CN202101673U

CN202101673U - 有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置

Info

Publication number: CN202101673U
Application number: CN2011201312854U
Authority: CN
Inventors: 赵丙权; 裴闯; 吴萌萌; 齐国华
Original assignee: 707th Research Institute of CSIC
Current assignee: 707th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2021-04-28

Abstract

一种有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置，包括轴向定环、径向定环、轴向动片、径向动片和动片位移电压转换模块。本实用新型结构简单、体积小巧，不仅能够检测小于0.1μm的位移信号，为控制器的设计提供精确的输入量，而且能够保证精确的功放电流输出给执行机构，在加力完成后电感线圈电流也能很快衰减，以保证下一个采样周期的采样精度。

Description

有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置

技术领域

本实用新型属于磁悬浮陀螺仪技术领域，尤其是一种有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置。

背景技术

在液浮陀螺仪中，较常使用液浮或宝石轴承的支承方式，该方式平衡了浮子的重力，但没有完全消除宝石轴承和宝石眼之间的摩擦，干扰力矩依然较大，导致陀螺仪的精度无法大幅提高。随着科技进步，磁悬浮技术正逐渐应用在陀螺仪中，其利用电磁力实现动子和定子之间的完全悬浮，消除了因摩擦产生的干扰力矩，但由于外界因素的影响，陀螺仪内的浮子还是会产生微小的位移，而微小位移的检测依然会影响陀螺仪的精度，目前，微小位移的检测装置不是体积过于庞大，就是控制的效果不好，不利于陀螺仪精度的提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积小巧且灵敏度高、工作稳定的有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置。

本实用新型采取的技术方案是：

一种有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置，其特征在于：包括轴向定环、径向定环、轴向动片、径向动片和动片位移电压转换模块，两个轴向定环分别同轴安装在陀螺仪浮子上方和下方的陀螺仪内壁上，两个径向定环同轴安装在陀螺仪内部侧壁的上端和下端，两个轴向动片分别安装在陀螺仪浮子的上端和下端，该两个轴向动片分别与同侧的轴向定环间隔同轴设置，两个径向动片同轴套装在陀螺仪浮子上端和下端的外缘，所述两个径向动片分别悬浮在两个径向定环内，每个径向定环的内壁均布制出至少一个磁极对，每个径向定环内所制磁极对的端部与相对位的径向动片外缘间隔设置，所述轴向定环内同轴安装激磁线圈，径向定环中磁极对以及轴向定环上所装的激磁线圈的端部均连接动片位移电压转换模块。

而且，所述磁极对包括在径向定环内壁对称制出的两个磁极组件，每个磁极组件由两个相邻的直齿构成，在两个直齿的外缘分别缠绕一个激磁线圈的两端且该两端绕线的方向相反。

而且，所述径向定环内壁所制磁极对为两个，该两个磁极对中的八个直齿对应的极性为NNSSNNSS。

而且，所述动片位移电压转换模块包括前置放大模块和DSP模块，

(1)动片位移电压转换模块与每个径向定环激磁线圈的连接关系是：

前置放大模块的输入端连接径向定环中每个磁极对中两个激磁线圈的一端，该两个激磁线圈的一端还分别连接DSP模块的两个输入输出接口和两个电阻的一端，该两个电阻的另一端分别连接变阻器的一端，该变阻器的动触点连接电源，所述每个磁极对中两个激磁线圈的另一端均接地，所述前置放大器模块的输出端连接DSP模块的输入输出接口；

(2)动片位移电压转换模块与每个轴向定环激磁线圈的连接关系是：

前置放大模块的输入端连接两个轴向定环中所装两个激磁线圈的一端，该两个激磁线圈的一端还分别连接DSP模块的两个输入输出接口和两个电阻的一端，该两个电阻的另一端分别连接变阻器的一端，该变阻器的动触点连接电源，所述两个激磁线圈的另一端均接地，所述前置放大器模块的输出端连接DSP模块的输入输出接口。

而且，所述与激磁线圈一端连接的电阻的阻值大于激磁线圈和电源的内阻。

而且，所述前置放大器模块使用差分放大器。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型结构简单、体积小巧，不仅能够检测小于0.1μm的位移信号，为控制器的设计提供精确的输入量，而且能够保证精确的功放电流输出给执行机构，在加力完成后电感线圈电流也能很快衰减，以保证下一个采样周期的采样精度。

附图说明

图1是本实用新型的主视图；

图2是径向定环和径向动片之间的结构示意图；

图3是轴向定环的结构示意图；

图4是一个磁极对与动片位移电压转换模块的连接示意图；

图5是陀螺仪浮子位移与电压的对照图；

图6是陀螺仪浮子位移与位移相位的对照图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本实用新型的保护范围。

一种有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置，如图1～6所示，本实用新型的创新在于：包括两个轴向定环5、径向定环9、两个轴向动片7、径向动片8和动片位移电压转换模块，两个轴向定环分别同轴安装在陀螺仪浮子10上方和下方的陀螺仪1内壁上，两个径向定环同轴安装在陀螺仪内部侧壁的上端和下端，径向定环与陀螺仪浮子同轴安装在陀螺仪内壁，两个轴向动片分别安装在陀螺仪浮子的上端和下端，该两个轴向动片分别与同侧的轴向定环间隔同轴设置，两个径向动片同轴套装在陀螺仪浮子上端和下端的外缘。

由于陀螺仪内放置有液体2，所以两个径向动片分别悬浮在相对位的径向定环内，每个径向定环的内壁均布制出至少一个磁极对4，径向定环内所制磁极对的端部与相对位的径向动片外缘间隔设置，在每个磁极对上缠绕两个径向激磁线圈3，两个轴向定环内均同轴安装一个轴向激磁线圈6，两个径向定环中磁极对以及轴向定环上所装的径向激磁线圈和轴向激磁线圈的端部均连接动片位移电压转换模块。

