CN211262251U - 三浮陀螺仪用传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种传感器，具体涉及一种三浮陀螺仪用传感器，解决现有动圈式传感器装置存在的传感器转子渗油及传感器磁路不对称的问题，传感器转子包括转子支架、转子线圈及转子灌封胶层；转子支架为环形支架，沿环形支架外周面的周向开设环形凹槽，凹槽的一个侧壁为台阶面；转子线圈绕制在凹槽小端内；灌封胶沿转子线圈的外周面浇注在凹槽大端内，形成转子灌封胶层；灌封胶层的第一端面紧贴凹槽大端端面，灌封胶层的第二端面与转子支架的端面平齐；传感器定子包括内导磁环与多个磁极，多个磁极与内导磁环为一体设置。通过对传感器结构优化，陀螺质心不再以一定斜率趋势斜飘，陀螺精度及可靠性得以保证。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种传感器，具体涉及一种三浮陀螺仪用传感器。
背景技术
三浮陀螺由于其小体积、高精度、高可靠性等优点目前主要用于空间卫星、远海定位及高精度武器系统等领域。据称目前世界上精度最高三浮陀螺随机漂移可达1.5×10-7°/h，系统稳定运行时间可达1.0×104h。经过数十年发展，国内三浮陀螺取得了一系列成就，其精度据说已达5.0×10-5°/h。相比于光纤陀螺、激光陀螺、半球谐振陀螺等较为新兴陀螺相比，在市场、精度及工程实际方面仍具有优势。但是近几年国内三浮陀螺发展较为缓慢，除了陀螺精度因素以外，可靠性问题也是制约陀螺发展的主要因素，比如三浮陀螺传感器转子渗油问题。
三浮陀螺属于单自由度积分陀螺，陀螺闭路正常工作时浮子经常处于零位附近，工作角度极小，这就要求传感器零位死区越小、自身有害干扰力矩越低，传感器性能越好，陀螺精度也就越高。目前三浮陀螺传感器主要分为微动同步器式传感器、短路匝传感器及动圈式传感器。微动同步器式传感器转子同轴度要求极高，基本在微米级，加工十分困难且存在径向磁拉力及切向磁拉力，会导致陀螺整体随机漂移较大；短路匝传感器灵敏度较低，装配工艺要求高工程实现十分复杂，难度很高。动圈式传感器相对于前两种传感器零位死区小、自身干扰力矩低，工程实现方便且与信号执行机构配合使用时可以与信号执行机构做成基本一样的结构，这样使得陀螺整体对称性好，对于高精度陀螺各种近乎苛刻参数性能至关重要。
三浮陀螺仪的结构示意图如图1所示，动圈式传感器结构装配示意图如图2a与图2b所示，陀螺浮子一般采用圆柱形结构形式，由图2b可以看到外导磁环5、定子7与陀螺端盖23粘接在一起固定不动，传感器转子6粘接在浮子框架22上。当陀螺浮子相对于陀螺端盖发生角位移时，传感器通过电磁感应原理将机械角位移转化成交流电信号，进而通过控制电路最终反馈到执行单元，由力矩器完成陀螺浮子绕输出轴角位移的反向校正。因此传感器转子一旦发生渗油现象会直接导致陀螺浮子质心发生变化，传感器及力矩器控制单元并不会对浮子质心变化进行相应补偿，陀螺零次项参数输出会沿着某一斜率发生斜飘，最终导致陀螺精度变差甚至丧失精度功能。
如图3a、图3b与图4所示，现有动圈式传感器转子由转子铝支架10、转子线圈11、转子接线片12及转子灌封胶层8等共同组成。转子铝支架10为环形支架，沿其外周面的周向开设环形凹槽，转子线圈11沿凹槽的底部绕制在环形支架上，并通过线圈粘接胶9粘接，之后沿转子线圈11的外周面浇注灌封胶形成转子灌封胶层8。
如图8所示，现有动圈式传感器定子7采取8个磁极与内导磁环粘接方式，粘接要求两两相邻磁极角分误差小于等于10′，粘接精度由工装保证。粘接好后在8个磁极分别套上8个定子线圈然后将整个组件封装在灌封胶内。灌封胶作用是保证定、转子不变形机械参数稳定。
现有动圈式传感器装置主要不足有以下几方面：
