馮永政

摘 要： 設(shè)計一款角度傳感器用于高精度液浮陀螺。該角度傳感器由轉(zhuǎn)子線圈在定子激磁氣隙磁場中的轉(zhuǎn)動來感測變化的角度并輸出與角度成比例的電壓信號。定子和轉(zhuǎn)子骨架采用超硬鋁材料制作，不含鐵無電磁吸力，保證了陀螺零位的穩(wěn)定性和重復(fù)性。通過樣機(jī)抽測證實該角度傳感器的線性度高，非線性誤差小于5?，相比原來的微動同步器，綜合成本大大降低，可靠性得到提高，適合批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞： 液浮陀螺； 角度傳感器； 硬鋁骨架； 低成本； 微動同步器； 電壓信號

中圖分類號： TN911.7?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0088?05

Abstract： An angle sensor is designed for the high?precision liquid floated gyro. In the sensor， the varying angles are sensed and measured by means of the rotation of the rotor coil in the stator exciting air?gap magnetic field， and voltage signals proportional to angles are output. The stator and rotor skeletons are made of super hard aluminum material without any iron contained or electromagnetic attraction， which ensures the stability and repeatability of the gyro′s zero position. The test of randomly?selected prototypes was carried out. The results verified that the angle sensor has high linearity （non?linearity error is smaller than 5?）， and in comparison with the original microsyn， has greatly?reduced comprehensive cost and improved reliability， and is suitable for mass production.

Keywords： liquid floated gyro； angle sensor； hard aluminum skeleton； low cost； microsyn； voltage signal

0 引 言

角度傳感器是液浮陀螺不可缺少的關(guān)鍵元件之一，它將陀螺浮子的機(jī)械角位移轉(zhuǎn)換成電信號，用于敏感陀螺浮子轉(zhuǎn)動的角位移，將角位移轉(zhuǎn)換為成正比的交流電壓信號[1?3]，并將電壓信號輸入給放大器用來產(chǎn)生反饋電流。角度傳感器的種類很多，在陀螺儀中常用的有：電容傳感器、光電傳感器、液體開關(guān)式、電位器式、霍爾效應(yīng)感應(yīng)器、電感傳感器、微動同步器、動圈式傳感器等[4]。根據(jù)陀螺類型和精度要求的不同，所采用的角度傳感器類型也大不相同。例如目前國內(nèi)的研制單位常將液體開關(guān)式角度傳感器用于垂直陀螺，典型使用單位如中航212廠；而電位器式角度傳感器則主要用于燃?xì)馔勇?，如中?41廠及兵器203所；電感傳感器則主要用在動力調(diào)諧陀螺儀上，典型研究機(jī)構(gòu)有中航141廠和中航613所及東南大學(xué)；微動同步器則主要用于液浮扭桿式陀螺（開環(huán)結(jié)構(gòu)）和液浮速率積分陀螺（閉環(huán)結(jié)構(gòu)），典型研究單位有南航、北航、西工大、中航141廠、中航232廠、天津707所等；動圈式傳感器則主要用于液浮速率積分陀螺這種閉環(huán)系統(tǒng)上，如中航141廠、上海803所、北京13所等。國外如俄羅斯主要用微動同步器作為液浮扭桿式陀螺的角度傳感器，用電感傳感器作為動力調(diào)諧陀螺儀的角度傳感器；在美國也是主要用微動同步器作為液浮扭桿式陀螺的角度傳感器，而用動圈式傳感器作為液浮速率積分陀螺的角度傳感器。我國的液浮速率陀螺的角度傳感器主要用微動同步器和動圈式傳感器這兩種結(jié)構(gòu)形式，但這兩種角度傳感器的結(jié)構(gòu)中都離不開定子鐵芯（大都采用1J50軟磁合金）組件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，定子鐵芯加工精度要求高，制造工藝過程復(fù)雜，對軟磁材料的熱處理和定子毛坯疊片的黏結(jié)要求高，工藝參數(shù)控制嚴(yán)格，定子鐵芯組件的最終成形要依靠慢走絲線切割來完成和保證精度，生產(chǎn)效率低，制造成本高，且在高精度液浮陀螺中，為了提高角度傳感器的靈敏度，其定子組件繞組的槽滿率高，手工嵌線時易造成漆包線受傷，在使用過程中易出現(xiàn)漆包線斷線故障[5]，導(dǎo)致陀螺可靠性降低。在高精度液浮陀螺批量生產(chǎn)的情況下，為了降低成本，提高陀螺的工作可靠性，研制一款不含鐵的動圈式傳感器已勢在必行；同時，由于傳感器不含鐵還可大大減小電磁吸力對陀螺精度的影響。動圈式傳感器是一種轉(zhuǎn)動次級輸出線圈的感應(yīng)式傳感器，其定子激磁線圈所建立的工作主磁通通過定子固定不變的工作氣隙，在定子工作氣隙中放入不含鐵芯的輸出線圈，當(dāng)輸出線圈轉(zhuǎn)動時便改變它對初級激磁線圈的互感效應(yīng)[6?9]；因此動圈所輸出的電壓信號能準(zhǔn)確反映動圈相對定子的角位移。該款不含鐵的動圈式角度傳感器其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且易于批量生產(chǎn)，這里取名為圓盤形“8”字線圈傳感器，下面主要介紹圓盤形“8”字線圈傳感器的研制。

