專利名稱：有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于磁懸浮陀螺儀技術領域，尤其是一種有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置。
背景技術：
在液浮陀螺儀中，較常使用液浮或寶石軸承的支承方式，該方式平衡了浮子的重力，但沒有完全消除寶石軸承和寶石眼之間的摩擦，干擾力矩依然較大，導致陀螺儀的精度無法大幅提高。隨著科技進步，磁懸浮技術正逐漸應用在陀螺儀中，其利用電磁力實現動子和定子之間的完全懸浮，消除了因摩擦產生的干擾力矩，但由于外界因素的影響，陀螺儀內的浮子還是會產生微小的位移，而微小位移的檢測依然會影響陀螺儀的精度，目前，微小位移的檢測裝置不是體積過于龐大，就是控制的效果不好，不利于陀螺儀精度的提高。

實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、體積小巧且靈敏度高、工作穩(wěn)定的有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置。本實用新型采取的技術方案是一種有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置，其特征在于包括軸向定環(huán)、徑向定環(huán)、軸向動片、徑向動片和動片位移電壓轉換模塊，兩個軸向定環(huán)分別同軸安裝在陀螺儀浮子上方和下方的陀螺儀內壁上，兩個徑向定環(huán)同軸安裝在陀螺儀內部側壁的上端和下端，兩個軸向動片分別安裝在陀螺儀浮子的上端和下端，該兩個軸向動片分別與同側的軸向定環(huán)間隔同軸設置，兩個徑向動片同軸套裝在陀螺儀浮子上端和下端的外緣，所述兩個徑向動片分別懸浮在兩個徑向定環(huán)內，每個徑向定環(huán)的內壁均布制出至少一個磁極對，每個徑向定環(huán)內所制磁極對的端部與相對位的徑向動片外緣間隔設置，所述軸向定環(huán)內同軸安裝激磁線圈，徑向定環(huán)中磁極對以及軸向定環(huán)上所裝的激磁線圈的端部均連接動片位移電壓轉換模塊。而且，所述磁極對包括在徑向定環(huán)內壁對稱制出的兩個磁極組件，每個磁極組件由兩個相鄰的直齒構成，在兩個直齒的外緣分別纏繞一個激磁線圈的兩端且該兩端繞線的方向相反。而且，所述徑向定環(huán)內壁所制磁極對為兩個，該兩個磁極對中的八個直齒對應的極性為NNSSNNSS。而且，所述動片位移電壓轉換模塊包括前置放大模塊和DSP模塊，(1)動片位移電壓轉換模塊與每個徑向定環(huán)激磁線圈的連接關系是前置放大模塊的輸入端連接徑向定環(huán)中每個磁極對中兩個激磁線圈的一端，該兩個激磁線圈的一端還分別連接DSP模塊的兩個輸入輸出接口和兩個電阻的一端，該兩個電阻的另一端分別連接變阻器的一端，該變阻器的動觸點連接電源，所述每個磁極對中兩個激磁線圈的另一端均接地，所述前置放大器模塊的輸出端連接DSP模塊的輸入輸出接口 ；[0011](2)動片位移電壓轉換模塊與每個軸向定環(huán)激磁線圈的連接關系是前置放大模塊的輸入端連接兩個軸向定環(huán)中所裝兩個激磁線圈的一端，該兩個激磁線圈的一端還分別連接DSP模塊的兩個輸入輸出接口和兩個電阻的一端，該兩個電阻的另一端分別連接變阻器的一端，該變阻器的動觸點連接電源，所述兩個激磁線圈的另一端均接地，所述前置放大器模塊的輸出端連接DSP模塊的輸入輸出接口。而且，所述與激磁線圈一端連接的電阻的阻值大于激磁線圈和電源的內阻。而且，所述前置放大器模塊使用差分放大器。本實用新型的優(yōu)點和積極效果是本實用新型結構簡單、體積小巧，不僅能夠檢測小于0. 1 μ m的位移信號，為控制器的設計提供精確的輸入量，而且能夠保證精確的功放電流輸出給執(zhí)行機構，在加力完成后電感線圈電流也能很快衰減，以保證下一個采樣周期的采樣精度。

圖1是本實用新型的主視圖；圖2是徑向定環(huán)和徑向動片之間的結構示意圖；圖3是軸向定環(huán)的結構示意圖；圖4是一個磁極對與動片位移電壓轉換模塊的連接示意圖；圖5是陀螺儀浮子位移與電壓的對照圖；圖6是陀螺儀浮子位移與位移相位的對照圖。
具體實施方式
