專利名稱：靜電陀螺儀極軸光電傳感器分辨率標(biāo)定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是靜電陀螺儀中極軸光電傳感器分辨率的標(biāo)定系統(tǒng)。由于靜電陀螺的漂移和地球表觀運動的存在，極軸光電傳感器的分辨率和精度無法在陀螺本體或陀螺漂移測試臺上測得。為測量極軸光電傳感器分辨率的真實值，需要探究極軸光電傳感器分辨率的標(biāo)定方法，在陀螺儀光電測角系統(tǒng)進(jìn)行正常測量前對極軸光電傳感器的分辨率進(jìn)行標(biāo)定。本發(fā)明以空氣靜壓支承模擬靜電陀螺儀中的靜電懸浮支懸轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，使極軸光電傳感器的光軸相對固聯(lián)于地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)子作切線運動，得到光電傳感器的輸出和所對應(yīng)的角度偏移關(guān)系，在小角度范圍內(nèi)測出與靜電陀螺實際工作狀態(tài)相當(dāng)?shù)臉O軸光電傳感器分辨率。由于靜電陀螺的漂移和地球表觀運動的存在，極軸光電傳感器的分辨率和精度無法在陀螺本體或陀螺漂移測試臺上測得。在光電測角系統(tǒng)測量前對其測試精度進(jìn)行標(biāo)定。
■背景技術(shù)
以陀螺儀為敏感元件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為完全自主式系統(tǒng)。不依賴外界任何信息，也不向外發(fā)射任何能量，具有隱蔽性、全天候和全球?qū)Ш侥芰?。目前，慣性導(dǎo)航技術(shù)在空間遙感、地球物理勘探、大地測量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。靜電陀螺儀是利用靜電力使球形轉(zhuǎn)子在自由懸浮狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)的高精度慣性元件，與其它陀螺儀相比，具有獨特的特點，結(jié)構(gòu)上由一個具有數(shù)對金屬電極的陶瓷殼體和一個球形金屬轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子與支承之間沒有機(jī)械接觸，減少了干擾來源，具有一般框架陀螺難以達(dá)到的高精度。其漂移率小，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。靜電陀螺儀主要是通過測量出其相對于當(dāng)?shù)厮矫娴谋碛^運動角度，來估計當(dāng)?shù)氐淖游缇€方向，達(dá)到尋北的目的。陀螺儀不可避免地存在有干擾力并使之產(chǎn)生漂移，從而引起自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間改變方位，影響靜電陀螺的精度。靜電陀螺儀在轉(zhuǎn)子的極軸位置和赤道位置設(shè)置了兩個光電傳感器，稱極軸傳感器和赤道傳感器。在陀螺轉(zhuǎn)子表面極軸處和赤道處蒸鍍上圖譜，分別用極軸、赤道傳感器讀取圖譜信息，經(jīng)信號處理環(huán)節(jié)得到轉(zhuǎn)子極軸相對于殼體的位置信號。這種方法適用于轉(zhuǎn)子極軸相對于陀螺殼體偏轉(zhuǎn)角較小的情況，在球形轉(zhuǎn)子的極軸和赤道上刻上不反光的矩形漫反射圖形，圖譜對光呈漫反射，極軸光電傳感器輸出陀螺動量矩的位置信號，赤道光電傳感器輸出轉(zhuǎn)速脈沖信號，作為極軸位置分離的基準(zhǔn)。極軸傳感器與陀螺極軸一致時，極軸光電傳感器光斑中心對準(zhǔn)極點，光斑的一半與極軸刻線重合，光線被散射，另一半被轉(zhuǎn)子面反射，被傳感器接受元件轉(zhuǎn)化為電信號。此時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周中此信號為一常量。當(dāng)殼體相對于轉(zhuǎn)子的位置發(fā)生變化時，光斑與轉(zhuǎn)子反射面重合的面積也不斷變化，傳感器輸出的信號被轉(zhuǎn)速調(diào)制，輸出為類似于正弦的信號。同時，赤道光電傳感器接收到陀螺轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速脈沖信號，將此信號放大、整形、正交分離得到兩路正交的方波信號。