1)动圈式传感器转子在粘接转子线圈时不可避免的在转子支架与灌封胶层之间残留少量线圈粘接胶，粘接胶处理不当会伤及线圈造成线圈无阻值，这就造成粘接胶无法100％被清除。当转子铝支架与灌封胶之间有残余的粘接胶时，由于三者热膨胀系数不同，传感器转子在陀螺经历各种环境试验后，可能会在三者接触面出现显微镜都无法识别的微小隙缝，陀螺氟油会深入其中，结果在线圈粘接胶处发生陀螺传感器转子渗油现象，在第一转子渗油点14与第二转子渗油点15处渗油；传感器转子渗油转子质量变化几乎毫克级甚至亚毫克级，只能通过陀螺长时间测试过程中参数变化进行识别，测试识别过程可能长达几个月甚至几年，这也是三浮陀螺传感器转子抑制渗油的难点所在。
2)动圈式传感器工作频率很高可达几千甚至上万赫兹，转子铝支架会产生涡流，涡流会增大传感器零位电压，导致传感器零位死区变大，这对于工作在零位附近的陀螺来说是不被允许的，必须对转子支架进行降涡流工艺处理。如图3b中的转子支架降涡流处理13，传感器降涡流处理本质是将铝支架进行分段，将整个支架分为数个部分，将整个涡流“化整为零”最终达到降低涡流的目的。但是在降涡流处理过程中将铝支架进行分段又会重新带来粘接胶、转子支架及灌封胶接触面的渗油问题。
3)传感器定子8个磁极与内导磁环采用胶接工艺，角分精度主要靠工装保证，角分精度误差在±10′左右。这就使得传感器定子、转子、外导磁环之间产生不可避免的磁路不对称情况，间接增加了传感器零位电压。
实用新型内容
为了解决现有动圈式传感器装置存在的传感器转子渗油及传感器磁路不对称的问题，本实用新型提供一种三浮陀螺仪用传感器，通过优化传感器转子结构解决三浮陀螺传感器转子渗油问题，通过优化传感器定子结构解决磁路不对称的问题。
本实用新型的技术解决方案是提供一种三浮陀螺仪用传感器，包括由外向内依次同轴设置的外导磁环、传感器转子及传感器定子；
其特殊之处在于：
上述传感器转子包括转子支架、转子线圈、转子接线片及转子灌封胶层；上述转子支架为环形支架，沿环形支架外周面的周向开设环形凹槽，上述凹槽的一个侧壁为台阶面；
上述转子线圈沿凹槽的底部周向绕制在凹槽小端内，并通过线圈粘接胶粘接；灌封胶沿转子线圈的外周面浇注在凹槽大端内，形成转子灌封胶层；灌封胶层的第一端面紧贴凹槽大端端面，灌封胶层的第二端面与转子支架的端面平齐；
上述传感器定子包括内导磁环与多个磁极，上述多个磁极与内导磁环为一体设置。
进一步地，为了解决涡流问题，上述转子支架的材料采用可加工陶瓷材料。
进一步地，上述可加工陶瓷材料为氧化锆陶瓷材料。
进一步地，为了降低了传感器自身干扰力矩，沿转子灌封胶层外周面开设四个凹槽，上述四个凹槽的长度方向沿传感器转子的轴向方向，且四个凹槽关于传感器转子中心呈中心对称；上述转子接线片放置在其中两个凹槽内。
本实用新型的有益效果是：
1)本实用新型通过对传感器转子结构优化，主要解决了三浮陀螺传感器转子渗油问题，陀螺质心不再以一定斜率趋势斜飘，陀螺精度及可靠性得以保证；
2)本实用新型将传感器转子支架材料更换为可加工陶瓷材料，解决了传感器涡流问题带来的零位死区大问题；利用陶瓷材料高电阻率的特性，解决涡流问题，不需要对支架进行降涡流处理，结构简单稳定；
3)本实用新型通过进一步优化传感器转子支架材料，使用氧化锆陶瓷材料替代可加工陶瓷材料支架，解决了由可加工陶瓷支架与陀螺浮子框架热膨胀系数不匹配而带来的传感器自身有害干扰力矩变大及转子支架开裂、变椭问题；使得转子不易变形及开裂；
4)本实用新型通过传感器转子对称性设计进一步降低了传感器自身干扰力矩；
5)本实用新型通过传感器定子结构对称性优化改进减小了装配误差。在对三浮陀螺传感器本身外部尺寸不改变的情况下，通过以上改进措施使得改进后传感器零位死区降低了20％，传感器干扰力矩降低了30％，传感器整体性能整体得到明显改善。
附图说明
图1为三浮陀螺结构示意图；
图2a为现有技术三浮陀螺传感器的主视图；
图2b为现有技术三浮陀螺传感器的剖视图；
图3a为现有技术传感器转子结构主视图；
图3b为现有技术传感器转子结构剖视图；
图4为现有技术传感器转子局部放大及转子渗油点结构示意图；
