CN1062353C - 带式悬挂单自由度快速定北陀螺罗盘装置 - Google Patents

Abstract

一种带式悬挂单自由度快速定北陀螺罗盘装置，属陆地固定使用的陀螺罗盘技术领域。本发明是在对现广泛使用的带式悬挂两自由度陀螺罗盘的结构基础上改进设计的，其特征为：在陀螺灵敏部的上、下端与陀螺仪外框架间分别加设永磁磁悬浮轴承。从而使两自由度陀螺罗盘成为单自由度陀螺罗盘，陀螺灵敏部的摆动周期缩短数十倍，可提高测量速度数倍，可增加测量次数提高测量精度，可缩短测量工作时间延长仪器使用寿命和降低能耗。

Description

一种带式悬挂单自由度定北陀螺罗盘装置

一种带式悬挂单自由度快速定北陀螺罗盘装置，属于应用地球旋转和陀螺效应相互作用的非磁装置的测定真北的陆地固定使用的旋转式陀螺盘技术领域。

目前使用的利用地球旋转和陀螺效应相互作用指示北向的陀螺罗盘有两种类型：一种是可在相对地球运动的或静止的载体上普遍使用的、内外环均用轴承支撑或液体悬浮、转子轴通过阻尼的作用直接指示子午线的两自由度(系指陀螺转子轴具有两个转动自由度)陀螺罗盘；第二种是只能固定在地球上使用、陀螺房用悬挂带悬挂、在陀螺转子轴的摆动中测量不同时刻的位置、通过计算确定子午线方位的两自由度陀螺罗盘，与经纬仪组合在一起称为陀螺经纬仪，是目前陆地工程测量领域使用最广泛、精度最高的一种定北测绘仪器。

上述第二种陀螺罗盘中现广泛使用的带式悬挂的两自由度陀螺罗盘的基本结构见图1：带式悬挂两自由度摆式陀螺罗盘的结构示意图，它包括：由陀螺转子10、陀螺房壳9、悬挂柱6、下夹头5、导流丝4、悬挂带3、底盘13为主构成的陀螺灵敏部；由悬挂架7、支架8、底座16为主构成的陀螺仪的外框架；由锁紧限幅环11、限幅销钉12、托盘17、凸轮19、滑轴25、滑轴座22、弹簧23、弹簧上座26、弹簧下座24、限位销轴27、钢球座15、钢球18、防磁罩14、软垫28为主构成的锁紧限幅机构；由上夹头体1、上夹头套2、压板32为主构成的上夹头以及由目镜及分划板29、照明灯及棱镜31、反光镜30构成的陀螺仪光学系统；连接花盘20、连接罗套21把陀螺仪外框架与经纬仪并经纬仪三角架与地球表面连接并固定。陀螺灵敏部由悬挂带3经上夹头夹紧并悬挂在悬挂架7的上端，也即悬挂在外框架上。锁紧限幅机构用以在非工作状态时托起、锁紧陀螺仪灵敏部并在启动时限制其摆动幅度；由导流丝4向陀螺转子马达供电；光学系统用于观察灵敏部的摆动状况并读数。

两自由度陀螺罗盘是靠地球旋转和陀螺效应相互作用产生的陀螺力矩绕水平转子赤道轴的分量使陀螺转子转动从而使重心偏离铅垂线产生重力矩，重力矩使陀螺转子产生进动使转子轴向子午线趋进，绕子午线做椭圆周期摆动，从而达到确定子午线方位的目的。为确保使陀螺仪精确指北，必须由制造保证，当陀螺马达静止并使陀螺仪灵敏部处于自由悬挂状况时，悬挂带中心线延长线应为铅垂线且过陀螺仪灵敏部重心，而且，悬挂带中心线与转子轴垂直相交即垂直于连接花盘20与经纬仪相结合的平面。上述带式悬挂的两自由度陀螺罗盘的周期公式如下： $T_1=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{H}{{\mathrm{\ω}}_e\mathrm{Pa}\cos \mathrm{\φ}}}$

其中H为陀螺转子自转角动量，ω_e为地球自转角速度，P为陀螺罗盘灵敏部心的距离，φ为重量，a为悬挂点到陀螺灵敏部重测量点地理纬度。

现国内外广泛使用的一种带式悬挂两自由度陀螺罗盘的灵敏部的摆动周期计算值与实测值均为八分多钟。

由于带式悬挂的两自由度陀螺罗盘定向工作时其灵敏部摆动周期较长，使定向时间较长；为提高定向速度，有的采用只测取陀螺灵敏部转子轴椭圆运动周期中的1/4或1/8周期后计算出真北向，但会相应降低测量精度；由于测量时间长，陀螺灵敏部温升高，这也会降低测量精度及仪器使用寿命。

缩短定向时间、提高定向精度是带式悬挂陀螺罗盘技术领域长久以来迫切需要解决的重要技术难题。目前国内外普遍采用的技术路线是改进测量方法，使用现代化自动测试与数据处理的手段；而本发明从陀螺仪的结构和工作原理加以改进，直接采用缩短灵敏部周期的方法达到缩短定向时间和提高定向精度的目的。

本发明的目的在于提供一种测量工作时陀螺灵敏部的摆动周期短的用以快速定北的带式悬挂的单自由度陀螺罗盘装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明是以图1所示带式悬挂两自由度陀螺罗盘的结构为基础进行改进设计的，它包括了带式悬挂两自由度陀螺罗盘的陀螺灵敏部、外框架、托起锁紧系统、光学读数系统、供电及控制系统等各组成部分，其特征在于：在陀螺灵敏部的上、下端与陀螺仪外框架间分别加设磁悬浮轴承。