將這兩路方波信號和極軸信號進(jìn)行鑒相比較，可以得到轉(zhuǎn)子極軸相對于殼體兩正交軸的位置偏轉(zhuǎn)角度。極軸傳感器輸出陀螺位置信號，赤道傳感器輸出陀螺轉(zhuǎn)速脈沖信號。極軸傳感器的分辨率直接影響著陀螺的測角精度。靜電陀螺極軸光電傳感器小角度讀取一般都采用光電檢測方法，就國內(nèi)外現(xiàn)有的小角度光電測量方法來看，所采用的光學(xué)系統(tǒng)可分為以下幾類顯微放大系統(tǒng)；準(zhǔn)直(望遠(yuǎn))系統(tǒng)；三角測量系統(tǒng)；光纖傳輸系統(tǒng)。顯微放大系統(tǒng)的檢測方式為，光源發(fā)出的光經(jīng)過分光棱鏡、聚光透鏡，把光聚集成一個光點，射到轉(zhuǎn)子表面上，通過探測反射回來光強(qiáng)的變化，來檢測轉(zhuǎn)子的偏角。這種方式存在的問題是，光能利用率低、發(fā)熱大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但安裝調(diào)整還比較方便，可以滿足極軸信號性能要求。準(zhǔn)直(望遠(yuǎn))系統(tǒng)的檢測方式是把光源發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直、分光棱鏡、射到轉(zhuǎn)子極軸，反射光經(jīng)過分光棱鏡直接進(jìn)入光電探測器。自準(zhǔn)直式的光斑相對比較大，如果用在小陀螺上，反射回來光的發(fā)散角比較大，影響精度。因為光路中存在分光棱鏡，光能損耗較大，總體利用效率比較低。另外，準(zhǔn)直儀式傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也比較大，但安裝調(diào)整比較方便。三角測量方式就是從光源發(fā)射出來的光直接照射在轉(zhuǎn)子極點，光電探測器接收反射回來的光。光源、光電探測器、反射面，三者呈三角形構(gòu)造。這種方式最大的優(yōu)點是光能利用率高，精心調(diào)整反射角，光能利用率能達(dá)到90%以上。另外，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，所需元件很少，可靠性比較高。但是它的光路不可能以垂直的角度入射到轉(zhuǎn)子極點，即使發(fā)出的光斑的圓度很好，照到極點上的光斑也是個橢圓，因而信號質(zhì)量差，零位噪聲大。光纖方式的靜電陀螺測角系統(tǒng)是一種新型傳感器。它利用光纖的傳光功能，把激光二極管發(fā)出的光耦合進(jìn)入光纖中，光纖的另一端靠近轉(zhuǎn)子極軸，傳輸光源能量的光纖在中間，周圍分布著接收反射光的光纖。光纖直徑小，一般只有幾百微米，易實現(xiàn)傳感器的微型化；光纖測角系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，傳感器可以固定在金屬套中，安裝和調(diào)整相對比較容易。目前，靜電陀螺儀光電傳感器分辨率標(biāo)定方法多采用以上幾種方法，但是這幾種方式在光能損耗及噪聲方面還存在一些問題，角靈敏度不高，還不能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的分辨率標(biāo)定，因此，尋求新的光電傳感器標(biāo)定方法來完善系統(tǒng)勢在必行。
■

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是標(biāo)定靜電陀螺儀中極軸光電傳感器的分辨率，此種方法應(yīng)用于導(dǎo)航測角系統(tǒng)中，在測角系統(tǒng)常規(guī)工作前對其精度進(jìn)行標(biāo)定。該方法制作一個與陀螺外徑相同并能模擬靜電陀螺工作狀態(tài)的球冠轉(zhuǎn)子，將其聯(lián)接到空氣靜壓氣浮軸的軸伸端上，極軸光電傳感器固定在瓷碗上。兩者之間徑向微位移以實現(xiàn)光電傳感器與模擬轉(zhuǎn)子間的零位對中，軸向傾斜位移，使極軸光電傳感器的光軸與固聯(lián)于地理坐標(biāo)系的模擬轉(zhuǎn)子間作小角度切線運動，以模擬靜電陀螺儀中光電傳感器的輸出和所對應(yīng)的微小角度偏移關(guān)系，在小角度范圍內(nèi)測出與靜電陀螺實際工作狀態(tài)相當(dāng)?shù)膫鞲衅鞣直媛?。此種方法能夠得到極軸光電傳感器分辨率的真實值，并且結(jié)構(gòu)簡單。
