CN115962938B - 陀螺仪的h型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明为解决现有动压轴承陀螺电机气膜刚度判断方法不能直接测量气膜刚度、判断准确度低、可能损伤动压轴承的技术问题，提供一种陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法，基于电容测试的原理，对动压轴承陀螺电机转子在不同位置姿态下的位移变化量进行测试，利用电机转子自重给动压轴承气膜施加作用力，设计了测试系统和具体的测试方法，实现了对动压轴承陀螺电机气膜刚度的非接触测量，有效避免了因测试使动压轴承被损坏；本发明测试前针对待测转子进行线性标定，使测试结果更加准确。

Description

陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法

技术领域

本发明属于一种气膜刚度测试方法，具体涉及一种陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法。

背景技术

H型动压轴承陀螺电机是二浮陀螺、三浮陀螺的核心组件，其通过H型动压轴承的气膜刚度支撑实现动压轴承陀螺电机动量矩的稳定输出，为惯性仪表提供了测量参考。H型动压轴承陀螺电机气膜刚度决定着惯性仪表的抗力学环境能力和测量精度，是空间飞行器用惯性测量单元的核心技术之一。

动压轴承是支撑动压轴承陀螺电机转子高速旋转的组件，通常转速在30000r/min，H型动压轴承的工作间隙仅有1μm~3μm，当动压轴承陀螺电机的转子、定子产生相对运转时，外界气体将被泵入动压轴承的工作间隙，当气流压力升高到一定值后，气流压力将托起转子使其处于浮起状态，在工作转速下，转子受外界力的作用，气膜间隙会产生相对位移，在某一方向上，使转子与动压轴承产生单位位移所需要的力就是该方向上动压轴承陀螺电机的气膜刚度。

在空间运载体发射、变轨、对接、降落的整个过程中，动压轴承陀螺电机会承受较大的力学环境冲击，需要保证转子不能与定子发生接触。在工程研制中，通常采用试验手段对动压轴承陀螺电机的气膜刚度进行测试，试验过程中，对动压轴承陀螺电机施加相应的力学条件，再通过测试动压轴承陀螺电机的参数输出，判断动压轴承陀螺电机的气膜刚度是否满足使用要求。

现有技术中主要通过两种方法判断动压轴承陀螺电机的气膜刚度：（1）在动压轴承加工阶段，通过测试动压轴承的轴向、径向组合间隙，保证组合间隙在设计指标要求范围之内，以此满足动压轴承陀螺电机的气膜刚度设计要求。但是，这种方法没有考虑各零件自身精度、装配精度对气膜刚度的影响，判断准确度低，也不能直接测量气膜刚度；（2）在动压轴承陀螺电机装配完成后，对动压轴承陀螺电机进行相关的力学环境激励，同时，监测动压轴承陀螺的功率输出、电流输出，并判断在相应的力学环境激励下，动压轴承陀螺电机是否发生功率或者电流的突变，一旦发生突变，则认为动压轴承陀螺电机的气膜刚度不足，转子和定子发生了高速接触。但是，这种方法只能起到筛选作用，对气膜刚度的承载裕度无法评价，试验过程中会使动压轴承与转子瞬间接触，存在损伤动压轴承的风险。

发明内容

本发明为解决现有动压轴承陀螺电机气膜刚度判断方法不能直接测量气膜刚度、判断准确度低、可能损伤动压轴承的技术问题，提供一种陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

分别水平和竖直放置动压轴承陀螺电机的待测转子；水平放置时，分别将测试系统的检测端固定于待测转子外圆表面的正上方和正下方，并保持间隙，竖直放置时，分别将测试系统的检测端固定于正对待测转子两端端面，并保持间隙；所述测试系统与待测转子之间形成电容器，并输出电容器容抗对应的电压；

分别在待测转子水平和竖直放置时，使待测转子处于工作状态，通过测试系统输 出的电压，结合待测转子通过线性标定得到的测量标定系数，分别确定测试系统的检测端 与待测转子表面之间的距离，得到动压轴承陀螺电机径向气膜刚度

