CN102043068A - 一种标度因数在线可调的高分辨率加速度计 - Google Patents

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刘晓东
聂鲁燕
于洪宇
李德才
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Abstract

本发明涉及一种标度因数在线可调的高分辨率加速度计，包括导磁环、导磁板、导磁帽、永磁体、力矩线圈，上、下导磁环和上、下导磁板构成圆筒形柱体，在圆筒形柱体内自导磁环依次同轴安装导磁板、永磁体及导磁帽，两个圆筒形柱体同轴镜像安装，摆片固装在其间，在导磁板内底面同轴固装的永磁体为轴向充磁的圆锥形永磁体；在圆锥形永磁体端部同轴安装有导磁帽，导磁帽的外缘同轴固装一调整线圈，该调整线圈通过调整线圈骨架固装在导磁帽上；在摆片的上、下两个面上同轴通过力矩线圈骨架安装力矩线圈。本发明所设计的加速度计，其加速度计标度因数在线可调，实现10-6高匹配精度，可用于旋转调制重力梯度仪和要求分辨率、阈值2×10-7g的惯导测量***。

Description

一种标度因数在线可调的高分辨率加速度计
技术领域
本发明涉及用于旋转调制实现重力梯度敏感的重力梯度仪及高精度惯导测量***，尤其是一种小范围内标度因数在线可调、分辨率高、阈值低的电磁加速度计。
背景技术
重力梯度仪是实现无源重力导航的核心重力敏感器，通过实时测量重力垂线偏差来减少惯性导航***的舒勒误差。重力梯度与重力梯度图匹配获得位置坐标，可实现对惯性导航***的位置重调。因此重力梯度仪技术的应用可大大提高导航精度；其中，加速度计旋转调制重力梯度仪是适合机载、船载等运动平台重力梯度敏感的最好解决方案。它的机理是：将4个加速度计正交地、等中心距地安装在慢速旋转的水平稳定的圆盘边缘上，使测量轴指向切线方向。依据XXX重力梯度仪***论证，加速度计标度因数匹配精度要达到10-6，分辨率2×10-7g。
在以往电磁加速度计设计中，永磁体采用圆柱形结构；导磁帽采用的是薄导磁板，轴向长度低于力矩线圈长度，工作时，有部分线圈工作在气隙磁感应强度非平滑区，这样产生的“增加磁效应”会增大加速度计的非线性输出，影响分辨率的提高；针对上述匹配精度要求，最可行的方法是装配时将匹配精度控制在2％以内，通过在线调整外部电流的方法来实现10-6匹配精度。高分辨率的实施采用稳定的永磁材料和与石英玻璃线胀系数匹配的低膨胀合金来实现。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种标度因数在线可调、分辨率高、阈值低的电磁加速度计。
本发明的目的是这样实现的：
一种标度因数在线可调的高分辨率加速度计，包括导磁环、导磁板、导磁帽、永磁体、力矩线圈，上、下导磁环和上、下导磁板构成圆筒形柱体，在圆筒形柱体内自导磁环依次同轴安装导磁板、永磁体及导磁帽，两个圆筒形柱体同轴镜像安装，摆片固装在其间，其特征在于：
(1)在导磁板内底面同轴固装的永磁体为轴向充磁的圆锥形永磁体；
(2)在圆锥形永磁体端部同轴安装有导磁帽，导磁帽的外缘同轴固装一调整线圈，该调整线圈通过调整线圈骨架固装在导磁帽上；
(3)在摆片的上、下两个面上同轴通过力矩线圈骨架安装力矩线圈。
而且，所述调整线圈安装于导磁板底部凸台圆柱外缘，或者是安装于锥形永磁体圆锥面外缘。
而且，所述在圆锥形永磁体外缘靠近导磁板底部有一热磁补偿环。
而且，所述永磁体材料采用剩磁温度系数优于1×10-5/℃的低温度系数钐钴。
而且，所述导磁环、导磁板材料选用铌因瓦合金。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明永磁体采用锥形体结构，考虑调整线圈位于导磁帽周围，加长了导磁帽的轴向长度，使有限空间永磁体的轴向长度相对缩短，产生的磁感应强度相对降低，锥形永磁体采用的是轴向充磁，轴向磁场经导磁帽后转换成径向工作气隙磁场，增大永磁体的体积，相应地提高工作气隙磁感应强度，经计算增强了30％以上，这样就可以降低力矩线圈通电电流，减少热功耗和热噪声，提高加速度计的分辨率、降低阈值。
2、本发明所设计的导磁帽结构，增大工作气隙磁感应强度的平滑区，使得力矩线圈工作在平滑区范围内。
3、本发明所设计的加速度计，其加速度计标度因数在线可调，实现10-6高匹配精度，可用于旋转调制重力梯度仪和要求分辨率、阈值2×10-7g惯导测量***。
附图说明
图1是本发明电磁加速度计轴剖图；
图2是图1的工作气隙磁感应强度计算结果图；
图3本发明调整线圈位于导磁板底部凸台圆柱外缘的轴剖图；
图4是图3的工作气隙磁感应强度计算结果图；
图5是本发明调整线圈位于锥形永磁体圆锥面外缘的轴剖图；
图6是图5的工作气隙磁感应强度计算结果图。
具体实施方式
