的微力矩。

本发明公开了一种测量磁悬浮定向仪微力矩检测方法，有利于全面推进磁悬浮技术的快速发展与成功应用。当陀螺房体6内球形衔铁2因为通电受到竖直向上的吸引力，磁悬浮支撑对敏感组件施加作用力时，干扰力矩会使之与壳体7之间出现绕输出轴OA1的相对角位移，通过光电传感器3将信号的转换成电压信号，经过校正网络和放大电路将电压转化成相应比例的电流输入力矩器产生力矩，该力矩为为所测量的微力矩。为提高磁悬浮定向仪的装配精度提供了一种方法。光电传感器与光源在随动壳体内侧，反光镜位于陀螺房体外侧。通电后，由于输出轴受微力矩影响，输出轴与随动壳体存在相对角位移。光电传感器将角信号转换为电压信号输送到检测电路通过校正网络去噪并进行功率放大后输出的电流进入力矩器；此时力矩器产生与微力矩等大方向的力矩，此时光电传感器收到力矩器敏感组件发出的信号，此时输出轴处于平衡状态，与随动壳体夹角为0°

一种测量磁悬浮定向仪微力矩检测方法，光电传感器的选择和应用、选频校正网络、功率放大电路、力矩器。输出轴与壳体产生相对角位移，光电传感器将产生的信号传至力矩器，产生与电流成比例的力矩与干扰力矩相平衡，则该微力矩为所测的干扰力矩。所述的测量磁悬浮定向仪微力矩检测方法，光电传感器以光电池作为传感器的敏感部件，能够准确的将悬浮球位移改变信号转换成电压信号输出。光电传感器发出的信号含有噪声，经过选频校正网络进行滤波，提高信噪比。微弱的信号可通过一级交流放大电路进行放大。所述的测量磁悬 浮定向仪微力矩检测方法，信号器将号器产生的电流经信号调理模块处理放大，最后送入力矩器的线圈。所述的测量磁悬浮定向仪微力矩检测方法，控制力矩器前桥式开关的选择，使流入力矩器的电流是幅值恒定，与电流成比例的平衡力矩和干扰力矩大小相等，方向相反，该微力矩为所测得力矩。测量磁悬浮定向仪微力矩检测方法，对所测微力矩进行测量精度分析。

定向仪采取磁悬浮支撑的方式，陀螺马达安装在陀螺房体6内，陀螺房体6上下两端有无接触式的旋转轴(在旋转轴的上轴端安装磁悬浮电磁铁端，在旋转轴的下轴端安装力矩器端)实现对陀螺房体轴向的无接触悬浮。微力矩测试仪主要由工控机(内含三块板卡)及相关软件组成。

1.通电产生微力矩

当加电时，磁悬浮线圈通电产生磁场，对球形衔铁产生悬浮力，使陀螺房体产生轴向悬浮力，实现陀螺房体轴向的无接触悬浮。磁悬浮支撑对浮子组件施加作用力时，陀螺房体6顶部球形衔铁2受到竖直向上的吸引力，使陀螺竖直向上运动；但在实际情况下，轴向磁悬浮在实际工作情况时，定子和转子的对称轴与陀螺浮子的输出轴OA1不可能完全重合，存在一定的夹角和偏心，敏感组件的转子会偏离中心位置发生运动，造成左右气隙的磁通发生变化，进而产生一个绕输出轴OA1的干扰力矩。当干扰力矩产生时，使输出轴OA1与壳体之间出现绕输出轴的相对角位移。

2.通过光电传感器进行信号检测

由于输出轴OA1与随动壳体7之间出现绕输出轴的相对角位移，使悬浮球的位置在垂直方向发生转动角度，平面反射镜5转动后，根据光学原理，光电传感器3获得相关信号，光电传感器3将角位移信号转换为一个按一定规律变化的电压信号。由于将光源4通过平面反射镜5反射，经光电传感器转换为电信号，该电能的转换率不高，产生的信号比较微弱，需经过外部电路的一级放大环节。由于外界光对感光器件的干扰不可能绝对避免，另外电路接线、电子元器件的稳定性等都给信号带来一定的噪声，所以光源采用一定频率的光源，在进行交流放大后，经选频网络进行处理后再次进行直流放大，再由校正网络和功率放大后输出到力矩器8。

