CN201331328Y - 桶形动圈角度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种桶形动圈角度传感器，包括定子、转子和导磁环以及外部补偿电路，定子、转子和导磁环同轴、对中安装，定子包括定子磁芯、激磁线圈和接线板，转子包括输出线圈和线圈骨架，其中定子的激磁线圈串联并反接在定子磁芯的磁极上，经接线板上的接线柱引出，激磁线圈外接激励电源建立主磁场，经定子磁芯、工作气隙和导磁环构成闭环磁回路；转子的输出线圈串联并反接在线圈骨架上，转子处在工作气隙磁场中。本实用新型整体结构简单，设计科学合理，是一种在小角度范围内高灵敏度、高线性度、低阈值和低电磁干扰力矩的桶形动圈角度传感器。

Description

桶形动圈角度传感器

技术领域

本实用新型属于仪器仪表领域，涉及陀螺仪、加速度计等“指零”惯性测量元件，特别是一种在小角度范围内高灵敏度、高线性度、低阈值和低电磁干扰力矩的桶形动圈角度传感器。

背景技术

角度传感器是将机械转角变换成同这个转角相对应电信号的电气元件，目前完成这一功能的角度传感器包括：微动同步器、环行同位器、旋转变压器、电感传感器、电容传感器、动圈传感器等，不同传感器的工作原理其灵敏度、线性度和最小阈值、零位电压及电磁干扰力矩差别很大。xxx陀螺仪和加速度计等“指零”惯性测量元件对角度传感器的要求是：1)高灵敏度，对＜1″的角度变化能敏感；2)高线性度，在3°角度范围内线性度＜1％；3)低阈值，传感器非灵敏区＜1″；4)输出零位电压＜0.3mV；5)电磁干扰力矩对陀螺仪、加速度计的影响＜2x10^-9N·m(约0.02mg·cm)。针对上述技术指标及陀螺仪、加速度计结构体积、环境的限制，最适合用的角度传感器为动圈传感器，目前该角度传感器已成功应用到多种型号陀螺仪及加速度计中。但该传感器对材料特性及结构编制有特殊要求，而且必须同时加外部补偿措施才能满足上述指标要求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种高灵敏度、高线性度、低阈值和低电磁干扰力矩的桶形动圈角度传感器。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种桶形动圈角度传感器，包括定子、转子和导磁环以及外部补偿电路，定子、转子和导磁环同轴、对中安装，定子包括定子磁芯、激磁线圈和接线板，转子包括输出线圈和线圈骨架，其特征在于：定子的激磁线圈串联并反接在定子磁芯的磁极上，经接线板上的接线柱引出，激磁线圈外接激励电源建立主磁场，经定子磁芯、工作气隙和导磁环构成闭环磁回路；转子的输出线圈串联并反接在线圈骨架上，转子处在工作气隙磁场中。

而且，所述外部补偿电路的电路构成是：在传感器输出线圈两端并联一谐振滤波电容C，该电容C同输出线圈感抗对基波谐振，在激磁线圈端并联电阻R。

本实用新型的优点和积极效果是：

本桶形动圈角度传感器整体结构简单，设计科学合理，是一种在小角度范围内高灵敏度、高线性度、低阈值和低电磁干扰力矩的角度传感器。

附图说明

图1是本实用新型桶形动圈角度传感器立体结构图；

图2是图1定子和导磁环的正面示意图；

图3是图1转子的立体结构示意图；

图4为本实用新型外部补偿电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图、通过具体实施例对本实用新型作进一步详述。以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

本实用新型以定子磁芯为四极结构为例进行叙述。

一种桶形动圈角度传感器，其装配图参见图1，包括定子1、转子2和导磁环3，定子、转子和导磁环同轴、对中安装。定子包括定子磁芯5、激磁线圈6和接线板4(见图2)。激磁线圈沿周向均布(本实施例为四个)串联反接在定子磁芯的磁极上，并由接线板上的接线柱引出。激磁线圈外接激励电源(没有示出)以建立工作主磁场，经定子磁芯、工作气隙7和导磁环构成闭环磁回路。转子包括输出线圈8和线圈骨架9(见图3)，输出线圈串联反接在线圈骨架上。转子处在工作气隙磁场中，敏感转子随角度变化产生的磁通变化。转子要求不含铁磁性杂质，以防止涡流对灵敏度的影响。传感器的“零位”位置使定子的激磁线圈对中输出线圈。从几何结构上使定子磁芯磁极对中输出线圈的轴向边(见图1)。

依据结构体积限制和角度传感器标度因数的要求，定子的磁芯又分为4极、8极和12极结构。极数越多传感器标度因数越大，但传感器敏感的角度范围越小。若4极传感器标度因数为K₂，最大敏感角度为45°，8极和12极标度因数为2K₂和3K₂，最大敏感角度为22.5°和15°。其传感器空载输出特性为：

$U_{01}=K_S\·\sin \left(\mathrm{P\α}\right)=4\mathrm{\ω}{W}_1{W}_2\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·h\·r}{\mathrm{\δ}}{I}_{10}\sin \left(\mathrm{P\α}\right)---\left(1\right)$

在小角度范围内空载输出特性为：

$U_{02}=K_S\·\mathrm{P\α}=4\mathrm{P\ω}{W}_1{W}_2\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·h\·r}{\mathrm{\δ}}{I}_{10}\mathrm{\α}---\left(2\right)$

