CN105629982A - 基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，涉及小磁体悬浮控制装置技术领域。包括磁屏蔽腔、小磁体、光学相干位移检测***和磁悬浮控制***。其中光学相干位移检测***包括5组光学准直探头、光纤、5个等臂长迈克尔逊位移检测装置和数字相位解调PGC电路。磁悬浮控制***包括4组位置控制线圈、2组姿态控制线圈和电流控制电路。通过光学相干位移检测***精确测定小磁体在三个平动方向上的位移量，以及绕垂直于小磁体磁矩方向的两个转轴的旋转角，再通过磁悬浮控制***让小磁体回归到原始位置，并保持小磁体磁矩方向不变，从而实现空间小磁体高精度的悬浮控制。

Description

基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置

技术领域

本发明涉及小磁体悬浮控制装置技术领域，尤其涉及一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置。

背景技术

微重力环境下，在医疗精密仪器和科研专用仪器中，人们需要在真空环境下，对药物和实验样品位置调整和姿态的变化，由于调整位移小，姿态特别小，缺少合适的装置来非常精确控制小物件；在航空航天运动体的运动姿态测量中，静电悬浮磁体会得到广泛应用。但是静电悬浮技术的抗干扰能力差、控制精度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，所述加速度计可以避免高精度机械加工的技术瓶颈，并具有更高的控制精度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：包括磁屏蔽腔、小磁体、光学相干位移检测***、磁悬浮控制***，所述小磁体悬浮于所述磁屏蔽腔内，所述光学相干位移检测***位于所述磁屏蔽腔上，用于通过向小磁体发射光信号和接收其反射回的光信号，实现对小磁体的空间位置和姿态的实时定位；所述磁悬浮控制***位于磁屏蔽腔上，用于实时控制小磁体的位置和姿态；当小磁体在磁屏蔽腔内受到非保守力作用发生平动和转动时，由光学相干位移检测***测量，并反馈给磁悬浮控制***，磁悬浮控制***根据光学相干位移检测***反馈的小磁体的位置和姿态变化量向小磁体施加磁力，使小磁体回归到原始位置，并保持磁矩方向不变。

进一步的技术方案在于：所述磁屏蔽腔外形为立方体形，选用非磁性材料构建，且内部为真空状态，所述小磁体的质心位于磁屏蔽腔的中心位置。

进一步的技术方案在于：所述光学相干位移检测***包括若干组光学准直探头、光纤、若干个等臂长迈克尔逊位移检测装置和数字相位解调PGC电路，所述每组光学准直探头与之对应的等臂长迈克尔逊位移检测装置通过光纤相连，所述等臂长迈克尔逊位移检测装置与数字相位解调PGC电路电连接；光源通过***中的各对光学准直探头向小磁体发射光信号，并接收其反射回的光信号，光信号中包含小磁体的位置和姿态信息，光信号通过光纤传输到等臂长迈克尔逊位移检测装置，利用干涉原理处理光信号，将小磁体的位移、偏转角转化为可识别的相位变化，对各对光学准直探头的测量结果，通过矢量叠加原理，得到其位移、偏转角叠加后的相位变化；数字相位解调PGC电路实现对相位的快速解调，最终通过相位变化计算出小磁体偏离质心的位移量及小磁体检验质量块绕垂直于磁矩方向的两个转轴的旋转角，并反馈给磁悬浮控制***对小磁体进行位置和姿态的实时控制。

进一步的技术方案在于：所述光学准直探头设有五组，等臂长迈克尔逊位移检测装置设有五个。

进一步的技术方案在于：沿所述磁屏蔽腔的X轴方向的2个腔壁上，在中心位置对称设有一组光学准直探头，用于测量小磁体在X轴的位移变化；沿X轴正方向的腔壁上还设置两组光学准直探头，用于测量小磁体的姿态变化，向Y轴和Z轴所在的平面投影，其中一组光学准直探头，投影落在Y轴方向上，距离中心位置为小磁体的截面半径的四分之一到四分之三，用于测量小磁体绕Z轴旋转的姿态变化，另一组光学准直探头投影落在Z轴方向上，距离中心位置为小磁体的截面半径的四分之一到四分之三，用于测量小磁体绕Y轴旋转的姿态变化；沿所述磁屏蔽腔的Y轴方向的2个腔壁中心设置1组光学准直探头，用于测量小磁体沿Y轴移动的位移变化，沿所述磁屏蔽腔的Z轴方向的2个腔壁中心设置1组光学准直探头，用于测量小磁体沿Z轴移动的位移变化。