和动压轴承陀螺电 机轴向气膜刚度

。

进一步地，所述测量标定系数包括水平放置待测转子时的径向测量标定系数和竖直放置待测转子时的轴向测量标定系数；所述线性标定具体为：

分别水平和竖直放置动压轴承陀螺电机的待测转子；水平放置时，使测试系统的检测端固定于待测转子外圆表面的正上方，且测试系统的检测端恰好接触待测转子外圆表面；竖直放置时，使测试系统的检测端固定于正对待测转子两端端面，且测试系统的检测端恰好接触待测转子任一端端面；

分别在待测转子水平和竖直放置时，先使待测转子向远离测试系统的检测端的方向移动m微米，在待测转子处于工作状态下，再使待测转子逐次向靠近测试系统的检测端的方向移动n微米，每次向靠近测试系统的检测端的方向移动n微米后，通过测试系统得到对应的电压值，直至第j+1次时，可移动的距离小于n微米，停止移动，将测试系统得到的电压值依次记作U₁、U₂、……、U_j，通过线性拟合，得到横坐标为待测转子与测试系统的检测端距离，纵坐标为电压值的标定线，以标定线的斜率作为测量标定系数。

进一步地，所述测试系统的检测端与待测转子表面之间的距离包括：测试系统的检测端固定于待测转子外圆表面的正上方和正下方时测试系统的检测端与待测转子表面之间的距离、测试系统的检测端固定于正对待测转子两端端面时测试系统的检测端与待测转子端面之间的距离；

所述确定测试系统的检测端与待测转子表面之间的距离，具体是通过下式确定的：

U=k×h

其中，U为测试系统得到的电压，单位为V；k为结合待测转子通过线性标定得到的测量标定系数；h为测试系统的检测端与待测转子表面之间的距离。

进一步地，所述得到动压轴承陀螺电机径向气膜刚度

和动压轴承陀螺电机轴向 气膜刚度

，具体为通过下式得到：

其中，m为待测转子的质量，单位为kg；g为测试地的重力加速度，单位为m/s²；Δh1为测试系统的检测端固定于待测转子外圆表面的正上方和正下方时，测试系统的检测端与待测转子表面之间的距离差；Δh2为测试系统的检测端固定于正对待测转子两端端面时，测试系统的检测端与待测转子端面之间的距离差。

进一步地，所述测试系统包括电容传感器、电容C、振荡器B、放大器A、整流滤波器和上位机，所述电容传感器测头作为测试系统的检测端；

所述放大器A的同相输入端与振荡器B的接地端相连，放大器A的反相输入端与电容C的一端相连，电容C的另一端与振荡器B的输出端相连，放大器A的反相输入端与电容传感器测头相连，放大器A的输出端与整流滤波器的输入端相连，整流滤波器输出端与所述上位机相连。

进一步地，所述测试系统还包括数字显示仪器；

所述数字显示仪器与整流滤波器的输出端相连，用于显示经整流滤波器整流滤波后测试系统得到的电压值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出了一种陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法，基于电容测试的原理，对动压轴承陀螺电机转子在不同位置姿态下的位移变化量进行测试，利用电机转子自重给动压轴承气膜施加作用力，设计了测试系统和具体的测试方法，实现了对动压轴承陀螺电机气膜刚度的非接触测试，有效避免了因测试使动压轴承被损坏。

2.本发明的测试方法，测试时需要针对待测转子进行线性标定，测试结果更加准确，不会受到动压轴承陀螺电机中其他零件精度、自身装配误差的影响，与待测转子的实际工况更加贴近。

3.本发明的测试方法，分别在待测转子水平放置和竖直放置时对待测转子进行线性标定，进一步提高了测试精度。

4.本发明的测试方法，为实现精准测试，设计了一种测试系统，对电容传感器测得的结果进行相应处理，使测试结果更加直观，测试操作更加简便。

附图说明

图1为本发明实施例中测试系统的示意图；

图2为本发明实施例中待测转子水平放置，电容传感器测头位于待测转子外圆表面正上方的示意图；

图3为本发明实施例中待测转子水平放置，电容传感器测头位于待测转子外圆表面正下方的示意图；

图4为本发明实施例中支承轴竖直放置，电容传感器测头正对待测转子一端端面的示意图；

图5为本发明实施例中支承轴竖直放置，电容传感器测头正对待测转子另一端端面的示意图。

其中：1-待测转子、2-检测端、3-整流滤波器、4-USB接口、5-数字显示仪器、6-上位机、7-支承轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

