專(zhuān)利名稱(chēng)：一種標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)的高分辨率加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于旋轉(zhuǎn)調(diào)制實(shí)現(xiàn)重力梯度敏感的重力梯度儀及高精度慣導(dǎo)測(cè)量系 統(tǒng)，尤其是一種小范圍內(nèi)標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)、分辨率高、閾值低的電磁加速度計(jì)。
背景技術(shù)：
重力梯度儀是實(shí)現(xiàn)無(wú)源重力導(dǎo)航的核心重力敏感器，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量重力垂線(xiàn)偏差 來(lái)減少慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的舒勒誤差。重力梯度與重力梯度圖匹配獲得位置坐標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)慣 性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置重調(diào)。因此重力梯度儀技術(shù)的應(yīng)用可大大提高導(dǎo)航精度；其中，加速度 計(jì)旋轉(zhuǎn)調(diào)制重力梯度儀是適合機(jī)載、船載等運(yùn)動(dòng)平臺(tái)重力梯度敏感的最好解決方案。它的 機(jī)理是將4個(gè)加速度計(jì)正交地、等中心距地安裝在慢速旋轉(zhuǎn)的水平穩(wěn)定的圓盤(pán)邊緣上，使 測(cè)量軸指向切線(xiàn)方向。依據(jù)XXX重力梯度儀系統(tǒng)論證，加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)匹配精度要達(dá)到 10-6，分辨率 2X10-7g。
在以往電磁加速度計(jì)設(shè)計(jì)中，永磁體采用圓柱形結(jié)構(gòu)；導(dǎo)磁帽采用的是薄導(dǎo)磁板， 軸向長(zhǎng)度低于力矩線(xiàn)圈長(zhǎng)度，工作時(shí)，有部分線(xiàn)圈工作在氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度非平滑區(qū)，這樣產(chǎn) 生的“增加磁效應(yīng)”會(huì)增大加速度計(jì)的非線(xiàn)性輸出，影響分辨率的提高；針對(duì)上述匹配精度 要求，最可行的方法是裝配時(shí)將匹配精度控制在2 %以?xún)?nèi)，通過(guò)在線(xiàn)調(diào)整外部電流的方法來(lái) 實(shí)現(xiàn)10-6匹配精度。高分辨率的實(shí)施采用穩(wěn)定的永磁材料和與石英玻璃線(xiàn)脹系數(shù)匹配的 低膨脹合金來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)、分辨率 高、閾值低的電磁加速度計(jì)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)的高分辨率加速度計(jì)，包括導(dǎo)磁環(huán)、導(dǎo)磁板、導(dǎo)磁帽、永磁 體、力矩線(xiàn)圈，上、下導(dǎo)磁環(huán)和上、下導(dǎo)磁板構(gòu)成圓筒形柱體，在圓筒形柱體內(nèi)自導(dǎo)磁環(huán)依次 同軸安裝導(dǎo)磁板、永磁體及導(dǎo)磁帽，兩個(gè)圓筒形柱體同軸鏡像安裝，擺片固裝在其間，其特 征在于
(1)在導(dǎo)磁板內(nèi)底面同軸固裝的永磁體為軸向充磁的圓錐形永磁體；
(2)在圓錐形永磁體端部同軸安裝有導(dǎo)磁帽，導(dǎo)磁帽的外緣同軸固裝一調(diào)整線(xiàn)圈， 該調(diào)整線(xiàn)圈通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈骨架固裝在導(dǎo)磁帽上；
(3)在擺片的上、下兩個(gè)面上同軸通過(guò)力矩線(xiàn)圈骨架安裝力矩線(xiàn)圈。
而且，所述調(diào)整線(xiàn)圈安裝于導(dǎo)磁板底部凸臺(tái)圓柱外緣，或者是安裝于錐形永磁體 圓錐面外緣。
而且，所述在圓錐形永磁體外緣靠近導(dǎo)磁板底部有一熱磁補(bǔ)償環(huán)。
而且，所述永磁體材料采用剩磁溫度系數(shù)優(yōu)于1 X IO-V0C的低溫度系數(shù)釤鈷。
而且，所述導(dǎo)磁環(huán)、導(dǎo)磁板材料選用鈮因瓦合金。3
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是
1、本發(fā)明永磁體采用錐形體結(jié)構(gòu)，考慮調(diào)整線(xiàn)圈位于導(dǎo)磁帽周?chē)?，加長(zhǎng)了導(dǎo)磁帽 的軸向長(zhǎng)度，使有限空間永磁體的軸向長(zhǎng)度相對(duì)縮短，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)降低，錐形永 磁體采用的是軸向充磁，軸向磁場(chǎng)經(jīng)導(dǎo)磁帽后轉(zhuǎn)換成徑向工作氣隙磁場(chǎng)，增大永磁體的體 積，相應(yīng)地提高工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，經(jīng)計(jì)算增強(qiáng)了 30%以上，這樣就可以降低力矩線(xiàn)圈通 電電流，減少熱功耗和熱噪聲，提高加速度計(jì)的分辨率、降低閾值。
