低成本角度传感器的研制

时间:2019-04-05 00:49:01 来源:谷埔农业网 作者:匿名



低成本角度传感器的研制

作者:未知

摘要:设计了一种角度传感器,用于高精度液体浮动陀螺仪。

角度传感器通过转子线圈在定子激励气隙磁场中的旋转来感测变化角度,并输出与该角度成比例的电压信号。

定子和转子框架由超硬铝材料制成,无铁,无电磁,确保陀螺零点的稳定性和可重复性。

通过采样测试确定角度传感器的线性度,非线性误差小于5?与原有的微动同步器相比,综合成本大大降低,可靠性提高,适合大批量生产。

关键词:液体浮动陀螺;角度传感器;坚硬的铝骨架;低成本;微动同步器;电压信号

中图分类号:TN911.7?34; TP212.9文件编号:A文章编号:1004?373X(2018)20?0088?05

在传感器中,通过转子线圈在定子励磁空气间隙磁场中的旋转来感测和测量变化的角度,并且电压信号成比例。角度和转子骨架由超硬铝材料制成,不含任何铁或电磁吸引力,确保陀螺仪零位的稳定性和可重复性。对随机选择的原型进行了测试。结果表明,角度传感器具有较高的线性度(非线性误差小于5?),与原微尺度相比,大大降低了综合成本,提高了可靠性,适合大批量生产。关键词:液浮陀螺;角度传感器;坚硬的铝骨架;低成本; microsyn;电压信号0

角度传感器是液体浮动陀螺仪不可或缺的关键部件之一。它将陀螺浮子的机械角位移转换为电信号,用于灵敏陀螺浮子的角位移,并将角位移转换为比例交流电压信号[1]?3],并将电压信号输入到放大器产生反馈电流。

有许多类型的角度传感器。陀螺仪常用的有:电容式传感器,光电传感器,液体开关,电位器,霍尔效应传感器,电感式传感器,微动同步器,动圈式传感器等[4]。

根据陀螺仪的类型和精度要求,所使用的角度传感器的类型也非常不同。

例如,国内研究和开发单位经常使用液体开关角度传感器用于垂直陀螺仪,典型单元如AVIC 212;电位器角度传感器主要用于气体陀螺仪,如AVIC 141和武器203;电感式传感器主要用于动态调谐陀螺仪。典型的研究机构是AVIC 141和AVIC 613以及东南大学。微动同步器主要用于液体浮动扭转陀螺(开环结构)和液体浮动速率积分陀螺仪。 (闭环结构),典型的研究单位包括中国南方航空公司,北京航空航天大学,西贡大学,中航工业141工厂,中国航空232工厂,天津707等;动圈式传感器主要用于液体浮动速率积分陀螺仪等闭环系统,如AVIC 141 Factory,Shanghai 803,Beijing 13等。

在俄罗斯等国外,微动同步器主要用作液浮式扭杆式陀螺仪的角度传感器,电感式传感器用作功率调谐陀螺仪的角度传感器。在美国,微动同步器主要用作液浮式扭杆式陀螺仪。角度传感器使用动圈式传感器作为液体浮动速率积分陀螺仪的角度传感器。

我国液体浮动速率陀螺仪的??角度传感器主要采用两种结构:微动同步器和动圈式传感器。然而,两个角度传感器的结构离不开定子铁芯(大多采用1J50软磁合金)。元件结构复杂,定子铁心加工精度高,制造工艺复杂,热处理软磁材料和定子坯料叠片要求高,工艺参数严格控制,定子铁芯部件的最终成形缓慢。线切割完成并保证精度,生产效率低,制造成本高,并且在高精度液体浮动陀螺仪中,为了提高角度传感器的灵敏度,定子组件的槽组件具有高的全速率,并且漆包线很容易由手工编织造成。使用过程中可能会发生损伤,漆包线断裂失败[5],导致陀螺可靠性降低。在高精度液浮陀螺批量生产的情况下,为了降低成本,提高陀螺的工作可靠性,开发有色金属动圈传感器势在必行;同时,由于传感器不含铁,因此可以大大降低电磁吸引力对陀螺仪精度的影??响。

动圈式传感器是一个电感式传感器,可以旋转次级输出线圈。由定子励磁线圈建立的工作主磁通量通过定子的固定工作气隙,铁芯置于定子的工作气隙中。当输出线圈旋转时,输出线圈改变其对初级励磁线圈的互感效应[6~9];因此,由动圈输出的电压信号可以精确地反映动圈相对于定子的角位移。

这种类型的无铁动圈式角度传感器结构简单。它很容易批量生产。它被称为盘形“8”形线圈传感器。以下主要介绍盘形“8”字符。开发线圈传感器。

1设计理念和原则

圆盘形“8”形线圈传感器由超硬铝材料制成,用于定子框架和转子框架,8个空心圆柱形(圆柱形)励磁线圈和8个空心圆柱形(圆柱形)输出线圈是纯铜漆包线缠绕的。

圆柱形励磁线圈和圆柱形输出线圈成对出现,励磁线圈和输出线圈的数量相等(均为8),并且匝数不同。

该结构是沿着定子骨架的圆周在定子骨架中串联布置八个励磁线圈,并且八??个输出线圈沿转子骨架的圆周在转子骨架中串联连接;当输出线圈在定子中被激励时。当气隙磁场旋转时,输出与旋转角度成比例的交流电压信号,并且输出信号是两个串联反向线圈的电位差值。