H型动压轴承陀螺电机气膜刚度一般包括轴向刚度G_a和径向刚度G_r，根据气膜刚度的定义可知，正常工作情况下，在动压轴承工作间隙范围内，使电机转子相对于定子产生某一方向单位位移所施加的力，就是动压轴承在该方向上的气膜刚度。本发明提出一种基于电容传感器的非接触式位移测试方法，根据电容传感器的原理可知，当被测零件表面与电容传感器之间的间隙发生变化时，传感器的电容量也会发生相应变化，采用交流电桥可以精确地测量出电容量的变化量，进而计算出被测零件相对于电容传感器的位移。

测试时，使电容传感器测头正对动压轴承陀螺电机的待测转子1，如果将动压轴承陀螺电机的转子表面看做一个被测平板，则待测转子1表面与电容传感器测头之间构成一个电容器。

根据下式能够确定电容传感器的电容值：

。

式中：

表示待测转子1表面与电容传感器测头之间介质的介电常数，单位是

；

表示电容器的极板面积，单位是

；

表示电容器两极板间的距离，单位是

；

表示电容传感器的电容值，单位是

。

将电容传感器测头圆柱体的直径表示为

，则其测头圆柱体的端面面积

为：

，电容传感器测头圆柱体的端面面积，等于电容器的极板面积，代入电容传感器的 电容值公式中得到：

。

从电路的角度分析，电容器的容抗

为：

。

其中，

为电容器的电源频率。

如图1所示，为了实现测试，搭建基于电容传感器的测试系统，测试系统包括电容 传感器、电容C、振荡器B、放大器A、整流滤波器3、数字显示仪器5、USB接口4和上位机6，电容 传感器测头作为测试系统的检测端2。使电容传感器测头正对待测转子1表面，电容传感器 测头与待测转子1形成电容器，电容器的容抗

可以通过由电容C、振荡器B、放大器A组成 的集成运算放大电路进行转换，将电容器的容抗

转换成电压值U，电压值U再经整流滤波 器3整流滤波后，一方面，可以通过数字显示仪器5进行数字显示，另一方面，也可以通过USB 接口4输送给上位机6，分别用于数据记录和数据处理。其中，集成运算放大电路中，放大器A 的同相输入端与振荡器B的接地端相连，放大器A的反相输入端与电容C的一端相连，电容C 的另一端与振荡器B的输出端相连，放大器A的反相输入端还与电容传感器测头相连，放大 器A的输出端与整流滤波器3的输入端相连。

另外，考虑到待测转子1的径向外圆面和轴向端面均为非理想的平面状态，采用微动坐标台分别对动压轴承陀螺电机的待测转子1径向外圆面和轴向端面进行线性标定，因此，电压值U实际可以表示为：

U=k×h；

其中，k为测量标定系数。

由于要分别对动压轴承陀螺电机的待测转子1径向外圆面和轴向端面进行线性标定，因此，线性标定后的k又分为径向测量标定系数k_r和轴向测量标定系数k_b。

对应的，对动压轴承陀螺电机的待测转子1径向外圆面进行线性标定时，对应电压U_a通过下式得到：

U_a=k_r×h。

对动压轴承陀螺电机的待测转子1轴向端面进行线性标定时，对应电压U_b通过下式得到：

U_b=k_b×h。

进而可以通过测试系统测试得到U_a或U_b，经过整流滤波器3整流滤波后，通过数字 显示仪器5进行数字显示，同时，经USB接口4输送至上位机6，在上位机6中根据k_r或k_b计算得 到h，并在上位机6中经计算得到径向气膜刚度