2、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的導(dǎo)磁帽結(jié)構(gòu)，增大工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的平滑區(qū)，使得力矩線(xiàn) 圈工作在平滑區(qū)范圍內(nèi)。
3、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的加速度計(jì)，其加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)10_6高匹配精 度，可用于旋轉(zhuǎn)調(diào)制重力梯度儀和要求分辨率、閾值2 X 10_7g慣導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明電磁加速度計(jì)軸剖圖2是圖1的工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果圖3本發(fā)明調(diào)整線(xiàn)圈位于導(dǎo)磁板底部凸臺(tái)圓柱外緣的軸剖圖4是圖3的工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果圖5是本發(fā)明調(diào)整線(xiàn)圈位于錐形永磁體圓錐面外緣的軸剖圖6是圖5的工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖、通過(guò)具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明電磁加速度計(jì)作進(jìn)一步詳述。以下實(shí)施只 是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明電磁加速度計(jì)的保護(hù)范圍。
一種標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)的高分辨率加速度計(jì)，其結(jié)構(gòu)裝配圖參見(jiàn)圖1，包括導(dǎo)磁環(huán) 1、導(dǎo)磁板3、圓錐形永磁體4、導(dǎo)磁帽5、調(diào)整線(xiàn)圈7及力矩線(xiàn)圈8，上述機(jī)構(gòu)為兩組并同軸鏡 像安裝，在兩組機(jī)構(gòu)之間固裝有石英制的擺片10，導(dǎo)磁環(huán)與導(dǎo)磁板構(gòu)成圓筒形柱體，各部件 在柱體內(nèi)的安裝結(jié)構(gòu)為
導(dǎo)磁環(huán)、導(dǎo)磁板材料選用鈮因瓦合金，在導(dǎo)磁板內(nèi)底面同軸固裝有軸向充磁的圓 錐形永磁體，在圓錐形永磁體端部同軸安裝有導(dǎo)磁帽，導(dǎo)磁帽的外緣同軸固裝調(diào)整線(xiàn)圈，該 調(diào)整線(xiàn)圈通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈骨架6固裝在導(dǎo)磁帽上；在位于導(dǎo)磁環(huán)之間的擺片上、下兩個(gè)面上 同軸安裝有力矩線(xiàn)圈骨架9，在力矩線(xiàn)圈骨架外緣固裝有力矩線(xiàn)圈，力矩線(xiàn)圈由擺片上的接 線(xiàn)端引出。永磁體材料采用剩磁溫度系數(shù)優(yōu)于IX 10_5/°C的低溫度系數(shù)釤鈷。
在圓錐形永磁體外緣靠近導(dǎo)磁板底部有一熱磁補(bǔ)償環(huán)2，用于補(bǔ)償因溫度變化永 久磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。
調(diào)整線(xiàn)圈用來(lái)調(diào)整工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，它的安裝結(jié)構(gòu)有3種方式一是圖1所示 結(jié)構(gòu)，調(diào)整線(xiàn)圈位于導(dǎo)磁帽圓柱周?chē)?；二是圖3結(jié)構(gòu)，調(diào)整線(xiàn)圈11位于導(dǎo)磁板底部凸臺(tái)圓 柱周?chē)?；三是圖5結(jié)構(gòu)，調(diào)整線(xiàn)圈12位于錐形永磁體圓錐面周?chē)Ｔ诳傮w外圍結(jié)構(gòu)尺寸不 變，調(diào)整線(xiàn)圈匝數(shù)和電流一致、內(nèi)部永磁體、導(dǎo)磁帽、導(dǎo)磁板結(jié)構(gòu)尺寸微調(diào)的情況下，經(jīng)工作 氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算圖1結(jié)構(gòu)，調(diào)整線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)錐形永磁體產(chǎn)生的磁感 應(yīng)強(qiáng)度最大，實(shí)現(xiàn)標(biāo)度因數(shù)可調(diào)節(jié)范圍最大，見(jiàn)圖2工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果圖，其次是圖3結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4計(jì)算結(jié)果圖；圖5結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)范圍最小，見(jiàn)圖6計(jì)算結(jié)果圖。