下面结合附图、通过具体实施对本发明电磁加速度计作进一步详述。以下实施只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明电磁加速度计的保护范围。
一种标度因数在线可调的高分辨率加速度计，其结构装配图参见图1，包括导磁环1、导磁板3、圆锥形永磁体4、导磁帽5、调整线圈7及力矩线圈8，上述机构为两组并同轴镜像安装，在两组机构之间固装有石英制的摆片10，导磁环与导磁板构成圆筒形柱体，各部件在柱体内的安装结构为：
导磁环、导磁板材料选用铌因瓦合金，在导磁板内底面同轴固装有轴向充磁的圆锥形永磁体，在圆锥形永磁体端部同轴安装有导磁帽，导磁帽的外缘同轴固装调整线圈，该调整线圈通过调整线圈骨架6固装在导磁帽上；在位于导磁环之间的摆片上、下两个面上同轴安装有力矩线圈骨架9，在力矩线圈骨架外缘固装有力矩线圈，力矩线圈由摆片上的接线端引出。永磁体材料采用剩磁温度系数优于1×10-5/℃的低温度系数钐钴。
在圆锥形永磁体外缘靠近导磁板底部有一热磁补偿环2，用于补偿因温度变化永久磁体磁感应强度的变化。
调整线圈用来调整工作气隙磁感应强度，它的安装结构有3种方式：一是图1所示结构，调整线圈位于导磁帽圆柱周围；二是图3结构，调整线圈11位于导磁板底部凸台圆柱周围；三是图5结构，调整线圈12位于锥形永磁体圆锥面周围。在总体***结构尺寸不变，调整线圈匝数和电流一致、内部永磁体、导磁帽、导磁板结构尺寸微调的情况下，经工作气隙磁感应强度计算：图1结构，调整线圈产生的磁感应强度相对锥形永磁体产生的磁感应强度最大，实现标度因数可调节范围最大，见图2工作气隙磁感应强度计算结果图，其次是图3结构，见图4计算结果图；图5结构调节范围最小，见图6计算结果图。
本实施例的工作原理为：
轴向充磁的圆锥形永磁体产生轴向磁场，经对称的两个导磁环、导磁板、导磁帽聚磁，并分别在两个力矩线圈周围形成均匀的径向磁场。两个导磁环与导磁板构成永磁体闭环回路，提供力矩线圈所需的工作气隙磁场，上、下导磁环通过外部腰带激光焊接连接。摆片为融溶石英玻璃制作的有挠性铰链支撑的圆盘摆，力矩线圈通过力矩线圈骨架安装在摆片的上下两个面上，并由摆片上的接线端引出。摆片上、下两个面上沉积有金属电极，形成敏感电容的极板。摆片、力矩线圈及力矩线圈骨架组成检测质量，夹持在上下导磁环之间。
当施加加速度时，检测质量偏移“零位”中心位置，摆片上敏感电容极板敏感偏移的位移量，经力反馈回路形成与位移成正比的电流作用到力矩线圈中，产生电磁力将检测质量拉回到“零位”中心位置。力矩线圈中力矩电流反映了加速度的大小和方向，实现了加速度计的输出。
调整线圈通过调整线圈骨架安装在导磁帽周围，调整电流起到调整工作气隙磁感应强度的作用，进而用于调整加速度计标度因数。调整线圈的设计是根据既能满足工作气隙磁感应强度最大化，又能满足磁感应强度调整范围的要求，来确定其位置和匝数。
本发明的各主要部件的材料设计思想：
1)导磁帽
电磁加速度计的施矩采用的是永磁力矩器式，由永磁体产生强工作气隙磁场来实现。要在强工作气隙磁场中实现磁场可调节，导磁帽的材料必须在高磁感应强度下具有高的磁导率对微弱场的变化能敏感。通常导磁帽工作的内部磁场在1T特斯拉以上，这就要求材料在1T特斯拉以上具有高的磁导率。通过材料选择和计算以及研制的加速度计验证，铁钴钒合金1J22能满足此要求，调整范围2％，标度匹配精度10-6。
2)永磁体材料
永磁体材料的稳定性直接影响了加速度计的稳定性。加速度计要想分辨2×10-7g，稳定性就要由于5×10-7g。稳定性措施的采取：一是材料的稳定性；二是材料的匹配性；三是温控精度。在现有情况下，材料做到完全匹配是很难的。目前电磁加速度计普遍采用铝镍钴永磁材料和钐钴永磁材料，剩磁温度系数均在2～4×10-4/℃。温控精度最高达到T±(0.01～0.02)℃。在没有其它影响的情况下，稳定性最高达到4×10-5g，这与5×10-7g的要求还差一个数量级。在此提出了低剩磁温度系数永磁材料的研制，目前已能达到1×10-5/℃的水平，并得到了应用，提高了加速度计稳定性指标。
3)导磁环
导磁环直接与石英玻璃配合。石英玻璃的膨胀系数为5.7×10-7/℃，与之配合的导磁环材料膨胀系数最好与此一致，才可减少因热膨胀产生的热应力，对摆片稳定性带来的影响。目前普遍使用的是低膨胀合金4J36，膨胀系数为1.5×10-6/℃，相差近3倍。新近为地震测量仪研制的低膨胀合金-铌因瓦合金，膨胀系数为5.5×10-7/℃，与4J36具有同样的磁性能。本发明的加速度计采用了这种材料，有利于提高分辨率。
本发明标度因数调整方法：
通过调整线圈电流的变化来改变调整线圈产生的磁场，该磁场作用于力矩器工作气隙，使力矩器工作电流发生变化，从而实现加速度计标度因数的调节。该调节是通过外部电流来实现的，因而可进行实时在线调节，满足旋转调制重力梯度仪的要求。为实现标度因数2％的可调及10-6的匹配精度，在结构和材料上进行了有限元分析计算，最终给出了结构类型和材料型号。