当旋转角度α=0(即,零位置)时,励磁线圈的中心穿过输出线圈的两个串联连接的线圈的对称中心,并且当交流电压施加到输出线圈的两端时。初级励磁线圈,它在初级励磁线圈周围产生。磁场。

由于两个输出线圈链中的磁通量相等,因此感应电位的大小也相等,并且输出线圈的感应电位的大小反转,因此输出电压为零〔2'3]。 。

α=0时的情况图如图1所示。当旋转角α≠0时,即,当传感器输出线圈转子骨架相对于定子励磁线圈绕线管旋转时,两个输出线圈的链的磁通量的数量不再相等。

一个线圈的磁通量大于另一个线圈的磁通量,并且感应电位的大小不相等。串联后的感应电位之间的差异是输出信号,当角度小时,输出电压信号的幅度是α。它与[2?3]成正比。

如果拐角沿相反方向旋转,则输出信号反转。

α≠0的情况如图2所示。

2推导和验证传感器灵敏度

2.1灵敏度推导

根据计算结果,角度传感器的非线性误差[Ec]的值小于5?。

3传感器和微动同步器的比较

下面对微动同步器和盘形“8”形线圈传感器进行对比分析,主要从生产效率成本和性能提升两个方面进行比较。

3.1生产效率成本比较

1)传感器组件和材料。

微动同步器由定子,转子,励磁线圈和输出线圈组成。定子和转子材料为1J50软磁合金,厚度为0.2-0.25mm,励磁线圈和输出线圈材料为纯铜漆包线; “8”字线圈传感器由定子框架,转子框架,励磁线圈和输出线圈组成。定子架和转子架的材料均为超硬铝,励磁线圈和输出线圈材料均为纯铜漆包线。

在材料成本方面,在相同陀螺尺寸的情况下,微动同步器的材料成本高于盘形“8”形线圈传感器的材料成本,因为1J50软磁合金的价格是远高于超硬铝。价钱。

2)制造过程。

微动同步器的定子和转子的制造过程完全相同,即1J50空白板的真空退火,双面胶合层压和慢线切割。定子组件的励磁线圈和输出线圈是手动嵌入的; “8”形线圈传感器的定子骨架和转子骨架的制造过程也是相同的,由数控车辆,数控铣削和电绝缘氧化,励磁线圈和输出线圈由机器缠绕后由机器完成。

在加工效率方面,CNC和CNC铣削的效率远高于慢线切削的效率。同时,在励磁线圈和输出线圈的绕线方法中,微动同步器是手工嵌入的,效率很低。盘形“8”形线圈传感器的机器绕线效率,因此在相同的人工成本下,具有高生产效率的产品每件的价格低,因此盘形“8”的制造成本 - 异形线圈传感器远小于微动同步器的制造成本。结合上述两个方面的成本因素,一套圆盘形“8”字线圈传感器的成本约为280元,而一套16极微动同步器的成本约为2 200元。元。成本大大降低。

3.2性能比较

由于微动同步器是属于变压器原理的可变磁阻角传感器,因此在定子和转子的加工和组装过程中不可避免地会在定子和转子之间产生同轴误差。

由于定子和转子都是铁磁材料,当存在同轴误差时,在定子和转子之间产生电磁吸引力。当励磁线圈信号频率低且陀螺指数不高时,基本上不会引起电磁吸引。效果可以暂时忽略;然而,在高精度液体浮动陀螺仪中,电磁吸引力的影响成为一个主要矛盾,必须加以解决。

因此,从设计理念跳出传统模式,开发出无铁角传感器,从摆脱陀螺仪电磁吸力的原理出发,有一个圆盘形“8”字的概念线圈传感器,由于“8”字线圈传感器在励磁线圈和输出线圈中没有磁芯,所以激励信号频率可以从7 V,1.8 kHz增加到7 V,16 kHz以提高灵敏度传感器。

使用圆盘形“8”字线圈传感器后,有三个主要方面可以改善陀螺仪的性能:

1)由于转子框架由超硬铝材料制成,而不是微动同步器的转子(1J50),陀螺浮子的重量减小。当浮子体积恒定(浮力恒定)时,陀螺浮子在两端支撑轴。正压降低,支撑轴与轴承之间的摩擦减小,陀螺仪的归零误差减小。

2)由于角度传感器不含铁,原则上消除了附着在微动同步器上的电磁吸引力。由于电磁吸力在圆周上的分布位置是随机的,所以消除电磁吸力大大降低了陀螺仪的位置零点的变化提高了陀螺仪的位置可重复性。

3)由于角度传感器的线性度高,非线性误差小于5 ?,微动同步器的非线性误差约为5‰,线性度增加了一个数量级,从而改善了传感器的精度。4。结论

基于上述分析,传感器是一个角度传感器,使输出线圈旋转,无光和无铁输出动圈在初级励磁线圈形成的气隙磁场中旋转,感应角度变化并输出电压信号。

由于传感器定子框架和转子框架都是超硬铝材料,励磁线圈和输出线圈均由纯铜漆包线制成。整个传感器不含铁,因此没有电磁吸引力,这确保了陀螺零位的稳定性和重复性。性[13-15]。

角度传感器线性度高,非线性误差小于5Ω,与原有的微动同步器相比,制造成本和材料成本大大降低。它适用于大规模生产,是高精度液体浮动陀螺仪的首选角度传感器。

引用

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