进一步的技术方案在于：所述磁悬浮控制***包括若干组位置控制线圈、若干组姿态控制线圈和电流控制电路，所述数字相位解调PGC电路的信号输出端与电流控制电路的反馈输入端连接；所述每组位置控制线圈对称的设置于磁屏蔽腔沿X轴方向的2个腔壁上，所述每组姿态控制线圈对称的设置于所述磁屏蔽腔沿Y轴的2个腔壁和沿Z轴的2个腔壁上。

进一步的技术方案在于：所述位置控制线圈设有4组，所述姿态控制线圈设有两组；在小磁体平动和转动的控制中，位置控制线圈对小磁体产生电磁力，电流控制电路通过在4组位置控制线圈上施加不同方向及大小的电流，使小磁体始终悬浮在磁屏蔽腔的中心位置；电流控制电路通过控制2组姿态控制线圈的电流，实现对小磁体的姿态控制，将小磁体的磁矩方向始终控制在X轴方向。

进一步的技术方案在于：所述小磁体为圆柱体。

进一步的技术方案在于：所述小磁体的外侧包裹有金属或合金材料。

进一步的技术方案在于：所述小磁体选用永磁体材料制作。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述装置避免了敏感结构加工难度大的瓶颈，真空磁屏蔽腔比较容易实现，通过设计高精度光学相干位移检测***，采用等臂长迈克尔逊位移检测方法，降低线路影响要素，实现对检验磁***置各姿态的实时精确测量，有效避免检测***和悬浮***之间的电磁干扰，实现空间小磁体高精度的悬浮控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为磁屏蔽腔结构示意图；

图3为小磁体和光学准直探头在在＝过Y轴和Z轴的平面上的投影示意图；

图4为小磁体绕Z轴旋转测量示意图；

图中：a、磁屏蔽腔b、小磁体c、光学相干位移检测***d、静磁悬浮控制***31、光学准直探头32、光纤33、等臂长迈克尔逊位移检测装置34、数字相位解调PGC电路41、位置控制线圈42、姿态控制线圈43、电流控制电路31_1；31_1’、在沿X轴方向2个腔壁中心位置的光学准直探头31_2；31_2’、在过Y轴和Z轴的平面上，投影落在Y轴方向上的光学准直探头b2；b2’、在在过Y轴和Z轴的平面上，光学准直探头在Y轴方向上的投影点θ、绕Z轴旋转角。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明公开了一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，包括磁屏蔽腔a、小磁体b、光学相干位移检测***c、磁悬浮控制***d。所述小磁体b悬浮于所述磁屏蔽腔a内，所述光学相干位移检测***c位于所述磁屏蔽腔a上，用于通过向小磁体b发射光信号和接收其反射回的光信号，实现对小磁体的空间位置和姿态的实时定位；所述磁悬浮控制***位于磁屏蔽腔a上，用于实时控制小磁体b的位置和姿态；当小磁体b在磁屏蔽腔a内受到非保守力作用发生平动和转动时，由光学相干位移检测***c测量，并反馈给磁悬浮控制***d，磁悬浮控制***d根据光学相干位移检测***c反馈的小磁体b的位置和姿态变化量向小磁体施加磁力，使小磁体b回归到原始位置，并保持磁矩方向不变。

图2中磁屏蔽腔a选用非磁性材料构建，尺寸10cm*10cm*10cm，真空度10^-5Pa，温度的稳定性小于小磁体b为圆柱体，选用SmCo5材料，磁矩大小M＝6.25×10^-2Am²，质量1g，为了减小外界对小磁体b加速度测量的扰动，在小磁体b外面包裹了非磁性材料(金属或合金材料)，使小磁体b的整体质量达到0.1kg。

