CN107727884A - 有源磁悬浮加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高对准、高稳定、高分辨率的有源磁悬浮加速度计，包括短路匝角度传感器、永磁力矩器、液浮加宝石轴承及有源磁悬浮定中、双端波纹管体积补偿。当惯性加速度作用到浮子上时，摆垂发生偏转，角度传感器敏感偏转角，经力反馈回路产生控制电流，施加到永磁力矩器控制线圈，使摆垂恢复到初始“零位”。控制电流的大小符号对应惯性加速度的大小和方向。上述技术措施的采用提高了加速度计的精度，尤其是加速度计工作在“门”状态下的精度较液浮积分摆式加速度计提高了近一个数量级。本发明所设计的加速度计采用有源磁悬浮技术在国内也是首次应用。采用本技术后，大大提高了加速度计稳定性和动态适应性，适合用于被稳定在惯性空间导航系统应用。

Description

有源磁悬浮加速度计

技术领域

本发明属于加速度计技术领域，尤其是一种高对准、高稳定、高分辨率的有源磁悬浮加速度计，特别适合用于被稳定在惯性空间的惯性导航仪系统。

背景技术

以往惯性导航系统加速度计采用的是液浮积分摆式加速度计。该加速度计主要技术包括：1)动圈角度传感器技术；2)永磁力矩器技术；3)液浮加宝石轴承定中技术；4)单端波纹管体积补偿技术。当惯性加速度作用到浮子上时，摆垂发生偏转，角度传感器敏感偏转角，经力反馈回路产生控制电流，施加到永磁力矩器控制线圈，使摆垂恢复到初始“零位”。控制电流的大小符号对应惯性加速度的大小和方向。

这类加速度计浮子定中技术采用的是液浮加宝石轴承。液浮使浮子处于中性悬浮，宝石轴承支撑浮子上的球小轴，定中并减少摩擦。该结构定中精度主要由球小轴与宝石轴承配合的间隙来决定。当加速度计从一个姿态翻转到另一个姿态，由于输入对准误差角的存在，加速度计稳定时间长，重复精度差。尤其是加速度计工作在“门”状态下，轴向大间隙的存在，更加剧了稳定时间长、重复精度差。对要求被稳定在惯性空间工作的加速度计导航系统是很致命。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种高对准、高稳定、高分辨率的有源磁悬浮加速度计。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种有源磁悬浮加速度计，其特征在于：主要包括传感器、力矩器、浮子部件、左端盖部件、右端盖部件、调整端盖部件、壳体部件、体积补偿装置部件、测温和保温部件、磁悬浮控制模块，所有部件设计尽量作到对称安装，浮子部件形成不平衡质量的摆垂，敏感加速度，传感器转子、力矩器转子安装到浮子部件的两端，支撑浮子部件的球小轴安装到输出枢轴上；

径向磁悬浮动子与传感器转子、力矩器转子同轴同平面安装，轴向磁悬浮动子安装在浮子部件的两端，与径向磁悬浮动子临近安装；左端盖部件安装有传感器定子、传感器导磁环、左径向磁悬浮定子和调整端盖部件，右端盖部件安装有力矩器定子、力矩器导磁环、右径向磁悬浮定子和调整端盖部件，调整端盖部件安装有轴向磁悬浮定子和宝石轴承部件；

壳体部件安装有加热线圈；体积补偿装置安装有波纹管；测温和保温部件安装有热敏线圈和测温线圈位于浮子外围的中部；磁悬浮控制模块包括全部径向和轴向磁悬浮控制线路。

而且，所述的径向磁悬浮定子包括极靴式磁芯、线圈、定位套筒和环氧树脂胶，磁芯为八极结构，分X、Y两轴对称分布。

而且，所述的浮子端部同轴安装有源磁悬浮动子，定子上安装有源磁悬浮定子；有源磁悬浮动子与有源磁悬浮定子同轴间隙配合，有源磁悬浮动子包括径向磁悬浮动子和轴向磁悬浮动子，有源磁悬浮定子包括左径向磁悬浮定子和右径向磁悬浮定子。

而且，在浮子端部同轴安装有球小轴，定子上安装有宝石轴承，球小轴与宝石轴承间隙配合，宝石轴承支撑浮子上的球小轴，定中并减少摩擦。

而且，所述的传感器为短路匝传感器，包括传感器定子、传感器转子和导磁环，传感器定子包括定子磁芯、激磁线圈、输出线圈、定位套筒和环氧树脂胶，磁芯为八极结构，其上激磁线圈串联反接间隔一极绕制，输出线圈同激磁线圈绕制，传感器转子为短路环，材料与浮子浮筒同材。

而且，所述的力矩器为永磁力矩器，永磁力矩器为动圈式，在设计原则上立足于高气隙磁感应强度、低控制电流，力矩器采用大气隙磁感应强度、低剩磁温度系数永磁材料、低通电电流、小阻值线圈。