图5为本实用新型传感器结构主视图；
图6为本实用新型传感器结构剖视图；
图7a为本实用新型传感器转子结构主视图；
图7b为本实用新型传感器转子结构剖视图；
图7c为图7b中Ⅱ的放大图；
图7d为图7b中Ⅲ的放大图；
图8为现有技术传感器定子结构示意图；
图9为本实用新型传感器定子结构示意图；
图10a为本实用新型优化后传感器转子结构主视图；
图10b为本实用新型优化后传感器转子结构剖视图。
图中附图标记为：1-传感器，2-径向磁悬浮，3-轴向磁悬浮，4-力矩器；
5-外导磁环，6-传感器转子，7-传感器定子；
8-转子灌封胶层，81-灌封胶层的第一端面，82-凹槽大端端面，83-灌封胶层的第二端面，84-转子支架的端面；9-线圈粘接胶，10-转子铝支架，11-转子线圈，12-转子接线片，13-转子支架降涡流处理，14-第一转子渗油点，15-第二转子渗油点；
16-转子支架；
17-定子灌封胶层，18-磁极，19-定子线圈，20-内导磁环，21-凹槽；
22-陀螺浮子框架，23-陀螺端盖。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本实用新型做进一步地描述。
如图5与图6所示，本实用新型三浮陀螺仪用传感器结构由外向内依次同轴设置外导磁环5、传感器转子6、传感器定子7，三者共同组成敏感浮子相对于陀螺端盖的角位移传感系统。外导磁环5、传感器定子7与陀螺端盖23粘接在一起固定不动，传感器转子6粘接在浮子框架上。
本实用新型传感器转子包括1个转子支架16、4个转子线圈11、2个接线片12及转子灌封胶层8等零件及辅助物品；定子包括1个内导磁环20、8个定子磁极、8个定子线圈19及定子灌封胶层17等零件及辅助物品。
本实用新型针对传感器转子存在渗油现象，对转子支架结构进行了设计优化。改进后的传感器转子见图7a、图7b、图7c及图7d，包括转子支架16、转子线圈11、转子接线片12及转子灌封胶层8；转子支架16为环形支架，沿环形支架外周面的周向开设环形凹槽，环形凹槽其中一个侧壁为台阶面，见图7d；另一个侧壁的高度与所述一个侧壁小端高度相同，见图7b；转子线圈11沿凹槽的底部周向绕制在凹槽小端内，并通过线圈粘接胶9粘接；灌封胶沿转子线圈的外周面浇注在凹槽大端内，形成转子灌封胶层8，从图中可以看出，灌封胶层的第一端面81与环形凹槽大端端面82紧贴，灌封胶层的第二端面83与转子支架的端面84平齐。结构改进后线圈粘接胶被深埋在灌封胶与支架接触面内，原转子渗油处接触面变成支架与灌封胶直接接触，由于转子支架与灌封胶热膨胀系数相对于粘接胶来说要小得多，经历环境试验不易出现微小的缝隙，因此由采用此种方法从根源上解决了线圈粘接胶污染灌封胶及支架受力面导致转子渗油问题。
本实用新型针对传感器转子铝支架降涡流工艺导致转子渗油问题，对转子支架材料进行了设计优化。转子支架材料采用可加工陶瓷材料替代铝材料。由于陶瓷材料电阻率高，可达1.2×1014Ω·cm，采用可加工陶瓷材料作为转子支架后由于支架不导电因此可解决转子涡流问题，即不再需要对支架降涡流工艺处理，进而解决降涡流工艺带来的转子渗油问题，见图7a、图7b及图7c。还可以将传感器转子材料由可加工陶瓷材料替换成氧化锆陶瓷材料。氧化锆陶瓷材料有以下突出优点：
a)氧化锆陶瓷材料硬度、抗弯强度、抗压强度更高；
传感器转子支架为薄壁件，壁厚基本在0.2～0.3mm左右，可加工陶瓷材料的转子支架在加工时会出现开裂及形位公差变差情况。若采用氧化锆陶瓷材料，由于材料本身硬度、抗弯强度、抗压强度更高，使得开裂、变形问题得到明显改善。
b)氧化锆陶瓷材料热膨胀系数与陀螺浮子框架热膨胀系数更匹配；
相较于可加工陶瓷材料的热膨胀系数7.5×10-6/℃而言，氧化锆陶瓷材料热膨胀系数为1.0×10-5/℃。而陀螺浮子框架热膨胀系数在1.16×10-5/℃，氧化锆陶瓷材料与浮子框架材料几乎相等。当受到相同外界环境变化，氧化锆陶瓷材料传感器转子与陀螺浮子所收外应力基本一致，传感器有害干扰力矩会有所减少。