本實(shí)施例的工作原理為
軸向充磁的圓錐形永磁體產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，經(jīng)對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)導(dǎo)磁環(huán)、導(dǎo)磁板、導(dǎo)磁帽聚 磁，并分別在兩個(gè)力矩線(xiàn)圈周?chē)纬删鶆虻膹较虼艌?chǎng)。兩個(gè)導(dǎo)磁環(huán)與導(dǎo)磁板構(gòu)成永磁體閉 環(huán)回路，提供力矩線(xiàn)圈所需的工作氣隙磁場(chǎng)，上、下導(dǎo)磁環(huán)通過(guò)外部腰帶激光焊接連接。擺 片為融溶石英玻璃制作的有撓性鉸鏈支撐的圓盤(pán)擺，力矩線(xiàn)圈通過(guò)力矩線(xiàn)圈骨架安裝在擺 片的上下兩個(gè)面上，并由擺片上的接線(xiàn)端引出。擺片上、下兩個(gè)面上沉積有金屬電極，形成 敏感電容的極板。擺片、力矩線(xiàn)圈及力矩線(xiàn)圈骨架組成檢測(cè)質(zhì)量，夾持在上下導(dǎo)磁環(huán)之間。
當(dāng)施加加速度時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量偏移“零位”中心位置，擺片上敏感電容極板敏感偏移 的位移量，經(jīng)力反饋回路形成與位移成正比的電流作用到力矩線(xiàn)圈中，產(chǎn)生電磁力將檢測(cè) 質(zhì)量拉回到“零位”中心位置。力矩線(xiàn)圈中力矩電流反映了加速度的大小和方向，實(shí)現(xiàn)了加 速度計(jì)的輸出。
調(diào)整線(xiàn)圈通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈骨架安裝在導(dǎo)磁帽周?chē)?，調(diào)整電流起到調(diào)整工作氣隙磁感 應(yīng)強(qiáng)度的作用，進(jìn)而用于調(diào)整加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)。調(diào)整線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)是根據(jù)既能滿(mǎn)足工作氣 隙磁感應(yīng)強(qiáng)度最大化，又能滿(mǎn)足磁感應(yīng)強(qiáng)度調(diào)整范圍的要求，來(lái)確定其位置和匝數(shù)。
本發(fā)明的各主要部件的材料設(shè)計(jì)思想
1)導(dǎo)磁帽
電磁加速度計(jì)的施矩采用的是永磁力矩器式，由永磁體產(chǎn)生強(qiáng)工作氣隙磁場(chǎng)來(lái)實(shí) 現(xiàn)。要在強(qiáng)工作氣隙磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)可調(diào)節(jié)，導(dǎo)磁帽的材料必須在高磁感應(yīng)強(qiáng)度下具有高 的磁導(dǎo)率對(duì)微弱場(chǎng)的變化能敏感。通常導(dǎo)磁帽工作的內(nèi)部磁場(chǎng)在IT特斯拉以上，這就要求 材料在IT特斯拉以上具有高的磁導(dǎo)率。通過(guò)材料選擇和計(jì)算以及研制的加速度計(jì)驗(yàn)證，鐵 鈷釩合金1J22能滿(mǎn)足此要求，調(diào)整范圍2%，標(biāo)度匹配精度10_6。
2)永磁體材料
永磁體材料的穩(wěn)定性直接影響了加速度計(jì)的穩(wěn)定性。加速度計(jì)要想分辨2X10_7g， 穩(wěn)定性就要由于5X10_7g。穩(wěn)定性措施的采取一是材料的穩(wěn)定性；二是材料的匹配性； 三是溫控精度。在現(xiàn)有情況下，材料做到完全匹配是很難的。目前電磁加速度計(jì)普遍采用 鋁鎳鈷永磁材料和釤鈷永磁材料，剩磁溫度系數(shù)均在2 4X 10_4/°C。溫控精度最高達(dá)到 T士 (0. 01 0. 02) 0C0在沒(méi)有其它影響的情況下，穩(wěn)定性最高達(dá)到4X 10_5g，這與5X 10_7g 的要求還差一個(gè)數(shù)量級(jí)。在此提出了低剩磁溫度系數(shù)永磁材料的研制，目前已能達(dá)到 1 X 10_5/°C的水平，并得到了應(yīng)用，提高了加速度計(jì)穩(wěn)定性指標(biāo)。
3)導(dǎo)磁環(huán)
導(dǎo)磁環(huán)直接與石英玻璃配合。石英玻璃的膨脹系數(shù)為5. 7X10_7°C，與之配合的 導(dǎo)磁環(huán)材料膨脹系數(shù)最好與此一致，才可減少因熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力，對(duì)擺片穩(wěn)定性帶來(lái) 的影響。目前普遍使用的是低膨脹合金4J36，膨脹系數(shù)為1.5X10_6/°C，相差近3倍。新近 為地震測(cè)量?jī)x研制的低膨脹合金-鈮因瓦合金，膨脹系數(shù)為5. 5父10_71，與釕36具有同 樣的磁性能。本發(fā)明的加速度計(jì)采用了這種材料，有利于提高分辨率。