而且，所述的温度体积补偿装置采用了表体左右两端补偿，即：双端波纹管体积补偿。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的浮子定中采用了AMS技术，在结构设计上径向磁悬浮和轴向磁悬浮分开设计、独立磁路、成对使用，分布于浮子的两端。径向磁悬浮与角度传感器、永磁力矩器同轴同平面安装。线路控制上采用力反馈回路技术，具体实施磁悬浮元件既作为位置敏感器，也作为施力力矩器分时工作。力反馈回路由DSP核心元件统一分时巡检控制。DSP核心元件对输入的数据进行算法处理，控制D/A变换、循环选通电流功放，使浮子恢复到信号中心位置。该控制方法加快了加速度计的稳定时间、提高了输入轴对准重复精度和稳定性精度。在“摆状态”和“门状态”下工作，加速度计精度是一致的。

角度传感器技术改进主要是采用短路匝传感器代替动圈传感器，节省动圈引线所需的2根导电游丝，降低了加速度计的弹性干扰力矩。

永磁力矩器的技术的改进主要是提高输出力矩的稳定性。在设计上尽量采用大气隙磁感应强度、低剩磁温度系数永磁材料、低通电电流、小阻值线圈方案。

体积补偿技术的改进主要是考虑补偿的均匀性，在液浮积分摆式加速度计设计中，体积补偿装置采用的是单端安置，当温度变化时可能会带来对流干扰力矩的增大。在本发明中体积补偿装置采用了双端安置，结构设计尽量对称。

这些技术的应用对加速度计精度的提高起到了决定性的作用。

据了解目前国内液浮积分摆式加速度计中还没有同时采用上述技术。AMS技术在国内也是首次在该类型加速度计中应用。采用上述技术后，该类加速度计分辨率、偏值稳定性、标度因数稳定性提高近一个数量级，动态适应性也得到了提高，特别适合被稳定在惯性空间的惯性导航仪系统。

2、本发明针对现有公知技术存在的缺点，本发明在原技术基础上采用了有源磁悬浮(简称：AMS)技术，提高浮子定中精度，减少静摩擦，降低稳定时间。同时对角度传感器、永磁力矩器和体积补偿技术也进行了改进，进一步提高了加速度计的精度。

附图说明

图1是本发明AMS加速度计结构总图；

图2是本发明径向磁悬浮结构图；

图3是本发明短路匝传感器结构图。

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。

一种有源磁悬浮加速度计，如图1所示，主要包括浮子部件2、左端盖部件3、右端盖部件4、调整端盖部件5、壳体部件6、体积补偿装置部件7、测温和保温部件8、磁悬浮控制模块9，所有部件设计尽量作到对称安装。浮子部件形成不平衡质量的摆垂，敏感加速度。传感器转子、力矩器转子安装到浮子部件的两端，支撑浮子部件的球小轴安装到输出枢轴上。

径向磁悬浮动子24与传感器转子、力矩器转子同轴同平面安装，轴向磁悬浮动子25安装在浮子部件2的两端，与径向磁悬浮动子24临近安装。左端盖部件3安装有传感器定子、传感器导磁环、左径向磁悬浮定子33和调整端盖部件5。右端盖部件4安装有力矩器定子、力矩器导磁环、右径向磁悬浮定子33和调整端盖部件5。调整端盖部件5安装有轴向磁悬浮定子51和宝石轴承部件；在浮子端部同轴安装有球小轴，定子上安装有宝石轴承，球小轴与宝石轴承间隙配合，宝石轴承支撑浮子上的球小轴，定中并减少摩擦。液浮使浮子处于中性悬浮。

浮子端部同轴安装有源磁悬浮动子，定子上安装有源磁悬浮定子；有源磁悬浮动子与有源磁悬浮定子同轴间隙配合，有源磁悬浮动子包括径向磁悬浮动子和轴向磁悬浮动子，有源磁悬浮定子包括左径向磁悬浮定子和右径向磁悬浮定子。

壳体部件6安装有加热线圈。体积补偿装置7安装有波纹管。AMS加速度计是在固定温度下工作的，为达到高的控温精度加了测温和保温部件。测温和保温部件8安装有热敏线圈和测温线圈位于浮子外围的中部。磁悬浮控制模块9包括全部径向和轴向磁悬浮控制线路。

该加速度计整个结构设计，材料热膨胀系数尽量一致，磁性元件工作的磁路分离独立、互不干涉。保证磁性元件定、转子的同轴度和轴向对中安装。尤其是两端宝石轴承座的安装要使输入对准误差角满足设计要求。由于采用了AMS浮子定中控制技术，宝石轴承与球小轴的配合间隙相对原来液浮积分摆式加速度计的径向双边和轴向增大，降低了装配卡死的概率及宝石轴承与球小轴匹配筛选的难度。