如图1-2、4所示，所述光学相干位移检测***c包括五组光学准直探头31、光纤32、五组等臂长迈克尔逊位移检测装置33和数字相位解调PGC电路34。所述每组光学准直探头31与之对应的等臂长迈克尔逊位移检测装置33通过光纤32相连，所述等臂长迈克尔逊位移检测装置33与数字相位解调PGC电路34电连接；光源通过***中的各对光学准直探头31向小磁体b发射光信号，并接收其反射回的光信号，光信号中包含小磁体的位置和姿态信息，光信号通过光纤32传输到等臂长迈克尔逊位移检测装置33，利用干涉原理处理光信号，将小磁体b的位移、偏转角转化为可识别的相位变化，对各对光学准直探头31的测量结果，通过矢量叠加原理，得到其位移、偏转角叠加后的相位变化；数字相位解调PGC电路34实现对相位的快速解调，最终通过相位变化计算出小磁体偏离质心的位移量及小磁体检验质量块绕垂直于磁矩方向的两个转轴的旋转角，并反馈给磁悬浮控制***对小磁体b进行位置和姿态的实时控制。

进一步的，如图2所示，沿所述磁屏蔽腔a的X轴方向的2个腔壁上，在中心位置对称设有一组光学准直探头31，用于测量小磁体b在X轴的位移变化；沿X轴正方向的腔壁上还设置两组光学准直探头，用于测量小磁体b的姿态变化，其中，如图3所示，沿X轴正方向的腔壁上还设置两组光学准直探头，用于测量小磁体b的姿态变化，向Y轴和Z轴所在的平面投影，其中一组光学准直探头31，投影落在Y轴方向上，距离中心位置为小磁体b的截面半径的四分之一到四分之三，用于测量小磁体b绕Z轴旋转的姿态变化，另一组光学准直探头投影落在Z轴方向上，距离中心位置为小磁体b的截面半径的四分之一到四分之三，用于测量小磁体b绕Y轴旋转的姿态变化；沿所述磁屏蔽腔a的Y轴方向的2个腔壁中心设置1组光学准直探头，用于测量小磁体b沿Y轴移动的位移变化，沿所述磁屏蔽腔a的Z轴方向的2个腔壁中心设置1组光学准直探头，用于测量小磁体b沿Z轴移动的位移变化。

如图1-2所示，所述磁悬浮控制***包括4组位置控制线圈41、2组姿态控制线圈42和电流控制电路43。所述数字相位解调PGC电路34的信号输出端与电流控制电路43的反馈输入端连接；所述每组位置控制线圈41对称的设置于磁屏蔽腔a沿X轴方向的2个腔壁上，所述每组姿态控制线圈42对称的设置于所述磁屏蔽腔a沿Y轴的2个腔壁和沿Z轴的2个腔壁上。在小磁体平动和转动的控制中，位置控制线圈41对小磁体b产生电磁力，电流控制电路43通过在4组位置控制线圈41上施加不同方向及大小的电流，使小磁体b始终悬浮在磁屏蔽腔a的中心位置；电流控制电路43通过控制2组姿态控制线圈42的电流，实现对小磁体b的姿态控制，将小磁体b的磁矩方向始终控制在X轴方向。

4组位置控制线圈41的直径分别为0.56cm，线圈匝数各100匝，以腔体中心为坐标原点，在图2所示坐标系下，4组位置控制线圈41分布中心坐标分别为(-5cm，1cm，0)、(5cm，1cm，0)，中心坐标分别为(-5cm，0，1cm)、(5cm，0，1cm)，中心坐标分别为(-5cm，-1cm，0)、(5cm，-1cm，0)，中心坐标分别为(-5cm，0，-1cm)、(5cm，0，-1cm)；2组姿态控制线圈42的直径分别为1.2cm，线圈匝数各100匝，2组姿态控制线圈42分布中心坐标分别为(0，5cm，0)、(0，-5cm，0)，中心坐标分别为(0，0，5cm)、(0，0，-5cm)。

设圆柱形小磁体b的高为h，半经为r，以腔体中心作为坐标原点(0，0，0)。初始状态时，小磁体体心位于腔体中心位置，如图3所示，在X轴方向腔壁中心位置处的一对光学准直探头31_1与31_1’，其在小磁体上的探测点分别为和而31_2与31_2’，其在小磁体上的探测点b2、b2’的坐标分别为和此两对光学准直探头发出的光信号经小磁体反射后相位差为0，光学相干位移检测***输出恒定的直流电信号。

1)小磁体单方向平动位移的测量

当小磁体沿x轴正方向进行平移时，设其平动位移为Δx，则连接31_1、31_1’此对光学准直探头的迈克尔逊干涉臂负向光程增加2Δx，正向光程减少2Δx，则2路光信号累计的光程变化为：

