專利名稱：桶形動圈角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于儀器儀表領(lǐng)域，涉及陀螺儀、加速度計(jì)等"指零"慣性 測量元件，特別是一種在小角度范圍內(nèi)高靈敏度、高線性度、低閾值和低電 磁干擾力矩的桶形動圈角度傳感器。
背景技術(shù)：
角度傳感器是將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成同這個轉(zhuǎn)角相對應(yīng)電信號的電氣元件， 目前完成這一功能的角度傳感器包括微動同步器、環(huán)行同位器、旋轉(zhuǎn)變壓 器、電感傳感器、電容傳感器、動圈傳感器等，不同傳感器的工作原理其靈 敏度、線性度和最小閾值、零位電壓及電磁干擾力矩差別很大。XXX陀螺儀 和加速度計(jì)等"指零"慣性測量元件對角度傳感器的要求是1)高靈敏度， 對<1〃的角度變化能敏感；2)高線性度，在3°角度范圍內(nèi)線性度<1%; 3) 低閾值，傳感器非靈敏區(qū)〈1" ; 4)輸出零位電壓〈0.3mV; 5)電磁干擾力矩 對陀螺儀、加速度計(jì)的影響〈2xl(TN m (約0.02mg cm)。針對上述技術(shù)指 標(biāo)及陀螺儀、加速度計(jì)結(jié)構(gòu)體積、環(huán)境的限制，最適合用的角度傳感器為動 圈傳感器，目前該角度傳感器己成功應(yīng)用到多種型號陀螺儀及加速度計(jì)中。 但該傳感器對材料特性及結(jié)構(gòu)編制有特殊要求，而且必須同時(shí)加外部補(bǔ)償措 施才能滿足上述指標(biāo)要求。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種高靈敏度、高線性度、低閾值和低電磁干 擾力矩的桶形動圈角度傳感器。
本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的-
一種桶形動圈角度傳感器，包括定子、轉(zhuǎn)子和導(dǎo)磁環(huán)以及外部補(bǔ)償電路， 定子、轉(zhuǎn)子和導(dǎo)磁環(huán)同軸、對中安裝，定子包括定子磁芯、激磁線圈和接線 板，轉(zhuǎn)子包括輸出線圈和線圈骨架，其特征在于定子的激磁線圈串聯(lián)并反 接在定子磁芯的磁極上，經(jīng)接線板上的接線柱引出，激磁線圈外接激勵電源 建立主磁場，經(jīng)定子磁芯、工作氣隙和導(dǎo)磁環(huán)構(gòu)成閉環(huán)磁回路；轉(zhuǎn)子的輸出 線圈串聯(lián)并反接在線圈骨架上，轉(zhuǎn)子處在工作氣隙磁場中。
而且，所述外部補(bǔ)償電路的電路構(gòu)成是在傳感器輸出線圈兩端并聯(lián)一 諧振濾波電容C，該電容C同輸出線圈感抗對基波諧振，在激磁線圈端并聯(lián) 電阻R。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本桶形動圈角度傳感器整體結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，是一種在小角度 范圍內(nèi)高靈敏度、高線性度、低閾值和低電磁干擾力矩的角度傳感器。

圖1是本實(shí)用新型桶形動圈角度傳感器立體結(jié)構(gòu)圖2是圖1定子和導(dǎo)磁環(huán)的正面示意圖3是圖1轉(zhuǎn)子的立體結(jié)構(gòu)示意圖4為本實(shí)用新型外部補(bǔ)償電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖、通過具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述。以下實(shí)施 例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。 本實(shí)用新型以定子磁芯為四極結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行敘述。
一種桶形動圈角度傳感器，其裝配圖參見圖1，包括定子l、轉(zhuǎn)子2和導(dǎo) 磁環(huán)3，定子、轉(zhuǎn)子和導(dǎo)磁環(huán)同軸、對中安裝。定子包括定子磁芯5、激磁線 圈6和接線板4 (見圖2)。激磁線圈沿周向均布(本實(shí)施例為四個)串聯(lián)反 接在定子磁芯的磁極上，并由接線板上的接線柱引出。激磁線圈外接激勵電 源(沒有示出)以建立工作主磁場，經(jīng)定子磁芯、工作氣隙7和導(dǎo)磁環(huán)構(gòu)成 閉環(huán)磁回路。轉(zhuǎn)子包括輸出線圈8和線圈骨架9 (見圖3)，輸出線圈串聯(lián)反 接在線圈骨架上。轉(zhuǎn)子處在工作氣隙磁場中，敏感轉(zhuǎn)子隨角度變化產(chǎn)生的磁 通變化。轉(zhuǎn)子要求不含鐵磁性雜質(zhì)，以防止渦流對靈敏度的影響。傳感器的 "零位"位置使定子的激磁線圈對中輸出線圈。從幾何結(jié)構(gòu)上使定子磁芯磁 極對中輸出線圈的軸向邊(見圖1)。