图2为径向磁悬浮结构图，包括径向磁悬浮定子33和径向磁悬浮动子24。径向磁悬浮定子33包括极靴式磁芯、线圈、定位套筒和环氧树脂胶，磁芯为八极结构，分X、Y两轴对称分布。在以往的设计中(陀螺仪用)，八极为直极式结构，目的增加线圈匝数，便于加工。但实际使用，刚度低、功耗大，齿槽效应力波动大。在本发明中采用极靴式结构(外形结构尺寸同直极)，刚度提高了近50％，功耗、齿槽效应明显降低，对不平衡浮子的定中是非常有利的。

所述的传感器为短路匝传感器，图3为短路匝传感器结构图，包括传感器定子31、传感器转子22和导磁环32。传感器定子31包括定子磁芯、激磁线圈、输出线圈、定位套筒和环氧树脂胶。磁芯为八极结构，其上激磁线圈串联反接间隔一极绕制。输出线圈同激磁线圈绕制。传感器转子22为短路环，材料与浮子浮筒同材。该传感器最大的优点是转子不需要导电游丝，降低了弹性干扰力矩，转子材料与浮筒同材质，对利于质心的稳定。

所述的力矩器为永磁力矩器，永磁力矩器为动圈式，在设计原则上立足于高气隙磁感应强度、低控制电流，力矩器采用大气隙磁感应强度、低剩磁温度系数永磁材料、低通电电流、小阻值线圈。

所述的温度体积补偿装置采用了表体左右两端补偿，即：双端波纹管体积补偿，目的使补偿后的温度均匀，降低因温度梯度差带来的对流干扰力矩。

上述技术措施的采用提高了加速度计的精度，尤其是加速度计工作在“门”状态下的精度较液浮积分摆式加速度计提高了近一个数量级。通过“摆”状态和“门”状态的测试对比，指标精度是一致的。适合用于被稳定在惯性空间导航系统应用。

Claims (7)

1.一种有源磁悬浮加速度计，其特征在于：主要包括传感器、力矩器、浮子部件、左端盖部件、右端盖部件、调整端盖部件、壳体部件、体积补偿装置部件、测温和保温部件、磁悬浮控制模块，所有部件设计尽量作到对称安装，浮子部件形成不平衡质量的摆垂，敏感加速度，传感器转子、力矩器转子安装到浮子部件的两端，支撑浮子部件的球小轴安装到输出枢轴上；

径向磁悬浮动子与传感器转子、力矩器转子同轴同平面安装，轴向磁悬浮动子安装在浮子部件的两端，与径向磁悬浮动子临近安装；左端盖部件安装有传感器定子、传感器导磁环、左径向磁悬浮定子和调整端盖部件，右端盖部件安装有力矩器定子、力矩器导磁环、右径向磁悬浮定子和调整端盖部件，调整端盖部件安装有轴向磁悬浮定子和宝石轴承部件；

壳体部件安装有加热线圈；体积补偿装置安装有波纹管；测温和保温部件安装有热敏线圈和测温线圈位于浮子外围的中部；磁悬浮控制模块包括全部径向和轴向磁悬浮控制线路。

2.根据权利要求1所述的一种有源磁悬浮加速度计，其特征在于：所述的径向磁悬浮定子包括极靴式磁芯、线圈、定位套筒和环氧树脂胶，磁芯为八极结构，分X、Y两轴对称分布。

3.根据权利要求1所述的一种有源磁悬浮加速度计，其特征在于：所述的浮子端部同轴安装有源磁悬浮动子，定子上安装有源磁悬浮定子；有源磁悬浮动子与有源磁悬浮定子同轴间隙配合，有源磁悬浮动子包括径向磁悬浮动子和轴向磁悬浮动子，有源磁悬浮定子包括左径向磁悬浮定子和右径向磁悬浮定子。

4.根据权利要求1所述的一种有源磁悬浮加速度计，其特征在于：在浮子端部同轴安装有球小轴，定子上安装有宝石轴承，球小轴与宝石轴承间隙配合，宝石轴承支撑浮子上的球小轴，定中并减少摩擦。

5.根据权利要求1所述的一种有源磁悬浮加速度计，其特征在于：所述的传感器为短路匝传感器，包括传感器定子、传感器转子和导磁环，传感器定子包括定子磁芯、激磁线圈、输出线圈、定位套筒和环氧树脂胶，磁芯为八极结构，其上激磁线圈串联反接间隔一极绕制，输出线圈同激磁线圈绕制，传感器转子为短路环，材料与浮子浮筒同材。

6.根据权利要求1所述的一种有源磁悬浮加速度计，其特征在于：所述的力矩器为永磁力矩器，永磁力矩器为动圈式，在设计原则上立足于高气隙磁感应强度、低控制电流，力矩器采用大气隙磁感应强度、低剩磁温度系数永磁材料、低通电电流、小阻值线圈。

7.根据权利要求1所述的一种有源磁悬浮加速度计，其特征在于：所述的温度体积补偿装置采用了表体左右两端补偿，即：双端波纹管体积补偿。