本發(fā)明標(biāo)度因數(shù)調(diào)整方法
通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈電流的變化來(lái)改變調(diào)整線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)作用于力矩器工作 氣隙，使力矩器工作電流發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)的調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)是通過(guò)外部5電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足旋轉(zhuǎn)調(diào)制重力梯度儀的要求。為實(shí)現(xiàn)標(biāo)度因 數(shù)2%的可調(diào)及10-6的匹配精度，在結(jié)構(gòu)和材料上進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，最終給出了結(jié) 構(gòu)類(lèi)型和材料型號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)的高分辨率加速度計(jì)，包括導(dǎo)磁環(huán)、導(dǎo)磁板、導(dǎo)磁帽、永磁體、 力矩線(xiàn)圈，上、下導(dǎo)磁環(huán)和上、下導(dǎo)磁板構(gòu)成圓筒形柱體，在圓筒形柱體內(nèi)自導(dǎo)磁環(huán)依次同 軸安裝導(dǎo)磁板、永磁體及導(dǎo)磁帽，兩個(gè)圓筒形柱體同軸鏡像安裝，擺片固裝在其間，其特征 在于(1)在導(dǎo)磁板內(nèi)底面同軸固裝的永磁體為軸向充磁的圓錐形永磁體；(2)在圓錐形永磁體端部同軸安裝有導(dǎo)磁帽，導(dǎo)磁帽的外緣同軸固裝一調(diào)整線(xiàn)圈，該調(diào) 整線(xiàn)圈通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈骨架固裝在導(dǎo)磁帽上；(3)在擺片的上、下兩個(gè)面上同軸通過(guò)力矩線(xiàn)圈骨架安裝力矩線(xiàn)圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)的高分辨率加速度計(jì)，其特征在于所述 調(diào)整線(xiàn)圈安裝于導(dǎo)磁板底部凸臺(tái)圓柱外緣，或者是安裝于錐形永磁體圓錐面外緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)的高分辨率加速度計(jì)，其特征在于所述 在圓錐形永磁體外緣靠近導(dǎo)磁板底部有一熱磁補(bǔ)償環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)的高分辨率加速度計(jì)，其特征在 于所述永磁體材料采用剩磁溫度系數(shù)優(yōu)于lX10-5/°C的低溫度系數(shù)釤鈷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)的高分辨率加速度計(jì)，其特征在于所述 導(dǎo)磁環(huán)、導(dǎo)磁板材料選用鈮因瓦合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)的高分辨率加速度計(jì)，包括導(dǎo)磁環(huán)、導(dǎo)磁板、導(dǎo)磁帽、永磁體、力矩線(xiàn)圈，上、下導(dǎo)磁環(huán)和上、下導(dǎo)磁板構(gòu)成圓筒形柱體，在圓筒形柱體內(nèi)自導(dǎo)磁環(huán)依次同軸安裝導(dǎo)磁板、永磁體及導(dǎo)磁帽，兩個(gè)圓筒形柱體同軸鏡像安裝，擺片固裝在其間，在導(dǎo)磁板內(nèi)底面同軸固裝的永磁體為軸向充磁的圓錐形永磁體；在圓錐形永磁體端部同軸安裝有導(dǎo)磁帽，導(dǎo)磁帽的外緣同軸固裝一調(diào)整線(xiàn)圈，該調(diào)整線(xiàn)圈通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈骨架固裝在導(dǎo)磁帽上；在擺片的上、下兩個(gè)面上同軸通過(guò)力矩線(xiàn)圈骨架安裝力矩線(xiàn)圈。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的加速度計(jì)，其加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)在線(xiàn)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)10-6高匹配精度，可用于旋轉(zhuǎn)調(diào)制重力梯度儀和要求分辨率、閾值2×10-7g的慣導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01P15/125GK102043068SQ20101053368
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者于洪宇, 劉曉東, 李德才, 聶魯燕 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○七研究所