依據(jù)結(jié)構(gòu)體積限制和角度傳感器標(biāo)度因數(shù)的要求，定子的磁芯又分為4 極、8極和12極結(jié)構(gòu)。極數(shù)越多傳感器標(biāo)度因數(shù)越大，但傳感器敏感的角度 范圍越小。若4極傳感器標(biāo)度因數(shù)為K2，最大敏感角度為45° ， 8極和12 極標(biāo)度因數(shù)為2&和3K2，最大敏感角度為22.5°和15° 。其傳感器空載輸 出特性為-
t/01 =《s .sin(尸a) = 4《『2."/10 sin(尸a) (1)
在小角度范圍內(nèi)空載輸出特性為
f/02 = ^s .尸a = 4尸c;P^PF2 〃。."/10" (2) 式中尸-極對數(shù)(以2極為一單位，戶=1為2極，尸=2為4極……)；
C7-圓頻率，^7 = 2<， /-傳感器激磁源頻率；
% -定子激磁線圈匝數(shù)；
^-轉(zhuǎn)子輸出線圈匝數(shù)；
4/7、 r、 5-定子磁芯軸向長度、輸出線圈作用半徑、工作氣隙間隙；
/,。-激磁線圈激磁電流；
a-敏感角度。
動圈傳感器因轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通常工作氣隙比較大。定子磁芯磁感應(yīng) 強(qiáng)度B值不高，定子磁芯工作磁場比較弱，因此要求定子磁芯材料有較高的 初始磁導(dǎo)率、大的電阻率。從公式(1)和(2)可以看出，激磁頻率與輸出 特性成正比。為提高標(biāo)度因數(shù)，激磁頻率通常采用幾十千赫茲。這樣對定子 磁芯材料還要求具有小的鐵損耗和小的渦流影響。因此在材料選擇上是實(shí)現(xiàn) 上述指標(biāo)的關(guān)鍵。目前滿足這一需求的材料有錳鋅燒結(jié)鐵氧體、熱等靜壓 鐵氧體和非晶軟磁合金、鐵鎳軟磁合金(棒)等。用上述四種材料先后都做 了4極定子磁芯和導(dǎo)磁環(huán)試驗(yàn)件，其前三種傳感器性能較佳，都達(dá)到了指標(biāo) 要求。而鐵鎳軟磁合金標(biāo)度因數(shù)相對低、零位大。四種材料對使用環(huán)境、加 工特性還是有區(qū)別的。錳鋅燒結(jié)鐵氧體材質(zhì)疏松、致密性差。加工、裝配易 掉碴，浸在油液里易吸附。熱等靜壓鐵氧體材質(zhì)相對致密，但材料制作難度 大。非晶軟磁合金是一種新材料，它克服了鐵氧體的缺陷，但加工受到局P艮，
因采用的是特殊工藝將很薄(0. 02mm)的非晶合金熱燒壓接而成所需的厚度， 再線切割完成零件結(jié)構(gòu)。鐵鎳軟磁合金加工性能好，但渦流影響大。
轉(zhuǎn)子的功能是輸出線圈敏感交流磁場的變化，但輸出線圈為薄圓弧結(jié)構(gòu)， 本身不能獨(dú)立處在工作磁場中，需借助骨架將其定位滿足激磁線圈與輸出線 圈對中要求。骨架要求為非鐵磁性和非導(dǎo)電性材料；又因骨架為薄壁零件， 要求尺寸穩(wěn)定，因此材料可供選擇的有三氧化二鋁陶瓷、微晶玻璃、聚砜 和聚苯硫醚等。前三種材料先后做了與4極定子磁芯結(jié)構(gòu)對應(yīng)的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)件， 其中三氧化二鋁性能最佳，微晶玻璃易出粉末不宜清洗，聚砜結(jié)構(gòu)零件變形 大。
導(dǎo)磁環(huán)結(jié)構(gòu)簡便為一薄圓環(huán)結(jié)構(gòu)，材料選擇同定子磁芯。
圖4為四極定子磁芯結(jié)構(gòu)角度傳感器的外部補(bǔ)償電路原理圖。JC,-JU為
串聯(lián)反接激磁線圈，Us為激磁電源，Js為激磁線圈始端，Jw為激磁線圈末端，