本实施例中，磁极对包括在径向定环内壁对称制出的两个磁极组件，每个磁极组件由两个相邻的直齿11构成，在两个直齿的外缘分别缠绕一个径向激磁线圈的两端且该两端绕线的方向相反。

每个径向定环所制磁极对如图2所示，一个径向定环上制出两个磁极对，每磁极对由两个磁极组件构成，两个磁极对中的四个磁极组件分别是0-1和0-3、0-2和0-4，构成四个磁极组件的八个直齿对应的极性为NS→SN→NS→SN，整体极性的排列符合NNSSNNSS，其主要目的是消除在不同磁路间的耦合作用，有利于微小位移的精确测量。轴向定环如图3所示，其内同轴安装一轴向激磁线圈。

动片位移电压转换模块与每个径向定环中的两个磁极对中所装的径向激磁线圈以及两个轴向定环中的两个轴向激磁线圈均连接，实际上，两个轴向定环中的两个激磁线圈相当于径向定环上一个磁极对的功能。

每个磁极对与动片位移电压转换模块的连接均相同，下面以一个径向定环上的由0-2和0-4构成的磁极对上所缠绕的径向激磁线圈为例进行说明。动片位移电压转换模块如图4所示，包括前置放大模块和DSP模块，前置放大模块的输入端分别连接一个磁极对中两个径向激磁线圈的一端，该两个径向激磁线圈的一端还分别连接DSP模块的两个输出接口和两个电阻Rb的一端，该两个电阻Rb的另一端分别连接变阻器R的一端，该变阻器的动触点连接电源U，两个径向激磁线圈的另一端均接地，前置放大器模块的输出端连接DSP模块的输入接口，前置放大器模块使用差分放大器。

动片位移电压转换模块与每个轴向定环激磁线圈的连接关系是：

前置放大模块的输入端连接两个轴向定环中所装两个激磁线圈的一端，该两个激磁线圈的一端还分别连接DSP模块的两个输入输出接口和两个电阻的一端，该两个电阻的另一端分别连接变阻器的一端，该变阻器的动触点连接电源，所述两个激磁线圈的另一端均接地，所述前置放大器模块的输出端连接DSP模块的输入输出接口

本实用新型的工作原理是：

陀螺仪浮子发生微小位移时，会使其两侧的磁极对的电感发生变化，该电感的变化转换为电压信号并被DSP模块接收，DSP模块计算得到位移大小以及相位的数据，该数据可以经由DSP模块处理并给出PWM输出，控制磁极对绕组的电流大小，对陀螺仪浮子进行定中心调整。

一个磁极对中的电感的计算公式如下：

L_{1} = \frac{{2 N}^{2} μA}{g_{0} - x}

L_{2} = \frac{{2 N}^{2} μA}{g_{0} + x}

其中：

A为磁路横截面积，N是绕组匝数，g₀静态基准气隙，μ为空气磁导率，μ＝0.4π*10^-6H/m，x为悬浮元件相对于中心位置的位移。

动片位移电压转换模块中Rb阻值的选择要求远远大于径向激磁线圈或轴向激磁线圈的直流电阻以及电源的内阻，这样限制了交流激磁电流，保证回路加力时只有很少的交流叠加在直流加力电流上，而且有效减小了电源内阻的影响，提高了信号的线性度，绕线采用粗导线，也是为了降低直流电阻，减小功耗。由于其他因素而导致陀螺仪浮子三心不重合，在模块中加入了变阻器R，用以调整信号中心与力中心向机械中心靠近使得三心重合。间隙g₀的选择严格根据结构设计要求来进行，它的选择直接影响位移信号的灵敏度和线性度。最终得到的位移信号计算公式如下：

其中：

U为9600HZ，5V交流电压源，

为电源频率，R为电感桥路总电阻。

经过测量，陀螺仪浮子位移和信号电压大小关系图线如图5、6所示。

Claims

1.一种有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置，其特征在于：包括轴向定环、径向定环、轴向动片、径向动片和动片位移电压转换模块，两个轴向定环分别同轴安装在陀螺仪浮子上方和下方的陀螺仪内壁上，两个径向定环同轴安装在陀螺仪内部侧壁的上端和下端，两个轴向动片分别安装在陀螺仪浮子的上端和下端，该两个轴向动片分别与同侧的轴向定环间隔同轴设置，两个径向动片同轴套装在陀螺仪浮子上端和下端的外缘，所述两个径向动片分别悬浮在两个径向定环内，每个径向定环的内壁均布制出至少一个磁极对，每个径向定环内所制磁极对的端部与相对位的径向动片外缘间隔设置，所述轴向定环内同轴安装激磁线圈，径向定环中磁极对以及轴向定环上所装的激磁线圈的端部均连接动片位移电压转换模块。

2.根据权利要求1所述的有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置，其特征在于：所述磁极对包括在径向定环内壁对称制出的两个磁极组件，每个磁极组件由两个相邻的直齿构成，在两个直齿的外缘分别缠绕一个激磁线圈的两端且该两端绕线的方向相反。

3.根据权利要求1所述的有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置，其特征在于：所述径向定环内壁所制磁极对为两个，该两个磁极对中的八个直齿对应的极性为NNSSNNSS。

4.根据权利要求1或2或3所述的有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置，其特征在于：所述动片位移电压转换模块包括前置放大模块和DSP模块，

5.根据权利要求4所述的有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置，其特征在于：所述与激磁线圈一端连接的电阻的阻值大于激磁线圈和电源的内阻。

6.根据权利要求4所述的有源磁悬浮陀螺仪浮子微小位移检测装置，其特征在于：所述前置放大器模块使用差分放大器。