本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實現(xiàn)①為使高速旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)動慣量最小，將模擬陀螺轉(zhuǎn)子設(shè)計成球冠，以球冠轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)運動模擬靜電陀螺球形轉(zhuǎn)子的運動。②將模擬轉(zhuǎn)子底端平面聯(lián)接到空氣靜壓氣浮軸的軸伸端上，模擬靜電懸浮技術(shù)支懸轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與氣浮電主軸聯(lián)接后由主軸的螺旋拉桿拉緊以限制轉(zhuǎn)子的軸向移動；高速旋轉(zhuǎn)時氣浮軸承的自定心作用可以控制轉(zhuǎn)子與氣浮主軸的不同軸度。③為保證球冠的結(jié)構(gòu)對稱度，設(shè)計時要求了球冠表面的同軸度及端面跳動；為保證球冠的表面光潔度及不破壞它的對稱度，加工時由金剛刀車出鏡面，而不需球面磨削工序。④設(shè)計了出氣孔，在高速運動狀態(tài)下，克服了模擬轉(zhuǎn)子與瓷碗間過于微小的空氣間隙產(chǎn)生的空氣阻滯現(xiàn)象?！鲇幸嫘Ч捎帽景l(fā)明可以使靜電陀螺儀中極軸光電傳感器的光軸相對固聯(lián)于地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)子作切線運動，以模擬靜電陀螺儀中光電傳感器的輸出和所對應(yīng)的角度偏移關(guān)系，在小角度范圍內(nèi)測出與靜電陀螺實際工作狀態(tài)相當(dāng)?shù)膫鞲衅鞣直媛省?br> ■


圖I為基于本發(fā)明的極軸光電傳感器測角、標(biāo)定、對中系統(tǒng)原理示意圖
圖2為極軸光電傳感器角度讀出原理示意圖其中1_光電傳感器，2-模擬轉(zhuǎn)子，3-瓷碗，4-激光干涉儀，5-PZT，6-氣浮軸承，7-片簧
■
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述圖I為極軸光電傳感器測角、標(biāo)定、對中系統(tǒng)原理示意圖。模擬陀螺轉(zhuǎn)子為一個底端為平面的球冠轉(zhuǎn)子，以減小轉(zhuǎn)動慣量。將模擬轉(zhuǎn)子底端平面聯(lián)接到氣浮軸的軸伸端上，模擬靜電懸浮技術(shù)支懸轉(zhuǎn)子。極軸光電傳感器固定在瓷碗上，瓷碗與工作臺相連。通過修切調(diào)整墊片，調(diào)節(jié)瓷碗與球形轉(zhuǎn)子的軸向間隙；瓷碗的徑向微位移由壓電陶瓷微位移器PZT驅(qū)動調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)量為螺釘?shù)拈g隙；安裝在瓷碗上的三對電容傳感器(圖上未畫出)探測瓷碗與球形轉(zhuǎn)子的徑向間隙量，調(diào)整與探測的同時進(jìn)行使兩者之間達(dá)到靜電陀螺儀的工作間隙。另一個PZT對工作臺微位移，使球形模擬轉(zhuǎn)子相對于光電傳感器作切線運動，以實現(xiàn)光電傳感器的小角度偏移。激光干涉儀測量工作臺的移動量，即光電傳感器相對于模擬轉(zhuǎn)子的切線運動量并換算成角度偏移量。工作時，空氣靜壓軸承系統(tǒng)施加支撐控制力矩，調(diào)整轉(zhuǎn)子上的靜壓懸浮力，使轉(zhuǎn)子在陶瓷碗內(nèi)處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。該方法克服了使實際陀螺儀產(chǎn)生漂移的干擾力矩，使自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間有確定的方位，提供了一個精確的方位測量基準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.靜電陀螺儀中極軸光電傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于由于陀螺的漂移和地球表觀運動的存在，極軸光電傳感器的分辨率無法在陀螺本體或陀螺漂移測試臺上測得，為得到極軸光電傳感器分辨率的真實值，發(fā)明了一套具有對中和測角功能的標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括球冠轉(zhuǎn)子、空氣靜壓氣浮軸、陶瓷電極碗、電容傳感器、極軸光電傳感器、壓電陶瓷微位移器PZT、激光干涉儀及工作臺。