Claims (5)

1.一种标度因数在线可调的高分辨率加速度计，包括导磁环、导磁板、导磁帽、永磁体、力矩线圈，上、下导磁环和上、下导磁板构成圆筒形柱体，在圆筒形柱体内自导磁环依次同轴安装导磁板、永磁体及导磁帽，两个圆筒形柱体同轴镜像安装，摆片固装在其间，其特征在于：
(1)在导磁板内底面同轴固装的永磁体为轴向充磁的圆锥形永磁体；
(2)在圆锥形永磁体端部同轴安装有导磁帽，导磁帽的外缘同轴固装一调整线圈，该调整线圈通过调整线圈骨架固装在导磁帽上；
(3)在摆片的上、下两个面上同轴通过力矩线圈骨架安装力矩线圈。
2.根据权利要求1所述的标度因数在线可调的高分辨率加速度计，其特征在于：所述调整线圈安装于导磁板底部凸台圆柱外缘，或者是安装于锥形永磁体圆锥面外缘。
3.根据权利要求1所述的标度因数在线可调的高分辨率加速度计，其特征在于：所述在圆锥形永磁体外缘靠近导磁板底部有一热磁补偿环。
4.根据权利要求1或2或3所述的标度因数在线可调的高分辨率加速度计，其特征在于：所述永磁体材料采用剩磁温度系数优于1×10-5/℃的低温度系数钐钴。
5.根据权利要求1所述的标度因数在线可调的高分辨率加速度计，其特征在于：所述导磁环、导磁板材料选用铌因瓦合金。
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