1 設(shè)計思路及原理

圓盤形“8”字線圈傳感器，采用超硬鋁材料制造定子骨架和轉(zhuǎn)子骨架，8個空心圓柱形（圓筒狀）激磁線圈和8個空心圓柱形（圓筒狀）輸出線圈均由純銅漆包線繞制而成。圓筒狀激磁線圈和圓筒狀輸出線圈成對出現(xiàn)，激磁線圈和輸出線圈的個數(shù)相等（都為8個）、匝數(shù)不同。其結(jié)構(gòu)為8個激磁線圈實行串連方式沿定子骨架圓周均布在定子骨架內(nèi)，8個輸出線圈實行兩兩串聯(lián)反接沿轉(zhuǎn)子骨架圓周均布在轉(zhuǎn)子骨架內(nèi)；當(dāng)輸出線圈在定子激磁形成的氣隙磁場中轉(zhuǎn)動時，便輸出與轉(zhuǎn)角成比例的交流電壓信號，其輸出信號是兩個串聯(lián)反接線圈的電勢差動值。

當(dāng)轉(zhuǎn)角α=0（即零位）時，激磁線圈的圓心通過輸出線圈兩個串聯(lián)反接線圈的對稱中心，當(dāng)給初級激磁線圈兩端加上交流電壓時，在初級激磁線圈的周圍就產(chǎn)生磁場。由于兩個輸出線圈所匝鏈的磁通數(shù)量相等，故感應(yīng)電勢的大小也相等，而輸出線圈串聯(lián)反接后其感應(yīng)電勢大小相等方向相反，故相互抵消，輸出電壓為零[2?3]。α=0時的情況圖如圖1所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)角α≠0時，即傳感器輸出線圈轉(zhuǎn)子骨架相對定子激磁線圈骨架發(fā)生轉(zhuǎn)動時，兩個輸出線圈所匝鏈的磁通數(shù)量不再相等。其中一個線圈的磁通大于另一個線圈的磁通，感應(yīng)電勢的大小不相等，串聯(lián)反接后的感應(yīng)電勢之差即為輸出信號，輸出電壓信號的大小在α為小角度時與α的大小成正比[2?3]。如果轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動方向相反，則輸出信號反相。α≠0時的情況如圖2所示。

2 傳感器靈敏度的推導(dǎo)及驗證

2.1 靈敏度推導(dǎo)

從計算結(jié)果得，角度傳感器的非線性誤差[Ec]的值小于5?。

3 該傳感器與微動同步器的對比分析

下面將微動同步器與圓盤形“8”字線圈傳感器進(jìn)行對比分析，對比主要從生產(chǎn)效率成本和性能改善兩大方面進(jìn)行。

3.1 生產(chǎn)效率成本的對比

1） 傳感器組成零件及材料。微動同步器由定子、轉(zhuǎn)子、激磁線圈和輸出線圈組成，定子和轉(zhuǎn)子材料均為厚度為0.2～0.25 mm的1J50軟磁合金，激磁線圈和輸出線圈材料均為純銅漆包線；而圓盤形“8”字線圈傳感器由定子骨架、轉(zhuǎn)子骨架、激磁線圈和輸出線圈組成，定子骨架和轉(zhuǎn)子骨架的材料均為超硬鋁，激磁線圈和輸出線圈材料也均為純銅漆包線。僅就材料成本而言，在陀螺外形尺寸大小相同的情況下，微動同步器的材料成本高于圓盤形“8”字線圈傳感器，因為1J50軟磁合金的價格遠(yuǎn)高于超硬鋁的價格。