3.力矩器检测微力矩

当功率放大器输出电流输出到力矩器8后，根据力矩器的工作原理，将输入的电流转化成力矩，产生一个再平衡力矩与干扰力矩平衡。在力矩线圈中串联一个标准电阻(己知确切的电阻值)，测得电阻上的电压值即可获得加矩电流。进而算出平衡力矩的大小，即微力矩的大小。

M_控制力矩＝K_力矩系数I_定子I_转子

4.测量精度分析

(1)测量范围

由测量公式知：

M＝K*I_定子*I_转子电流

＝K*(U_定子电压/R_{定子采样电阻})*(U_转子电压/R_{转子采样电阻})

K值：力矩器放大倍数，单位：克*厘米/毫安*毫安；标称值70

R_转子：力矩器转子采样电阻，单位：欧姆；范围：200～20000

R_定子：力矩器定子采样电阻，单位：欧姆。范围：10～1000

U_定子电压：力矩器转子采样电压，单位：伏；范围：±10或±5

U_转子电压：力矩器转子采样电压，单位：伏；范围：±10或±5

可见；最大测量力矩M_MAX＝70*(5/0.2)*(5/0.01)

＝8.75*10⁵gcm＝87.5NM

最小测量力矩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)测量分辨率

最小测量力矩M_MIN＝2.086*10^-5gcm＝2.086*10^-9NM 。

Claims (1)

1.一种磁悬浮定向仪微力矩检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通电产生微力矩

当加电时，磁悬浮线圈通电产生磁场，对球形衔铁产生悬浮力，使陀螺房体产生轴向悬浮力，实现陀螺房体轴向的无接触悬浮；磁悬浮支撑对浮子组件施加作用力时，陀螺房体顶部球形衔铁受到竖直向上的吸引力，使陀螺竖直向上运动；定子和转子的对称轴与陀螺浮子的输出轴存在夹角和偏心，敏感组件的转子偏离中心位置发生运动，造成左右气隙的磁通发生变化，进而产生一个绕输出轴的干扰力矩；当干扰力矩产生时，使输出轴与壳体之间出现绕输出轴的相对角位移；

(2)通过光电传感器进行信号检测

使悬浮球的位置在垂直方向发生转动角度，平面反射镜转动后，根据光学原理，光电传感器获得相关信号，光电传感器将角位移信号转换为一个按规律变化的电压信号；由于将光源通过平面反射镜反射，经光电传感器转换为电信号，经过外部电路的一级放大环节；光源采用一定频率的光源，在进行交流放大后，经选频网络进行处理后再次进行直流放大，再由校正网络和功率放大后输出到力矩器；

(3)力矩器检测微力矩

当功率放大器输出电流输出到力矩器后，将输入的电流转化成力矩，产生一个再平衡力矩与干扰力矩平衡；在力矩线圈中串联一个标准电阻，测得电阻上的电压值即可获得加矩电流，进而算出平衡力矩的大小：

M_控制力矩＝K_力矩系数I_定子I_转子；

(4)测量精度分析

(4.1)测量范围

由测量公式知：

M＝K*I_定子*I_转子电流

＝K*(U_定子电压/R_{定子采样电阻})*(U_转子电压/R_{转子采样电阻})

K值：力矩器放大倍数，单位：克*厘米/毫安*毫安；标称值70

R_转子：力矩器转子采样电阻，单位：欧姆；范围：200～20000

R_定子：力矩器定子采样电阻，单位：欧姆。范围：10～1000

U_定子电压：力矩器转子采样电压，单位：伏；范围：±10或±5

U_转子电压：力矩器转子采样电压，单位：伏；范围：±10或±5

可见；最大测量力矩M_MAX＝70*(5/0.2)*(5/0.01)

＝8.75*10⁵gcm＝87.5NM

最小测量力矩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)测量分辨率

最小测量力矩M_MIN＝2.086*10^-5gcm＝2.086*10^-9NM。