下面結合實施例，對本實用新型進一步說明，下述實施例是說明性的，不是限定性的，不能以下述實施例來限定本實用新型的保護范圍。一種有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置，如圖1 6所示，本實用新型的創(chuàng)新在于包括兩個軸向定環(huán)5、徑向定環(huán)9、兩個軸向動片7、徑向動片8和動片位移電壓轉換模塊，兩個軸向定環(huán)分別同軸安裝在陀螺儀浮子10上方和下方的陀螺儀1內壁上，兩個徑向定環(huán)同軸安裝在陀螺儀內部側壁的上端和下端，徑向定環(huán)與陀螺儀浮子同軸安裝在陀螺儀內壁，兩個軸向動片分別安裝在陀螺儀浮子的上端和下端，該兩個軸向動片分別與同側的軸向定環(huán)間隔同軸設置，兩個徑向動片同軸套裝在陀螺儀浮子上端和下端的外緣。由于陀螺儀內放置有液體2，所以兩個徑向動片分別懸浮在相對位的徑向定環(huán)內， 每個徑向定環(huán)的內壁均布制出至少一個磁極對4，徑向定環(huán)內所制磁極對的端部與相對位的徑向動片外緣間隔設置，在每個磁極對上纏繞兩個徑向激磁線圈3，兩個軸向定環(huán)內均同軸安裝一個軸向激磁線圈6，兩個徑向定環(huán)中磁極對以及軸向定環(huán)上所裝的徑向激磁線圈和軸向激磁線圈的端部均連接動片位移電壓轉換模塊。本實施例中，磁極對包括在徑向定環(huán)內壁對稱制出的兩個磁極組件，每個磁極組件由兩個相鄰的直齒11構成，在兩個直齒的外緣分別纏繞一個徑向激磁線圈的兩端且該兩端繞線的方向相反。每個徑向定環(huán)所制磁極對如圖2所示，一個徑向定環(huán)上制出兩個磁極對，每磁極對由兩個磁極組件構成，兩個磁極對中的四個磁極組件分別是0-1和0-3、0-2和0-4，構成四個磁極組件的八個直齒對應的極性為NS — SN — NS — SN,整體極性的排列符合 NNSSNNSS，其主要目的是消除在不同磁路間的耦合作用，有利于微小位移的精確測量。軸向定環(huán)如圖3所示，其內同軸安裝一軸向激磁線圈。動片位移電壓轉換模塊與每個徑向定環(huán)中的兩個磁極對中所裝的徑向激磁線圈以及兩個軸向定環(huán)中的兩個軸向激磁線圈均連接，實際上，兩個軸向定環(huán)中的兩個激磁線圈相當于徑向定環(huán)上一個磁極對的功能。每個磁極對與動片位移電壓轉換模塊的連接均相同，下面以一個徑向定環(huán)上的由 0-2和0-4構成的磁極對上所纏繞的徑向激磁線圈為例進行說明。動片位移電壓轉換模塊如圖4所示，包括前置放大模塊和DSP模塊，前置放大模塊的輸入端分別連接一個磁極對中兩個徑向激磁線圈的一端，該兩個徑向激磁線圈的一端還分別連接DSP模塊的兩個輸出接口和兩個電阻Rb的一端，該兩個電阻Rb的另一端分別連接變阻器R的一端，該變阻器的動觸點連接電源U，兩個徑向激磁線圈的另一端均接地，前置放大器模塊的輸出端連接DSP模塊的輸入接口，前置放大器模塊使用差分放大器。動片位移電壓轉換模塊與每個軸向定環(huán)激磁線圈的連接關系是前置放大模塊的輸入端連接兩個軸向定環(huán)中所裝兩個激磁線圈的一端，該兩個激磁線圈的一端還分別連接DSP模塊的兩個輸入輸出接口和兩個電阻的一端，該兩個電阻的另一端分別連接變阻器的一端，該變阻器的動觸點連接電源，所述兩個激磁線圈的另一端均接地，所述前置放大器模塊的輸出端連接DSP模塊的輸入輸出接口本實用新型的工作原理是陀螺儀浮子發(fā)生微小位移時，會使其兩側的磁極對的電感發(fā)生變化，該電感的變化轉換為電壓信號并被DSP模塊接收，DSP模塊計算得到位移大小以及相位的數據，該數據可以經由DSP模塊處理并給出PWM輸出，控制磁極對繞組的電流大小，對陀螺儀浮子進行定中心調整。一個磁極對中的電感的計算公式如下
r 2Ν2μΑL1 =-—
go~x
τ 2Ν2μΑL2 =-—
go+x其中A為磁路橫截面積，N是繞組匝數，靜態(tài)基準氣隙，μ為空氣磁導率，μ = 0.4 π *10_6H/m，χ為懸浮元件相對于中心位置的位移。動片位移電壓轉換模塊中Rb阻值的選擇要求遠遠大于徑向激磁線圈或軸向激磁線圈的直流電阻以及電源的內阻，這樣限制了交流激磁電流，保證回路加力時只有很少的交流疊加在直流加力電流上，而且有效減小了電源內阻的影響，提高了信號的線性度，繞線采用粗導線，也是為了降低直流電阻，減小功耗。由于其他因素而導致陀螺儀浮子三心不重合，在模塊中加入了變阻器R，用以調整信號中心與力中心向機械中心靠近使得三心重合。 間隙g0的選擇嚴格根據結構設計要求來進行，它的選擇直接影響位移信號的靈敏度和線性度。最終得到的位移信號計算公式如下