2Δx-(-2Δx)＝4Δx(1)

则对应得到的相位变化：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·4\mathrm{\Δ}x---\left(2\right)$

式中λ为激光光源发出的光信号波长。相位变化ΔΦ₁可由相应的等臂长迈克尔逊位移检测装置发送给数字相位解调PGC电路。即可得到小磁体在x轴方向的平动位移：

$\mathrm{\Δ}x=\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_1}{8\mathrm{\π}}\·\mathrm{\λ}---\left(3\right)$

采用上述同样的方法，即可获取小磁体在Y轴和Z轴两个方向上的平动位移。

2)小磁体绕单轴姿态的测量

由于初始磁体b轴心与X轴方向重合，在分析单方向姿态变化时，小磁体b向Y、Z方向偏转。当小磁体绕Z轴旋转角度θ时，由几何关系计算可知，光学准直探头31_1和31_1’都增加或减少了相同的光程：

$2{\mathrm{\Δx}}_1=\frac{h}{cos\mathrm{\θ}}-h---\left(4\right)$

相位差为0，光学相干位移检测***输出恒定的直流电信号，可见小磁体绕单轴姿态的测量，不影响小磁体单方向平动位移的测量。

如图4所示，光学准直探头31_2和31_2’对应的光信号累计的光程变化为：

2Δx′₂＝rtanθ(5)

结合式(2)，即可得到小磁体绕Z轴旋转角度：

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{{\mathrm{\λ\Δ\Φ}}_2}{4\mathrm{\π}r}---\left(6\right)$

式中λ为激光光源发出的光信号波长，相位变化ΔΦ₂可由相应的等臂长迈克尔逊位移检测装置发送给数字相位解调PGC电路。采用上述同样的方法，即可获取小磁体绕Y轴姿态变化。

3)小磁体多方向位移、姿态变化的测量

通过1)、2)的分析可以知道，各个方向的位移变化和姿态变化，只会引起相应的等臂长迈克尔逊位移检测装置结果变化，不会影响其他等臂长迈克尔逊位移检测装置的输出，矢量叠加原理是适用的，得到其位移、偏转角的叠加后，输出各自相位。数字相位解调PGC电路33实现对相位的快速解调，计算出磁体b偏离质心的位移量和姿态偏转量，反馈给磁悬浮控制***d。

光学相干位移检测***c采用在线宽、高稳定性半导体激光器作为光源，普通光学干涉方法的理论测量精度在纳米级，采用等臂长迈克尔逊干涉技术，并引入双臂差动检测方法，测量精度提高4倍，有望实现亚纳米级的定位精度，检验磁体姿态旋转的测量精度小于0.02角秒。

电流控制电路43接收数字相位解调PGC电路33的反馈测量值后，通过在4组位置控制线圈41施加不同方向及大小的电流，来改变磁体b所受的磁场力，从而实现对磁体b的位置控制，并将磁体b始终控制在磁屏蔽腔a中心位置。2组姿态控制线圈可实现对检验磁体的姿态控制，将磁体的磁矩方向始终控制在X方向。线圈电流的大小可以实现跨七个量级以上的精准控制，如在1nA～10mA的电流范围。通过确定所施加的电流，即可实现空间小磁体更高精准的悬浮控制。

本发明所述装置避免了敏感结构加工难度大的瓶颈，真空磁屏蔽腔比较容易实现，通过设计高精度光学相干位移检测***，采用等臂长迈克尔逊位移检测方法，降低线路影响要素，实现对检验磁***置各姿态的实时精确测量，有效避免检测***和悬浮***之间的电磁干扰，实现空间小磁体高精度的悬浮控制。

Claims (10)

1.一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：包括磁屏蔽腔(a)、小磁体(b)、光学相干位移检测***(c)、磁悬浮控制***(d)，所述小磁体(b)悬浮于所述磁屏蔽腔(a)内，所述光学相干位移检测***(c)位于所述磁屏蔽腔(a)上，用于通过向小磁体(b)发射光信号和接收其反射回的光信号，实现对小磁体的空间位置和姿态的实时定位；所述磁悬浮控制***位于磁屏蔽腔(a)上，用于实时控制小磁体(b)的位置和姿态；当小磁体(b)在磁屏蔽腔(a)内由于飞行器受到非保守力作用发生相对腔室的平动和转动时，由光学相干位移检测***(c)测量，并反馈给磁悬浮控制***(d)，磁悬浮控制***(d)根据光学相干位移检测***(c)反馈的小磁体(b)的位置和姿态变化量向小磁体施加磁力，使小磁体(b)回归到原始位置，并保持磁矩方向不变。