2） 制造工藝過程。微動同步器定子、轉(zhuǎn)子的制造過程完全相同，均為1J50毛坯片真空退火、雙面噴膠疊合、慢走絲線切割成形，定子組件中激磁線圈和輸出線圈采用手工嵌線；而圓盤形“8”字線圈傳感器定子骨架和轉(zhuǎn)子骨架的制造過程也完全相同，由數(shù)控車、數(shù)控銑和電絕緣氧化完成，激磁線圈和輸出線圈由機(jī)器繞制完成后通過手工組裝完成。就加工效率而言，數(shù)控車和數(shù)控銑的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于慢走絲線切割的效率，同時在激磁線圈和輸出線圈的繞制方法上，微動同步器是手工嵌線，其效率遠(yuǎn)低于圓盤形“8”字線圈傳感器的機(jī)器繞制效率，故在相同的人工成本下，生產(chǎn)效率高的產(chǎn)品其單件的價格就低，因此圓盤形“8”字線圈傳感器的制造成本遠(yuǎn)低于微動同步器的制造成本。綜合以上兩方面的成本因素，經(jīng)核算一套圓盤形“8”字線圈傳感器的成本約為280元，而一套十六極微動同步器的成本在2 200元左右，經(jīng)替代后陀螺成本大幅降低。

3.2 性能對比

由于微動同步器是一種屬于變壓器原理的變磁阻式角度傳感器，在定、轉(zhuǎn)子的加工和裝配過程中，必然會帶來定子與轉(zhuǎn)子的同軸誤差。由于定子與轉(zhuǎn)子都為鐵磁材料，存在同軸誤差時，定子與轉(zhuǎn)子之間就會產(chǎn)生電磁吸力，該電磁吸力在激磁線圈信號頻率較低、陀螺指標(biāo)要求不高的情況下，基本不造成影響可以暫時忽略；但在高精度液浮陀螺中，該電磁吸力的影響就成為了主要矛盾，必須加以解決。因此從設(shè)計思想上跳出傳統(tǒng)模式，去研制一款不含鐵的角度傳感器，從原理上擺脫電磁吸力對陀螺的影響，就有了圓盤形“8”字線圈傳感器的構(gòu)想，由于“8”字線圈傳感器的激磁線圈和輸出線圈中均無鐵芯，因此可將激磁信號頻率由原來的7 V，1.8 kHz提高到7 V，16 kHz，以提高傳感器的靈敏度。使用圓盤形“8”字線圈傳感器后對陀螺性能的改善主要有以下三方面：

1） 由于轉(zhuǎn)子骨架為超硬鋁材料，替代了微動同步器的轉(zhuǎn)子（1J50），所以陀螺的浮子重量減輕，在浮子體積不變的情況（浮力不變），陀螺浮子兩端支撐軸所承受的正壓力減小，支撐軸和軸承之間的摩擦力減小，陀螺的回零誤差減小。

2） 由于該角度傳感器不含鐵，因此從原理上消除了用微動同步器附帶的電磁吸力，由于電磁吸力在圓周上的分布位置是隨機(jī)的，因此電磁吸力的消除會大大減小陀螺的位置零位的變化，提高陀螺的位置零位重復(fù)性。

3） 由于該角度傳感器的線性度高，其非線性誤差小于5?，而微動同步器的非線性誤差約為5‰，線性度提高一個數(shù)量級，提高了傳感器精度。

4 結(jié) 語

綜合以上分析，該傳感器是一種轉(zhuǎn)動輸出線圈的角度傳感器，由輕且不含鐵的輸出動圈在初級激磁線圈形成的氣隙磁場中轉(zhuǎn)動來感應(yīng)角度變化并輸出電壓信號。由于傳感器定子骨架和轉(zhuǎn)子骨架均為超硬鋁材料，激磁線圈和輸出線圈均由純銅漆包線繞制而成，整個傳感器不含鐵，故無電磁吸力，保證了陀螺零位的穩(wěn)定性和重復(fù)性[13?15]。該角度傳感器線性度高，其非線性誤差小于5?，制造成本和材料成本與原有的微動同步器相比均大大降低，適合大批量生產(chǎn)，是高精度液浮陀螺首選的角度傳感器。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃業(yè)緒，史忠科，秦永元，等.傳輸線上分布電容對微動同步傳感器輸出的影響分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2004，17（4）：560?564.

HUANG Yexu， SHI Zhongke， QIN Yongyuan， et al. Analysis on influence of distributed capacitance on transmission line to microsyn output [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2004， 17（4）： 560?564.