2.如權(quán)利要求I所述的極軸光電傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于以一個半徑為R19_的球冠轉(zhuǎn)子模擬直徑為Φ38πιπι的靜電陀螺儀球形轉(zhuǎn)子，該球冠轉(zhuǎn)子由空氣靜壓氣浮軸支承，空氣靜壓氣浮軸帶動球冠轉(zhuǎn)子在自由懸浮狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)以模擬靜電引力狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求I所述的極軸光電傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于陶瓷電極碗固定在工作臺上，安裝在陶瓷電極碗上的三對電容傳感器(圖上未畫出)探測陶瓷電極碗與球冠轉(zhuǎn)子的間隙量并精確定位極軸光電傳感器與球冠轉(zhuǎn)子間的工作距離，調(diào)整與探測的同時進(jìn)行使兩者之間達(dá)到靜電陀螺儀的工作間隙70 μ m。
4.如權(quán)利要求3所述的極軸光電傳感器的標(biāo)定系統(tǒng),其特征在于極軸光電傳感器與陶瓷電極碗固聯(lián)一體，球冠轉(zhuǎn)子置于陶瓷電極碗內(nèi)，調(diào)節(jié)陶瓷電極碗與球冠轉(zhuǎn)子的軸向間隙及徑向微位移，實現(xiàn)極軸光電傳感器光軸與陶瓷電極碗球心的對中及極軸光電傳感器光軸與球冠轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸的兩軸重合。
5.如權(quán)利要求3所述的極軸光電傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于壓電陶瓷微位移器PZT驅(qū)動工作臺微位移，激光干涉儀測量工作臺的移動量，該移動量使極軸光電傳感器的光軸相對于地理坐標(biāo)系固聯(lián)的球冠轉(zhuǎn)子作切線運動。
6.如權(quán)利要求5所述的極軸光電傳感器的標(biāo)定系統(tǒng),其特征在于極軸光電傳感器相對于球冠轉(zhuǎn)子的切線移動量可換算成角度偏移量，以實現(xiàn)極軸光電傳感器的小角度偏移。
7.如權(quán)利要求6所述的極軸光電傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于測量轉(zhuǎn)子極軸的位移量得到角度偏移量，依據(jù)靜電陀螺儀中極軸光電傳感器的輸出和所對應(yīng)的角度偏移關(guān)系，在小角度范圍內(nèi)得到與靜電陀螺實際工作狀態(tài)相當(dāng)?shù)臉O軸光電傳感器分辨率的真實值。
全文摘要
本發(fā)明為靜電陀螺儀極軸光電傳感器分辨率的標(biāo)定系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計了外徑與陀螺轉(zhuǎn)子相同的球冠轉(zhuǎn)子，其被聯(lián)接到空氣靜壓氣浮軸上，球冠轉(zhuǎn)子在自由懸浮狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)以模擬靜電引力狀態(tài)?？諝忪o壓軸承系統(tǒng)施加支撐控制力矩以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子上的靜壓懸浮力，使轉(zhuǎn)子在陶瓷碗內(nèi)處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，克服使陀螺儀產(chǎn)生漂移的干擾力矩。壓電陶瓷微位移器PZT驅(qū)動工作臺微位移，使極軸光電傳感器的光軸與固聯(lián)于地理坐標(biāo)系的球冠轉(zhuǎn)子間作小角度切線運動，以模擬靜電陀螺儀光電傳感器的輸出和所對應(yīng)的微小角度偏移關(guān)系，在小角度范圍內(nèi)測出與靜電陀螺儀實際工作狀態(tài)相當(dāng)?shù)膫鞲衅鞣直媛?。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地得到極軸光電傳感器分辨率的真實值。
文檔編號G01C25/00GK102721423SQ201110415098
公開日2012年10月10日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者惠梅, 鄧年茂 申請人:北京理工大學(xué)