CN114543775A - 一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件及其补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低标度因数温度系数的高精度液浮陀螺加速度计浮子组件及其温度系数补偿方法，浮子组件包括马达支架，马达定子组件，马达转子组件，浮筒和偏心配重，马达支架包括支架主体，第一支架台和第二支架台；马达定子组件和马达转子组件安装于支架主体内部；第一支架台和第二支架台分别连接于支架主体两侧，偏心配重设于第一支架台或第二支架台的台面上；浮筒设于支架主体外部，形成密封腔体，本发明沿与摆性相反的方向在马达支架上进行体积去量，即在第一支架台和第二支架台的台面分别设置缺口，实现了高精度液浮陀螺加速度计标度因数温度系数的降低，提高了仪表标度因数的温度稳定性，有利于仪表在宽温域内保持较高精度水平。

Description

一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件及其补偿方法
技术领域
本发明属于降低温度系数技术领域，特别涉及一种低标度因数温度系数的高精度液浮陀螺加速度计浮子组件及其温度系数补偿方法。
背景技术
高精度液浮陀螺加速度计浮子周围充满高比重浮油，仪表工作时浮子处于全液浮状态，浮子自身重力被浮油提供的浮力所平衡，因而悬浮在油液中；浮油还用于提供液体阻尼，既可以减小仪表的动态误差，又可以提高仪表的抗振和抗冲击能力。为了保证浮子处于全液浮状态，加速度计需要工作在一定的温度下。根据仪表的工作原理可知，标度因数K1由摆性和马达角动量所决定，是仪表的核心指标。摆性是摆式陀螺加速度计的一项固有设计指标，其值为浮子质量m与质心到几何中心距离l的乘积ml，摆性由浮子内部结构关于浮子轴非对称的零组件共同产生。仪表温度波动时，材料因线膨胀系数的存在导致摆性、马达角动量随之发生变化，此外温度变化还会改变浮油的密度，以上均导致仪表的标度因数发生变化，造成加速度计使用精度降低。为了提高标度因数的温度稳定性，需要降低其温度系数，即降低K1的温度敏感性。提高温控精度和降低标度因数的温度系数均可实现标度因数稳定性提升，温控精度已提升至当前技术的最高水平，但是仪表的温度系数仍不理想，仅通过对提供摆性的材料间线膨胀系数匹配实现K1温度系数降低的空间有限，因此有必要开发一种低标度因数温度系数的高精度液浮陀螺加速度计浮子组件及其温度系数补偿方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件及其补偿方法，本发明浮子组件包括马达支架，马达定子组件，马达转子组件，浮筒和偏心配重，马达支架包括支架主体，第一支架台和第二支架台；马达定子组件和马达转子组件安装于支架主体内部；第一支架台和第二支架台分别连接于支架主体两侧，偏心配重设于第一支架台或第二支架台的台面上；浮筒设于支架主体外部，浮筒两端分别与第一支架台和第二支架台连接，形成密封腔体，本发明由标度因数表达式推导得出标度因数温度系数的计算公式，提出在与摆性相反的方向进行体积(去除)补偿，沿与摆性相反的方向在马达支架上进行体积去量，即在第一支架台和第二支架台的台面分别设置缺口，实现了高精度液浮陀螺加速度计标度因数温度系数的降低，提高了仪表标度因数的温度稳定性，有利于仪表在宽温域内保持较高精度水平。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，包括马达支架，马达定子组件，马达转子组件，浮筒，和偏心配重；
马达支架包括支架主体，第一支架台和第二支架台；马达定子组件和马达转子组件安装于支架主体内部；
第一支架台包括第一台底和连接于第一台底的第一台面，第二支架台包括第二台底和连接于第二台底的第二台面，所述第一台底和第二台底分别连接于支架主体两侧，第一台面和第二台面位于支架主体外部；
偏心配重设于第一台面或第二台面上；
浮筒设于支架主体外部，浮筒两端分别与第一台底和第二台底连接，形成密封腔体；