[2] 南京航空學(xué)院《陀螺電氣元件》編寫組.陀螺電氣元件[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981.

"Gyro electric components" writing group of Nanjing Aeronautics College. Gyro electric components [M]. Beijing： National Defense Industry Press， 1981.

[3] 黃業(yè)緒.高精度液浮陀螺系統(tǒng)的設(shè)計研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

HUANG Yexu. Design research of high?precision liquid floated gyro system [D]. Xian： Northwestern Polytechnical University， 2005.

[4] 楊旭光.動力調(diào)諧陀螺儀角度傳感器的設(shè)計[D].天津：天津大學(xué)，2010.

YANG Xuguang. Design of the angle transducer for dynamically tuned gyro [D]. Tianjin： Tianjin University， 2010.

[5] 張宇晴，張新明，王恩仲.機(jī)載速率陀螺角度傳感器斷線問題的改進(jìn)[C]//2013年首屆中國航空科學(xué)技術(shù)大會論文集.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：686?689.

ZHANG Yuqing， ZHANG Xinming， WANG Enzhong. Improvement of the wire cut?off problem in angle transducers [C]// Proceedings of 2013 1st China Aviation Science and Technology Conference. Beijing： Beihang University Press， 2013： 686?689.

[6] 張丹.基于電磁傳感器的特殊環(huán)境高速運動目標(biāo)速度測量[J].制造業(yè)自動化，2012，34（6）：87?90.

ZHANG Dan. Velocity?testing of high?speed motion object in special environment based on electromagnetic sensor [J]. Manufacturing automation， 2012， 34（6）： 87?90.

[7] 陳國棟，王祥，王建紅，等.磁阻傳感器在六臂井徑測井儀中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35（7）：150?153.

CHEN Guodong， WANG Xiang， WANG Jianhong， et al. Application of magnetoresistive sensors in six?arm caliper logging tool [J]. Transducer and microsystem technologies， 2016， 35（7）： 150?153.

[8] 趙倩，徐凱，尹武良.用于相含率測量的螺旋電磁傳感器優(yōu)化設(shè)計[J].天津大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2014，47（3）：205?211.

ZHAO Qian， XU Kai， YIN Wuliang. Optimal design of spiral electromagnetic sensor for phase holdup measurement [J]. Journal of Tianjin University （Science and technology）， 2014， 47（3）： 205?211.

[9] 安寅，陳棣湘，田武剛.基于TMR的平面電磁傳感器仿真設(shè)計[J].無損檢測，2016，38（4）：33?37.

AN Yin， CHEN Dixiang， TIAN Wugang. TMR?based plane electromagnetic sensor simulation and design [J]. Nondestructive testing， 2016， 38（4）： 33?37.

[10] 陳科球，謝偉廣.一種新型汽車節(jié)氣門角度傳感器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（6）：80?81.

CHEN Keqiu， XIE Weiguang. Design of a new type auto throttle angular sensor [J]. Transducer and microsystem technologies， 2014， 33（6）： 80?81.

[11] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.速率陀螺儀試驗方法：GJB 669—89 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

Commission on Science， Technology， and Industry for National Defense. Test procedure for rate gyros： GJB 669—89 [S]. Beijing： Standards Press of China， 1989.

[12] 崔智軍，楊尚林.基于等效鐵芯電感的磁通門HSPICE分析模型[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2016，29（11）：1673?1677.

CUI Zhijun， YANG Shanglin. HSPICE analysis model of fluxgate based on equivalent core inductance [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2016， 29（11）： 1673?1677.

[13] 黃業(yè)緒，史忠科，趙青，等.減小速率積分陀螺漂移誤差的方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2005，18（3）：607?610.

HUANG Yexu， SHI ZhongKe， ZHAO Qing， et al. Methods for decrease the drift error of rate integrating gyro [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2005， 18（3）： 607?610.

[14] 朱江紅.提高反饋式速率陀螺系統(tǒng)可靠性的技術(shù)研究[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2001，9（1）：60?63.

ZHU Jianghong. Technical research on improving the reliability of the reactive rate gyroscope system [J]. Journal of Chinese inertial technology， 2001， 9（1）： 60?63.

[15] 蔡華.反饋式速率陀螺儀可靠性工藝技術(shù)改進(jìn)[J].導(dǎo)航與控制，2002，1（2）：86?90.

CAI Hua. The technological improvement in reliability of the reaction?type rate gyroscope [J]. Navigation and control， 2002， 1（2）： 86?90.