和轴向气膜刚度

。其中，径向测量标定 系数k_r和轴向测量标定系数k_b可以通过以下方式确定：

如图2，使动压轴承陀螺电机的支承轴7水平放置，且电容传感器测头位于待测转子1正上方，将待测转子1置于微动坐标台上，将电容传感器测头固定在微动调整夹具上，微动坐标台和微动调整夹具可采用现有装置，使电容传感器测头轻轻靠在待测转子1外圆表面。通过调整微动坐标台，使待测转子1向远离电容传感器测头的方向移动m微米，为待测转子1通电，使待测转子1转动工作，达到稳定后，通过测试系统得到电压值U₀。再通过调整微动坐标台，使待测转子1逐次向靠近电容传感器测头的方向移动n微米，n小于m，每次向靠近电容传感器测头的方向移动n微米后，通过测试系统得到对应的电压值，直至移动到第j+1次时，可移动的距离小于n微米，即移动n微米就会使待测转子1外圆表面与电容传感器测头接触，将每次通过测试系统得到的对应的电压值依次记作U₁、U₂、……、U_j，通过线性拟合，能够得到横坐标为待测转子1与电容传感器测头距离，纵坐标为电压值的径向标定线，该径向标定线的斜率即为径向测量标定系数k_r。如图4，再使动压轴承陀螺电机的支承轴7竖直放置，且电容传感器测头正对待测转子1的一端端面，采用相同的方法，拟合得到轴向标定线，并确定轴向测量标定系数k_b。

为了避免电容传感器测头受损，可在待测转子1每次向靠近电容传感器测头的方向移动前，先对待测转子1断电，移动后再为待测转子1通电。

由于动压轴承陀螺电机在工作时，待测转子1受到重力或外加载荷作用，会出现一定的偏心，可以将电容传感器测头与动压轴承陀螺电机的待测转子1表面相对进行固定，组成一个固定组合。在动压轴承陀螺电机运转过程中，待测转子1绕固定的支承轴7转动。

如图2所示，支承轴7水平放置，电容传感器测头位于待测转子1正上方，将图2所示的固定组合位置记作第一径向位置，通过图1所示的测试系统得到对应的电压U_x。另外，此时电容传感器测头与动压轴承陀螺电机的待测转子1之间组成一个电容器，该电容器两极板间的距离为h1。

如图3，调整电容传感器测头与动压轴承陀螺电机的待测转子1，使电容传感器测头位于待测转子1正下方，将图3所示的固定组合位置记作第二径向位置，通过图1所示的测试系统得到对应的电压U_y。另外，此时电容传感器测头与动压轴承陀螺电机的待测转子1之间组成一个电容器，该电容器两极板间的距离为h2。

由于h1与h2不等，也就是电容器两极板间的距离发生了变化，可以得到，测试系统的检测端2固定于待测转子1外圆表面的正上方和正下方时，测试系统的检测端2与待测转子1表面之间的距离差Δh1：

Δh1=（U_x- U_y）/k_r。

如图4所示，支承轴7竖直放置，电容传感器测头正对待测转子1的一端端面，将图4所示的固定组合位置记作第一轴向位置，通过图1所示的测试系统得到对应的电压U_z。另外，此时电容传感器测头与动压轴承陀螺电机的待测转子1之间组成一个电容器，该电容器两极板间的距离为h3。

如图5，调整电容传感器测头与动压轴承陀螺电机的待测转子1，使电容传感器测头正对待测转子1的另一个轴向端面，将图5所示的固定组合位置记作第二轴向位置，通过图1所示的测试系统得到对应的电压U_w。另外，此时电容传感器测头与动压轴承陀螺电机的待测转子1之间组成一个电容器，该电容器两极板间的距离为h4。

由于h3与h4不等，也就是电容器两极板间的距离发生了变化，可以得到，测试系统的检测端2固定于正对待测转子1两端端面时，测试系统的检测端2与待测转子1端面之间的距离差Δh2：

Δh2=（U_w- U_z）/k_b。

根据刚度的计算定义，则动压轴承陀螺电机气膜刚度通过下式计算：

。

其中，m为待测转子1的质量，单位为kg；g为测试地的重力加速度，单位为

；

为待测转子1正向和反向作用力下，测试系统的检测端2与待测转子1之间的距离差。

那么，就能够分别得到动压轴承陀螺电机径向气膜刚度

和动压轴承陀螺电机轴 向气膜刚度

：

。

采用图2至图5所示的方向进行测试时，可继续将待测转子1置于微动坐标台上，将电容传感器测头固定在微动调整夹具上，另外，测试时，调整待测转子1与电容传感器测头距离，同时在数字显示仪器5上观察电压值，尽量使电压值处于径向标定线或轴向标定线上线性较好的区域。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别水平和竖直放置动压轴承陀螺电机的待测转子(1)；水平放置时，分别将测试系统的检测端(2)固定于待测转子(1)外圆表面的正上方和正下方，并保持间隙，竖直放置时，分别将测试系统的检测端(2)固定于正对待测转子(1)两端端面，并保持间隙；所述测试系统与待测转子(1)之间形成电容器，并输出电容器容抗对应的电压；