所述第一台面和第二台面分别设置缺口，分别记为第一缺口和第二缺口，所述第一缺口几何中心与浮子组件几何中心的距离等于第二缺口几何中心与浮子组件几何中心的距离，记所述距离为l'f；记第一台面和第二台面设置缺口后浮子组件的体积与未设缺口时的体积相比减少了V′：
Figure BDA0003450282830000021
此式中，m0为未设缺口时浮子组件质量，lg0为未设缺口时浮子组件摆长，αr为马达径向等效线膨胀系数，所述马达包括马达定子组件和马达转子组件，αl为浮子摆长等效线膨胀系数，ρf为浮油密度，αt为浮子组件外表面的线膨胀系数，βf为浮油的比温系数。
进一步的，所述第一支架台和第二支架台为一端开口的圆筒形，圆筒形的底对应第一台底和第二台底，圆筒形的侧面对应第一台面和第二台面；
所述支架主体为圆柱形，第一台底和第二台底分别连接于圆柱形支架主体的侧面；
所述第一支架台和第二支架台的轴线共线，且与支架主体的轴线垂直。
进一步的，所述第一缺口与第二缺口的几何中心关于支架主体轴线对称；
所述第一缺口与第二缺口体积相等。
进一步的，浮子组件几何中心到所述第一缺口和第二缺口共同几何中心的方向与浮子组件几何中心到质心的方向相反。在一种优选的实施方式中，如图1(b)所示，偏心配重与缺口在相应台面上的位置分别位于上方和下方。
进一步的，所述第一台面或第二台面设有豁口，所述偏心配重的形状与所述豁口相同，偏心配重安装于所述豁口中。
进一步的，还包括马达端盖，马达端盖固定安装于马达支架中马达支架1中支架主体上方；
所述马达转子组件包括马达轴和转子组件；
马达支架中的支架主体底部设有第一马达轴安装孔，马达端盖设有第二马达轴安装孔，所述马达轴下端与第一马达轴安装孔配合，马达定子组件和转子组件通过马达轴安装于支架主体中，马达轴上端与第二马达轴安装孔配合，实现马达轴的固定；
马达轴下端设有与马达轴垂直的限位台面，限位台面与支架主体底部贴合，用于约束马达轴与支架主体底部的垂直关系。
进一步的，所述第一台底和第二台底设有胶槽，胶槽填满胶液，浮筒两端分别与第一台底和第二台底胶接。
进一步的，还包括密封塞；
所述第一台底或第二台底设有进气孔，保护气通过所述进气孔进入浮筒后，密封塞与所述进气孔配合实现浮筒与第一台底和第二台底连接所形成腔体的密封。
进一步的，所述浮油密度ρf与浮子组件平均密度一致；所述浮子组件外表面的线膨胀系数αt等于浮筒所用材料的线膨胀系数。
一种低标度因数温度系数补偿方法，采用上述一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件实现，其特征在于，包括如下步骤：
S1根据标度因数K1公式推导出标度因数变化量ΔK1的表达式：
Figure BDA0003450282830000041
Figure BDA0003450282830000042
其中，m为浮子组件质量，V为浮子组件体积，lf为浮力力臂，me为马达转子质量，r为马达转子回转半径，ω为马达转子转动角速度，lg为浮子组件摆长，αr为马达径向等效线膨胀系数，αl为浮子摆长等效线膨胀系数，ρf为浮油密度，αt为浮子组件外表面的线膨胀系数，βf为浮油的比温系数；
S2令ΔK1＝0，简化并略去高阶小项得到：
Figure BDA0003450282830000043
S3使浮子组件的浮心离开浮子组件几何中心，并靠近浮子组件质心，得到：
Figure BDA0003450282830000044
其中，V0为未设缺口时浮子组件体积，
Figure BDA0003450282830000045
为未设缺口时浮力力臂；
S4确定第一台面所设第一缺口的几何中心，以及第二台面所设第二缺口的几何中心，第一缺口的几何中心与浮子组件几何中心的距离等于第二缺口的几何中心与浮子组件几何中心的距离lf＇；
S5根据
Figure BDA0003450282830000051
以及lf＇确定第一缺口和第二缺口的尺寸，并按照所述尺寸在第一支架台中的第一台面和第二支架台中的第二台面上设置第一缺口和第二缺口。
本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