2.如权利要求1所述的基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：所述磁屏蔽腔(a)外形为立方体形，选用非磁性材料构建，且内部为真空状态，所述小磁体(b)的质心位于磁屏蔽腔(a)的中心位置。

3.如权利要求1所述的基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：所述光学相干位移检测***(c)包括若干组光学准直探头(31)、光纤(32)、若干个等臂长迈克尔逊位移检测装置(33)和数字相位解调PGC电路(34)，所述每组光学准直探头(31)与之对应的等臂长迈克尔逊位移检测装置(33)通过光纤(32)相连，所述等臂长迈克尔逊位移检测装置(33)与数字相位解调PGC电路(34)电连接；光源通过***中的各对光学准直探头(31)向小磁体(b)发射光信号，并接收其反射回的光信号，光信号中包含小磁体的位置和姿态信息，光信号通过光纤(32)传输到等臂长迈克尔逊位移检测装置(33)，利用干涉原理处理光信号，将小磁体(b)的位移、偏转角转化为可识别的相位变化，对各对光学准直探头(31)的测量结果，通过矢量叠加原理，得到其位移、偏转角叠加后的相位变化；数字相位解调PGC电路(34)实现对相位的快速解调，最终通过相位变化计算出小磁体偏离质心的位移量及小磁体检验质量块绕垂直于磁矩方向的两个转轴的旋转角，并反馈给磁悬浮控制***对小磁体(b)进行位置和姿态的实时控制。

4.如权利要求3所述的基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：所述光学准直探头设有五组，等臂长迈克尔逊位移检测装置设有五个。

5.如权利要求4所述的基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：沿所述磁屏蔽腔(a)的X轴方向的2个腔壁上，在中心位置对称设有一组光学准直探头(31)，用于测量小磁体(b)在X轴的位移变化；沿X轴正方向的腔壁上还设置两组光学准直探头，用于测量小磁体(b)的姿态变化，向Y轴和Z轴所在的平面投影，其中一组光学准直探头(31)，投影落在Y轴方向上，距离中心位置为小磁体(b)的截面半径的四分之一到四分之三，用于测量小磁体(b)绕Z轴旋转的姿态变化，另一组光学准直探头投影落在Z轴方向上，距离中心位置为小磁体(b)的截面半径的四分之一到四分之三，用于测量小磁体(b)绕Y轴旋转的姿态变化；沿所述磁屏蔽腔(a)的Y轴方向的2个腔壁中心设置1组光学准直探头，用于测量小磁体(b)沿Y轴移动的位移变化，沿所述磁屏蔽腔(a)的Z轴方向的2个腔壁中心设置1组光学准直探头，用于测量小磁体(b)沿Z轴移动的位移变化。

6.如权利要求3所述的基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：所述磁悬浮控制***包括若干组位置控制线圈(41)、若干组姿态控制线圈(42)和电流控制电路(43)，所述数字相位解调PGC电路(34)的信号输出端与电流控制电路(43)的反馈输入端连接；所述每组位置控制线圈(41)对称的设置于磁屏蔽腔(a)沿X轴方向的2个腔壁上，所述每组姿态控制线圈(42)对称的设置于所述磁屏蔽腔(a)沿Y轴的2个腔壁和沿Z轴的2个腔壁上。

7.如权利要求6所述的基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：所述位置控制线圈(41)设有4组，所述姿态控制线圈(42)设有两组；在小磁体平动和转动的控制中，位置控制线圈(41)对小磁体(b)产生电磁力，电流控制电路(43)通过在4组位置控制线圈(41)上施加不同方向及大小的电流，使小磁体(b)始终悬浮在磁屏蔽腔(a)的中心位置；电流控制电路(43)通过控制2组姿态控制线圈(42)的电流，实现对小磁体(b)的姿态控制，将小磁体(b)的磁矩方向始终控制在X轴方向。

8.如权利要求1所述的基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：所述小磁体(b)为圆柱体。

9.如权利要求1所述的基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：所述小磁体(b)的外侧包裹有金属或合金材料。

10.如权利要求1所述的基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：所述小磁体(b)选用永磁体材料制作。