并且所述的磁悬浮轴承为永磁磁悬浮轴承。上述的外框架上悬挂夹头中心可用螺钉调整后固定。

经上述设计本发明在现广泛使用的带式悬挂的两自由度陀螺罗盘的基础上，只需在陀螺灵敏部的上、下恻与陀螺罗盘外框架间分别加设永磁磁悬浮轴承约束，使其成为单自由度陀螺罗盘，就能使陀螺罗盘定向工作时陀螺灵敏部摆动周期缩短数十倍，从而使测量速度提高数倍；且可适当增加测量的摆动次数从而提高测量精度；测量时仪器工作时间缩短，也可延长仪器使用寿命和降低能耗。

附图说明：

图1：现有带式悬挂两自由度陀螺罗盘的结构示意图；

图2：本发明带式悬挂单自由度陀螺罗盘的结构原理示意图

37、螺钉；38、隔套；40、底盖。

本发明是实施方案如下，参见图2给出的本发明带式悬挂单自由度陀螺罗盘的结构原理示意图，它在以陀螺转子10、陀螺房壳9、底盘13、悬挂柱6、下夹头5、导流丝4、悬挂带3为主构成的陀螺仪灵敏部上、下端与底座16和悬挂架7、支架8之间分别加设一个其轴线与悬挂带中心线同轴且铅垂于连接花盘20与经纬仪结合的平面、且和陀螺仪转子轴垂直相交并通过该灵敏部重心以便使该灵敏部只能绕铅垂线转动的无机械摩擦的磁悬浮轴承。所述的灵敏部上端的磁悬浮轴承是由紧套在悬挂柱6上的永磁体材料的上轴套34以及套嵌在悬挂架7或支架8内的永磁体材料的上轴瓦35构成；所述的灵敏部下端的磁悬浮轴承由与底盘13相套嵌并同轴且铅垂的支承轴36、紧套于其上的永磁体材料的下轴套41以及套嵌在和底座16相连的下轴瓦座39上的永磁体材料的下轴瓦42构成。悬挂带上夹头中心线在水平方向的位置可以是固定的，也可以用螺钉33调整上夹头套2的中心位置而调整上悬挂带夹头的中心位置。利用永磁材料的轴套与轴瓦两磁体间相斥的磁场力将陀螺灵敏部悬浮起来，约束陀螺灵敏部只能绕其铅垂轴线摆动，从而成为单自由度陀螺罗盘。

由于在铅垂线上加轴承约束成为单自由度陀螺罗盘后，陀螺效应和地球自转的相互作用产生的使陀螺转子轴向子午线趋进的陀螺力矩很小，因此，所加轴承必须没有摩擦阻力或摩擦阻力很小，这一运动才能实现。当前，可实现无机械接触的摩檫阻力小的轴承装置有气动、液压、静电、电磁、永磁等多种方案，但唯有永磁轴承体积小、结构简单、无须其他附加装置等优点而适用于野外、地下流动测量作业的陀螺罗盘装置。通过采用无机械摩擦阻力的永磁磁悬浮轴承，使这一装置的实现成为可能；此外还必须保证上、下轴承公共轴线为与悬挂带中心线同轴且与灵敏部转子轴轴线垂直相交的铅垂线，以避免或减少产生附加的阻力矩。可采取的技术措施有：方案1，由设计、加工保证外框架上、下轴承座孔轴线的公共轴线同轴度、与上悬挂夹头中心的同轴度、及对连接花盘20与经纬仪安装结合面的垂直度、并最终保证上、下轴承公共轴线为与悬挂带中心线同轴且与灵敏部转子轴轴线垂直相交的铅垂线；方案2，或上悬挂夹头中心可用螺钉调整后固定；方案3，永磁轴承轴瓦可相对外框架轴承座孔浮动调整后用常规的螺钉、压板或；螺套压紧固定；或以上几个方案的组合。

本发明带式悬挂的单自由度陀螺罗盘测量工作时陀螺灵敏部摆动周期公式为： $T_2=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{A}{H{\mathrm{\ω}}_e\cos \mathrm{\φ}}}$

其中，A为陀螺罗盘转子绕铅垂轴的转动惯量，其他符号定义同T₁。

用上叙计算T₁的带式悬挂两自由度陀螺罗盘加装永磁轴承而得到的本发明带式悬挂的单自由度陀螺罗盘的灵敏部的摆动周期其理论值仅为二十多秒。由此可见，本发明显著缩短了陀螺罗盘灵敏部的工作摆动周期，达到了本发明前述效果。

Claims (3)

1、一种带式悬挂单自由度快速定北陀螺罗盘装置，包括陀螺罗盘的陀螺灵敏部、外框架、托起锁紧系统、光学读数系统、供电及控制系统等各组成部分，其特征在于：在陀螺灵敏部的上、下端与陀螺仪外框架间分别加设磁悬浮轴承。

2、根据权利要求1所述的带式悬挂单自由度快速定北陀螺罗盘装置，其特征在于：所说的磁悬浮轴承为永磁磁悬浮轴承。

3、根据权利要求1或2所述的带式悬挂单自由度快速定北陀螺罗盘装置，其特征在于：外框架上悬挂夹头中心可用螺钉调整后固定。

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