(1)本发明浮子组件中，创新性的设计了马达支架的结构，沿与摆性相反的方向在马达支架上进行体积去量，实现了高精度液浮陀螺加速度计标度因数温度系数的降低，提高了仪表标度因数的温度稳定性，为增强液浮陀螺加速度计温度适应性、在宽温域内仍保持较高精度水平提供解决方案；
(2)本发明由标度因数表达式推导得出标度因数温度系数的计算公式，根据计算公式确定了缺口的形状和分布，最大限度的降低了标度因数温度系数；
(3)本发明浮子组件中，使马达支架，马达定子组件，马达转子组件，浮筒和偏心配重等形成稳定配合，进一步提高了液浮陀螺加速度计精度。
附图说明
图1为本发明一种低标度因数温度系数浮子组件结构示意图，其中(a)为侧视图，(b)为剖视图；
图2为本发明一种低标度因数温度系数浮子组件结构立体图；
其中，1-马达支架；2-马达定子组件；3-马达转子组件；4-马达端盖；5-浮筒；6-密封塞；7-偏心配重。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
以下为本发明一种具体的实施例：
如图1和图2，一种低温度系数的高精度液浮陀螺加速度计浮子组件，包括马达支架1、浮筒5、马达定子组件2、马达转子组件3、马达端盖4、密封塞6、偏心配重7等。
马达支架1包括支架主体，第一支架台和第二支架台，支架主体上端为开放端，开放端与马达端盖4配合，形成用于安装马达定子组件2和马达转子组件3的腔体；支架主体左右两侧为凸出的第一支架台和第二支架台，第一支架台和第二支架台为中空圆柱结构，其中一个支架台的柱面上开有一弧形豁口，豁口中放置偏心配重7，偏心配重7与弧形豁口形状相同，通过胶液粘接在豁口中。
支架台的柱面(即第一台面或第二台面)底部连接有与其垂直的圆形底面(即第一台底或第二台底)，两圆形底面中间为支架主体，支架主体内部开有用于安装马达定子2与转子组件3的腔体；马达支架1用于安装支撑其他各零组件。
马达定子组件2通过胶接安装在马达支架1支架主体的腔体内部，腔体内壁为两个衔接的柱面，其中靠近腔体底部的第一空心圆柱直径小于靠近腔体开放端的第二空心圆柱直径，二者衔接处存在一个定位台阶面，马达定子组件2的金属叠片下边与马达支架1腔体内壁处的定位台阶面接触，实现马达定子组件2在马达支架1沿摆性轴方向上的定位，叠片外圆柱面通过胶粘接贴合到支架腔体第二柱面的内壁。
马达转子组件3由马达轴、转子组件组成，马达轴下端穿过马达支架1中支架主体腔体底部中心的马达轴安装孔，通过锁紧螺母将马达轴下端固定在马达支架1下端面，马达定子组件2叠片内圆与马达轴安装孔的同轴度应不超过0.03mm。
马达端盖4主体为矩形，四角附近开有螺纹孔，通过螺钉等紧固件安装在马达支架1中支架主体上平面，通过销钉对端盖进行定位，马达端盖4中心开有圆形通孔，马达轴上端从此孔穿过，端盖压装在马达轴肩上，起到固定马达轴上端的作用。
浮筒5为中空薄壁筒状结构，在两端内壁涂抹胶液，粘接在第一支架台和第二支架台的圆形底面上，用以保证浮子内部的密封性。浮筒5与马达支架1配合，内部形成封闭空间。
密封塞6为带有一定锥度的实心圆柱，通过胶粘接在第一支架台或第二支架台的圆形底面所开的槽孔内，用以密封浮子内部充的保护气。所述浮子内部保护气为一个大气压。
第一支架台和第二支架台的柱面上设有缺口，缺口的位置和尺寸通过以下方法确定：
步骤1，根据液浮摆式陀螺加速度计工作原理，摆性为重力与浮力共同作用的结果，根据标度因数K1公式(1)推导出标度因数变化量ΔK1的表达式(2)。
Figure BDA0003450282830000071
公式(1)中，m为浮子质量，lg为浮子摆长，ρf为浮油密度，V为浮子体积，lf为浮力力臂，me为马达转子质量，r为马达转子回转半径，ω为马达转子转动角速度。
公式(1)中，由于浮子摆长lg，浮力力臂lf，浮子体积V、浮油密度ρf和马达转子回转半径r等物理量均有温度系数属性，其值均受温度变化影响，由这些参数的变化将导致标度因数K1随之变化，推导出的ΔK1表达式为：
Figure BDA0003450282830000072