本实用新型针对传感器定子磁极与内导磁环采用胶接工艺导致磁路不对称问题，优化传感器定子结构，采用新的工艺技术将传感器定子磁极18与内导磁环20结合直接机械加工成为一体，如图9。
定子铁芯材料为软磁铁氧体材料，由于材料本身特性，对应力特别敏感，在加工时极其容易掉渣。因此传统工艺是把定子铁芯分成几个不同的容易加工的部分，然后再进行粘接，这就使得传感器定子、转子、外导磁环之间产生不可避免的磁路不对称情况，间接增加了传感器零位电压，
随着铁氧体材料制备及加工工艺发展，目前采用热等静压工艺制备铁氧体。因此本实用新型首先利用热等静压工艺制备铁氧体，使得烧制出来的定子铁氧体密度更大，铁氧体分子间距更小，对外界应力不敏感；然后将铁氧体进行机加，加工到余量尺寸改成研磨，通过慢慢研磨定子铁芯可以控制加工应力，使得铁氧体不容易掉渣，合格率很高。目前来说新的机械加工工艺精度可以做到铁氧体零件加工角分误差在±3′左右。采用此方法后传感器定子装配误差精度提高为原来3倍，大大提到磁路对称性，降低了传感器零位死区。
传感器转子6有两个转子接线片12零件作为电源与线圈导通的物理媒介。为此传感器转子6不得不设计两处凹槽进行接线片的放置。这样使得传感器转子径向结构不对称，对于三浮陀螺高精度惯性器件来说会导致额外有害的干扰力矩。因此本实用新型将传感器转子凹槽由两处变为四处，具体结构见图10a及图10b，即还包括两个凹槽21。虽然只实现两个接线片的功能，但是优化后的传感器转子结构中心对称，对于陀螺有害干扰力矩又有进一步的抑制作用。
Claims (4)
1.一种三浮陀螺仪用传感器，包括由外向内依次同轴设置的外导磁环(5)、传感器转子(6)及传感器定子(7)；
其特征在于：
所述传感器转子(6)包括转子支架(16)、转子线圈(11)、转子接线片(12)及转子灌封胶层(8)；所述转子支架(16)为环形支架，沿环形支架外周面的周向开设环形凹槽，所述凹槽的一个侧壁为台阶面；
所述转子线圈(11)沿凹槽的底部周向绕制在凹槽小端内，并通过线圈粘接胶(9)粘接；灌封胶沿转子线圈(11)的外周面浇注在凹槽大端内，形成转子灌封胶层(8)；灌封胶层的第一端面(81)紧贴凹槽大端端面(82)，灌封胶层的第二端面(83)与转子支架的端面(84)平齐；
所述传感器定子(7)包括内导磁环(20)与多个磁极(18)，所述多个磁极(18)与内导磁环(20)为一体设置。
2.根据权利要求1所述的三浮陀螺仪用传感器，其特征在于：所述转子支架(16)的材料采用可加工陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述的三浮陀螺仪用传感器，其特征在于：所述可加工陶瓷材料为氧化锆陶瓷材料。
4.根据权利要求1-3任一所述的三浮陀螺仪用传感器，其特征在于：沿转子灌封胶层(8)外周面开设四个凹槽，所述四个凹槽的长度方向沿传感器转子(6)的轴向方向，且四个凹槽关于传感器转子(6)中心呈中心对称；所述转子接线片(12)放置在其中两个凹槽内。
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| CN110926443B (zh) * | 2019-12-10 | 2024-01-09 | 西安航天精密机电研究所 | 三浮陀螺仪用传感器及其定子制备工艺 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20200814 Effective date of abandoning: 20240109 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
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