Jz為激磁線圈中心端；SC「SC4為串聯(lián)反接輸出線圈，U。為傳感器輸出，Ss為 輸出線圈始端，Sw為輸出線圈末端，C為串聯(lián)諧振濾波電容，R為零位補(bǔ)償電 阻。動圈角度傳感器從工作原理上是電磁感應(yīng)元件，利用差動信號來敏感角 度變化。在結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)完全對稱的情況下，傳感器輸出為零。但在實(shí)際 加工、材料均勻特性上，結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)不可能完全一致對稱，如磁極棱邊 有缺損、磁極表面不平行、定子磁芯材料特性不均勻、線圈匝數(shù)尺寸不一致 等，造成定子磁芯各極均有不同程度的渦流損耗和磁滯損耗，因而使定子磁 芯各極的磁通相對各級激磁磁勢具有不同的損耗角。另外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的位置、電氣參數(shù)的不對稱，在零位時(shí)匝鏈的正、反磁通也不能完全抵消而存在差動 磁通正交分量，從而感生零位電壓正交分量。再有定子磁芯棱邊的局部飽和 以及磁化曲線的非線性，加上各極結(jié)構(gòu)不對稱而造成的氣隙中各股諧波磁通 相位、幅值不對稱，產(chǎn)生三次諧波或更高次諧波，致使傳感器輸出零位增大。
為滿足傳感器輸出零位的要求，采取外加補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫档土阄浑妷汉?濾除高次諧波。具體方法見圖4所示。
電容C并聯(lián)在輸出線圈始末兩端，若電容C同輸出線圈感抗對基波諧振， 則不僅能濾除三次諧波和高次諧波，還能提高輸出信號的標(biāo)度因數(shù)。也就是 輸出信號端的阻抗由電阻加感抗的合成變成了純電阻，阻抗降低了，相應(yīng)提
高了激磁端的電流L。。
零位電壓調(diào)節(jié)主要是降低正交分量，采取的方法是磁勢移相法，在激磁
線圈端并電阻R，用合適的電阻R同部分激磁線圈相并聯(lián)，以改變部分激磁 磁勢的相位，使氣隙中各股磁通的相位、幅值和它們的分布發(fā)生新的變化。 這種變化使轉(zhuǎn)子匝鏈的正、反磁通時(shí)間同相，從而差動后達(dá)到消除零位電壓 正交分量的目的；若并聯(lián)電阻在激磁線圈的始端，使輸出增大，則將并聯(lián)電 阻改在激磁線圈的末端必能能使零位電壓減少。目前該方法己成功應(yīng)用到該 類型傳感器零位調(diào)節(jié)上，使其零位滿足指標(biāo)要求。
權(quán)利要求1.一種桶形動圈角度傳感器，包括定子、轉(zhuǎn)子和導(dǎo)磁環(huán)以及外部補(bǔ)償電路，定子、轉(zhuǎn)子和導(dǎo)磁環(huán)同軸、對中安裝，定子包括定子磁芯、激磁線圈和接線板，轉(zhuǎn)子包括輸出線圈和線圈骨架，其特征在于定子的激磁線圈串聯(lián)并反接在定子磁芯的磁極上，經(jīng)接線板上的接線柱引出，激磁線圈外接激勵電源建立主磁場，經(jīng)定子磁芯、工作氣隙和導(dǎo)磁環(huán)構(gòu)成閉環(huán)磁回路；轉(zhuǎn)子的輸出線圈串聯(lián)并反接在線圈骨架上，轉(zhuǎn)子處在工作氣隙磁場中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的桶形動圈角度傳感器，其特征在于所述外部 補(bǔ)償電路的電路構(gòu)成是在傳感器輸出線圈兩端并聯(lián)一諧振濾波電容C，該 電容C同輸出線圈感抗對基波諧振，在激磁線圈端并聯(lián)電阻R。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種桶形動圈角度傳感器，包括定子、轉(zhuǎn)子和導(dǎo)磁環(huán)以及外部補(bǔ)償電路，定子、轉(zhuǎn)子和導(dǎo)磁環(huán)同軸、對中安裝，定子包括定子磁芯、激磁線圈和接線板，轉(zhuǎn)子包括輸出線圈和線圈骨架，其中定子的激磁線圈串聯(lián)并反接在定子磁芯的磁極上，經(jīng)接線板上的接線柱引出，激磁線圈外接激勵電源建立主磁場，經(jīng)定子磁芯、工作氣隙和導(dǎo)磁環(huán)構(gòu)成閉環(huán)磁回路；轉(zhuǎn)子的輸出線圈串聯(lián)并反接在線圈骨架上，轉(zhuǎn)子處在工作氣隙磁場中。本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，是一種在小角度范圍內(nèi)高靈敏度、高線性度、低閾值和低電磁干擾力矩的桶形動圈角度傳感器。
文檔編號G01B7/30GK201331328SQ20082014496
公開日2009年10月21日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者俊 劉, 劉曉東, 聶魯燕 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七○七研究所