公式(2)中，αl为浮子摆长(即浮子质心到几何中心的距离)等效线膨胀系数，由马达支架1、马达定子组件2、马达转子组件3、马达端盖4、密封塞6、偏心配重7等共同产生；αr为马达径向等效线膨胀系数，由马达转子组件3产生；βf为浮油的比温系数；αt为浮子外表面的线膨胀系数，取为浮筒材料的线膨胀系数。公式(2)通分整理得到如下公式(3)
Figure BDA0003450282830000081
公式(3)中，分子包含两项，第一项为与浮子所受重力相关项，第二项为与浮子所受浮力相关项。
本发明的目的之一是提供一种低标度因数温度系数的浮子组件，通过减小ΔK1值来实现，即获得最小的ΔK1值，结合公式(3)可知，为使ΔK1值最小，应使公式(3)分子上的两项和为零。
令ΔK1＝0，简化并略去高阶小项得到如下公式(4)
Figure BDA0003450282830000082
未设置缺口前，浮子组件结构关于自身回转轴对称，因此浮子所受浮力作用点(浮心)位于浮子几何中心，因此lf为零，导致(3)式中仅有重力相关项，由此计算得到的K1温度系数为负，且其绝对值较大，表明K1易受温度变化影响，温度稳定性低。
减小ΔK1需使公式(3)中与浮力相关的第二项不为零，即浮力力臂lf不为零。由于未进行体积去除时，K1温度系数为负数，为了产生补偿效果，应使浮子自身的浮心方向与摆长方向(摆长方向为由浮子组件几何中心到质心的方向)相同，即浮心应离开浮子几何中心，向质心靠近，因此需在与摆长方向相反的部位，距离几何中心l'f处去除体积V＇：
Figure BDA0003450282830000083
其中，V0为未设缺口时浮子组件体积，
Figure BDA0003450282830000084
为未设缺口时浮力力臂；m0为未设缺口时浮子组件质量，lg0为未设缺口时浮子组件摆长，αr为马达径向等效线膨胀系数，αl为浮子摆长等效线膨胀系数，ρf为浮油密度，αt为浮子组件外表面的线膨胀系数，βf为浮油的比温系数
步骤2，对马达支架进行结构改造，在距离浮子组件几何中心l'f处去除V＇体积，所去部位为左右两端突出圆柱台面，所去除体积左右端分配关系按照1:1进行。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，其特征在于，包括马达支架(1)，马达定子组件(2)，马达转子组件(3)，浮筒(5)，和偏心配重(7)；
马达支架(1)包括支架主体，第一支架台和第二支架台；马达定子组件(2)和马达转子组件(3)安装于支架主体内部；
第一支架台包括第一台底和连接于第一台底的第一台面，第二支架台包括第二台底和连接于第二台底的第二台面，所述第一台底和第二台底分别连接于支架主体两侧，第一台面和第二台面位于支架主体外部；
偏心配重(7)设于第一台面或第二台面上；
浮筒(5)设于支架主体外部，浮筒(5)两端分别与第一台底和第二台底连接，形成密封腔体；
所述第一台面和第二台面分别设置缺口，分别记为第一缺口和第二缺口，所述第一缺口几何中心与浮子组件几何中心的距离等于第二缺口几何中心与浮子组件几何中心的距离，记所述距离为l'f；记第一台面和第二台面设置缺口后浮子组件的体积与未设缺口时的体积相比减少了V′：
Figure FDA0003450282820000011
其中，m0为未设缺口时浮子组件质量，lg0为未设缺口时浮子组件摆长，αr为马达径向等效线膨胀系数，所述马达包括马达定子组件(2)和马达转子组件(3)，αl为浮子摆长等效线膨胀系数，ρf为浮油密度，αt为浮子组件外表面的线膨胀系数，βf为浮油的比温系数。
2.根据权利要求1所述的一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，其特征在于，所述第一支架台和第二支架台为一端开口的圆筒形，圆筒形的底对应第一台底和第二台底，圆筒形的侧面对应第一台面和第二台面；
所述支架主体为圆柱形，第一台底和第二台底分别连接于圆柱形支架主体的侧面；
所述第一支架台和第二支架台的轴线共线，且与支架主体的轴线垂直。
3.根据权利要求1或2所述的一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，其特征在于，所述第一缺口与第二缺口的几何中心关于支架主体轴线对称；