式中：P-极对数(以2极为一单位，P＝1为2极，P＝2为4极……)；

-圆频率，f-传感器激磁源频率；

W₁-定子激磁线圈匝数；

W₂-转子输出线圈匝数；

h、r、δ-定子磁芯轴向长度、输出线圈作用半径、工作气隙间隙；

I₁₀-激磁线圈激磁电流；

α-敏感角度。

动圈传感器因转子结构的特点，通常工作气隙比较大。定子磁芯磁感应强度B值不高，定子磁芯工作磁场比较弱，因此要求定子磁芯材料有较高的初始磁导率、大的电阻率。从公式(1)和(2)可以看出，激磁频率与输出特性成正比。为提高标度因数，激磁频率通常采用几十千赫兹。这样对定子磁芯材料还要求具有小的铁损耗和小的涡流影响。因此在材料选择上是实现上述指标的关键。目前满足这一需求的材料有：锰锌烧结铁氧体、热等静压铁氧体和非晶软磁合金、铁镍软磁合金(棒)等。用上述四种材料先后都做了4极定子磁芯和导磁环试验件，其前三种传感器性能较佳，都达到了指标要求。而铁镍软磁合金标度因数相对低、零位大。四种材料对使用环境、加工特性还是有区别的。锰锌烧结铁氧体材质疏松、致密性差。加工、装配易掉碴，浸在油液里易吸附。热等静压铁氧体材质相对致密，但材料制作难度大。非晶软磁合金是一种新材料，它克服了铁氧体的缺陷，但加工受到局限，因采用的是特殊工艺将很薄(0.02mm)的非晶合金热烧压接而成所需的厚度，再线切割完成零件结构。铁镍软磁合金加工性能好，但涡流影响大。

转子的功能是输出线圈敏感交流磁场的变化，但输出线圈为薄圆弧结构，本身不能独立处在工作磁场中，需借助骨架将其定位满足激磁线圈与输出线圈对中要求。骨架要求为非铁磁性和非导电性材料；又因骨架为薄壁零件，要求尺寸稳定，因此材料可供选择的有：三氧化二铝陶瓷、微晶玻璃、聚砜和聚苯硫醚等。前三种材料先后做了与4极定子磁芯结构对应的转子试验件，其中三氧化二铝性能最佳，微晶玻璃易出粉末不宜清洗，聚砜结构零件变形大。

导磁环结构简便为一薄圆环结构，材料选择同定子磁芯。

图4为四极定子磁芯结构角度传感器的外部补偿电路原理图。JC₁-JC₄为串联反接激磁线圈，U_S为激磁电源，J_S为激磁线圈始端，J_M为激磁线圈末端，J_Z为激磁线圈中心端；SC₁-SC₄为串联反接输出线圈，U₀为传感器输出，S_S为输出线圈始端，S_M为输出线圈末端，C为串联谐振滤波电容，R为零位补偿电阻。动圈角度传感器从工作原理上是电磁感应元件，利用差动信号来敏感角度变化。在结构、电气参数完全对称的情况下，传感器输出为零。但在实际加工、材料均匀特性上，结构、电气参数不可能完全一致对称，如磁极棱边有缺损、磁极表面不平行、定子磁芯材料特性不均匀、线圈匝数尺寸不一致等，造成定子磁芯各极均有不同程度的涡流损耗和磁滞损耗，因而使定子磁芯各极的磁通相对各级激磁磁势具有不同的损耗角。另外转子结构的位置、电气参数的不对称，在零位时匝链的正、反磁通也不能完全抵消而存在差动磁通正交分量，从而感生零位电压正交分量。再有定子磁芯棱边的局部饱和以及磁化曲线的非线性，加上各极结构不对称而造成的气隙中各股谐波磁通相位、幅值不对称，产生三次谐波或更高次谐波，致使传感器输出零位增大。

为满足传感器输出零位的要求，采取外加补偿的方法来降低零位电压和滤除高次谐波。具体方法见图4所示。

电容C并联在输出线圈始末两端，若电容C同输出线圈感抗对基波谐振，则不仅能滤除三次谐波和高次谐波，还能提高输出信号的标度因数。也就是输出信号端的阻抗由电阻加感抗的合成变成了纯电阻，阻抗降低了，相应提高了激磁端的电流I₁₀。

零位电压调节主要是降低正交分量，采取的方法是磁势移相法，在激磁线圈端并电阻R，用合适的电阻R同部分激磁线圈相并联，以改变部分激磁磁势的相位，使气隙中各股磁通的相位、幅值和它们的分布发生新的变化。这种变化使转子匝链的正、反磁通时间同相，从而差动后达到消除零位电压正交分量的目的；若并联电阻在激磁线圈的始端，使输出增大，则将并联电阻改在激磁线圈的末端必能能使零位电压减少。目前该方法已成功应用到该类型传感器零位调节上，使其零位满足指标要求。

Claims (2)

1.一种桶形动圈角度传感器，包括定子、转子和导磁环以及外部补偿电路，定子、转子和导磁环同轴、对中安装，定子包括定子磁芯、激磁线圈和接线板，转子包括输出线圈和线圈骨架，其特征在于：定子的激磁线圈串联并反接在定子磁芯的磁极上，经接线板上的接线柱引出，激磁线圈外接激励电源建立主磁场，经定子磁芯、工作气隙和导磁环构成闭环磁回路；转子的输出线圈串联并反接在线圈骨架上，转子处在工作气隙磁场中。

2.根据权利要求1所述的桶形动圈角度传感器，其特征在于：所述外部补偿电路的电路构成是：在传感器输出线圈两端并联一谐振滤波电容C，该电容C同输出线圈感抗对基波谐振，在激磁线圈端并联电阻R。

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