分别在待测转子(1)水平和竖直放置时，使待测转子(1)处于工作状态，通过测试系统输出的电压，结合待测转子(1)通过线性标定得到的测量标定系数，分别确定测试系统的检测端(2)与待测转子(1)表面之间的距离，得到动压轴承陀螺电机径向气膜刚度G_r和动压轴承陀螺电机轴向气膜刚度G_b；

所述测量标定系数包括水平放置待测转子(1)时的径向测量标定系数和竖直放置待测转子(1)时的轴向测量标定系数；所述线性标定具体为：

分别水平和竖直放置动压轴承陀螺电机的待测转子(1)；水平放置时，使测试系统的检测端(2)固定于待测转子(1)外圆表面的正上方，且测试系统的检测端(2)恰好接触待测转子(1)外圆表面；竖直放置时，使测试系统的检测端(2)固定于正对待测转子(1)两端端面，且测试系统的检测端(2)恰好接触待测转子(1)任一端端面；

分别在待测转子(1)水平和竖直放置时，先使待测转子(1)向远离测试系统的检测端(2)的方向移动m微米，在待测转子(1)处于工作状态下，再使待测转子(1)逐次向靠近测试系统的检测端(2)的方向移动n微米，每次向靠近测试系统的检测端(2)的方向移动n微米后，通过测试系统得到对应的电压值，直至第j+1次时，可移动的距离小于n微米，停止移动；将测试系统得到的电压值依次记作U₁、U₂、……、U_j，通过线性拟合，得到横坐标为待测转子(1)与测试系统的检测端(2)距离，纵坐标为电压值的标定线，以标定线的斜率作为测量标定系数；

所述测试系统包括电容传感器、电容C、振荡器B、放大器A、整流滤波器(3)和上位机(6)，所述电容传感器测头作为测试系统的检测端(2)；

所述放大器A的同相输入端与振荡器B的接地端相连，放大器A的反相输入端与电容C的一端相连，电容C的另一端与振荡器B的输出端相连，放大器A的反相输入端与电容传感器测头相连，放大器A的输出端与整流滤波器(3)的输入端相连，整流滤波器(3)输出端与所述上位机(6)相连。

2.根据权利要求1所述陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法，其特征在于：

所述测试系统的检测端(2)与待测转子(1)表面之间的距离包括：测试系统的检测端(2)固定于待测转子(1)外圆表面的正上方和正下方时测试系统的检测端(2)与待测转子(1)表面之间的距离、测试系统的检测端(2)固定于正对待测转子(1)两端端面时测试系统的检测端(2)与待测转子(1)端面之间的距离；

所述确定测试系统的检测端(2)与待测转子(1)表面之间的距离，具体是通过下式确定的：

U＝k×h

其中，U为测试系统得到的电压，单位为V；k为结合待测转子(1)通过线性标定得到的测量标定系数；h为测试系统的检测端(2)与待测转子(1)表面之间的距离。

3.根据权利要求2所述陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法，其特征在于：所述得到动压轴承陀螺电机径向气膜刚度G_r和动压轴承陀螺电机轴向气膜刚度G_b，具体为通过下式得到：

其中，m为待测转子(1)的质量，单位为kg；g为测试地的重力加速度，单位为m/s²；Δh1为测试系统的检测端(2)固定于待测转子(1)外圆表面的正上方和正下方时，测试系统的检测端(2)与待测转子(1)表面之间的距离差；Δh2为测试系统的检测端(2)固定于正对待测转子(1)两端端面时，测试系统的检测端(2)与待测转子(1)端面之间的距离差。

4.根据权利要求3所述陀螺仪的H型动压轴承陀螺电机气膜刚度非接触测试方法，其特征在于：所述测试系统还包括数字显示仪器(5)；

所述数字显示仪器(5)与整流滤波器(3)的输出端相连，用于显示经整流滤波器(3)整流滤波后测试系统得到的电压值。

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