所述第一缺口与第二缺口体积相等。
4.根据权利要求1所述的一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，其特征在于，浮子组件几何中心到所述第一缺口和第二缺口共同几何中心的方向与浮子组件几何中心到浮子组件质心的方向相反。
5.根据权利要求1或2所述的一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，其特征在于，所述第一台面或第二台面设有豁口，所述偏心配重(7)的形状与所述豁口相同，偏心配重(7)安装于所述豁口中。
6.根据权利要求1所述的一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，其特征在于，还包括马达端盖(4)，马达端盖(4)固定安装于马达支架(1)中马达支架1中支架主体上方；
所述马达转子组件(3)包括马达轴和转子组件；
马达支架(1)中的支架主体底部设有第一马达轴安装孔，马达端盖(4)设有第二马达轴安装孔，所述马达轴下端与第一马达轴安装孔配合，马达定子组件(2)和转子组件通过马达轴安装于支架主体中，马达轴上端与第二马达轴安装孔配合，实现马达轴的固定；
马达轴下端设有与马达轴垂直的限位台面，限位台面与支架主体底部贴合，用于约束马达轴与支架主体底部的垂直关系。
7.根据权利要求1所述的一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，其特征在于，所述第一台底和第二台底设有胶槽，胶槽填满胶液，浮筒(5)两端分别与第一台底和第二台底胶接。
8.根据权利要求1所述的一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，其特征在于，还包括密封塞(6)；
所述第一台底或第二台底设有进气孔，保护气通过所述进气孔进入浮筒(5)后，密封塞(6)与所述进气孔配合实现浮筒(5)与第一台底和第二台底连接所形成腔体的密封。
9.根据权利要求1所述的一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件，其特征在于，所述浮油密度ρf与浮子组件平均密度一致；所述浮子组件外表面的线膨胀系数αt等于浮筒(5)所用材料的线膨胀系数。
10.一种低标度因数温度系数补偿方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的一种低标度因数温度系数加速度计浮子组件实现，其特征在于，包括如下步骤：
S1根据标度因数K1公式推导出标度因数变化量ΔK1的表达式：
Figure FDA0003450282820000031
Figure FDA0003450282820000032
其中，m为浮子组件质量，V为浮子组件体积，lf为浮力力臂，me为马达转子质量，r为马达转子回转半径，ω为马达转子转动角速度，lg为浮子组件摆长，αr为马达径向等效线膨胀系数，αl为浮子摆长等效线膨胀系数，ρf为浮油密度，αt为浮子组件外表面的线膨胀系数，βf为浮油的比温系数；
S2令ΔK1＝0，简化并略去高阶小项得到：
Figure FDA0003450282820000033
S3使浮子组件的浮心离开浮子组件几何中心，并靠近浮子组件质心，得到：
Figure FDA0003450282820000034
其中，V0为未设缺口时浮子组件体积，
Figure FDA0003450282820000035
为未设缺口时浮力力臂；
S4确定第一台面所设第一缺口的几何中心，以及第二台面所设第二缺口的几何中心，第一缺口的几何中心与浮子组件几何中心的距离等于第二缺口的几何中心与浮子组件几何中心的距离l′f；
S5根据
Figure FDA0003450282820000041
以及l′f确定第一缺口和第二缺口的尺寸，并按照所述尺寸在第一支架台中的第一台面和第二支架台中的第二台面上设置第一缺口和第二缺口。
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