權利要求1.一種有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置，其特征在于包括軸向定環(huán)、徑向定環(huán)、軸向動片、徑向動片和動片位移電壓轉換模塊，兩個軸向定環(huán)分別同軸安裝在陀螺儀浮子上方和下方的陀螺儀內壁上，兩個徑向定環(huán)同軸安裝在陀螺儀內部側壁的上端和下端，兩個軸向動片分別安裝在陀螺儀浮子的上端和下端，該兩個軸向動片分別與同側的軸向定環(huán)間隔同軸設置，兩個徑向動片同軸套裝在陀螺儀浮子上端和下端的外緣，所述兩個徑向動片分別懸浮在兩個徑向定環(huán)內，每個徑向定環(huán)的內壁均布制出至少一個磁極對，每個徑向定環(huán)內所制磁極對的端部與相對位的徑向動片外緣間隔設置，所述軸向定環(huán)內同軸安裝激磁線圈，徑向定環(huán)中磁極對以及軸向定環(huán)上所裝的激磁線圈的端部均連接動片位移電壓轉換模塊。
2.根據權利要求1所述的有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置，其特征在于所述磁極對包括在徑向定環(huán)內壁對稱制出的兩個磁極組件，每個磁極組件由兩個相鄰的直齒構成，在兩個直齒的外緣分別纏繞一個激磁線圈的兩端且該兩端繞線的方向相反。
3.根據權利要求1所述的有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置，其特征在于所述徑向定環(huán)內壁所制磁極對為兩個，該兩個磁極對中的八個直齒對應的極性為NNSSNNSS。
4.根據權利要求1或2或3所述的有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置，其特征在于所述動片位移電壓轉換模塊包括前置放大模塊和DSP模塊，(1)動片位移電壓轉換模塊與每個徑向定環(huán)激磁線圈的連接關系是前置放大模塊的輸入端連接徑向定環(huán)中每個磁極對中兩個激磁線圈的一端，該兩個激磁線圈的一端還分別連接DSP模塊的兩個輸入輸出接口和兩個電阻的一端，該兩個電阻的另一端分別連接變阻器的一端，該變阻器的動觸點連接電源，所述每個磁極對中兩個激磁線圈的另一端均接地，所述前置放大器模塊的輸出端連接DSP模塊的輸入輸出接口 ；(2)動片位移電壓轉換模塊與每個軸向定環(huán)激磁線圈的連接關系是前置放大模塊的輸入端連接兩個軸向定環(huán)中所裝兩個激磁線圈的一端，該兩個激磁線圈的一端還分別連接DSP模塊的兩個輸入輸出接口和兩個電阻的一端，該兩個電阻的另一端分別連接變阻器的一端，該變阻器的動觸點連接電源，所述兩個激磁線圈的另一端均接地，所述前置放大器模塊的輸出端連接DSP模塊的輸入輸出接口。
5.根據權利要求4所述的有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置，其特征在于所述與激磁線圈一端連接的電阻的阻值大于激磁線圈和電源的內阻。
6.根據權利要求4所述的有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置，其特征在于所述前置放大器模塊使用差分放大器。
專利摘要一種有源磁懸浮陀螺儀浮子微小位移檢測裝置，包括軸向定環(huán)、徑向定環(huán)、軸向動片、徑向動片和動片位移電壓轉換模塊。本實用新型結構簡單、體積小巧，不僅能夠檢測小于0.1μm的位移信號，為控制器的設計提供精確的輸入量，而且能夠保證精確的功放電流輸出給執(zhí)行機構，在加力完成后電感線圈電流也能很快衰減，以保證下一個采樣周期的采樣精度。
文檔編號G01C19/28GK202101673SQ20112013128
公開日2012年1月4日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權日2011年4月28日
發(fā)明者吳萌萌, 裴闖, 趙丙權, 齊國華 申請人:中國船舶重工集團公司第七○七研究所