| 标题 | 低成本角度传感器的研制 |
| 范文 | 冯永政 摘 要： 设计一款角度传感器用于高精度液浮陀螺。该角度传感器由转子线圈在定子激磁气隙磁场中的转动来感测变化的角度并输出与角度成比例的电压信号。定子和转子骨架采用超硬铝材料制作，不含铁无电磁吸力，保证了陀螺零位的稳定性和重复性。通过样机抽测证实该角度传感器的线性度高，非线性误差小于5?，相比原来的微动同步器，综合成本大大降低，可靠性得到提高，适合批量生产。 关键词： 液浮陀螺； 角度传感器； 硬铝骨架； 低成本； 微动同步器； 电压信号 中图分类号： TN911.7?34； TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 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 signal0 引 言 角度传感器是液浮陀螺不可缺少的关键元件之一，它将陀螺浮子的机械角位移转换成电信号，用于敏感陀螺浮子转动的角位移，将角位移转换为成正比的交流电压信号[1?3]，并将电压信号输入给放大器用来产生反馈电流。角度传感器的种类很多，在陀螺仪中常用的有：电容传感器、光电传感器、液体开关式、电位器式、霍尔效应感应器、电感传感器、微动同步器、动圈式传感器等[4]。根据陀螺类型和精度要求的不同，所采用的角度传感器类型也大不相同。例如目前国内的研制单位常将液体开关式角度传感器用于垂直陀螺，典型使用单位如中航212厂；而电位器式角度传感器则主要用于燃气陀螺，如中航141厂及兵器203所；电感传感器则主要用在动力调谐陀螺仪上，典型研究机构有中航141厂和中航613所及东南大学；微动同步器则主要用于液浮扭杆式陀螺（开环结构）和液浮速率积分陀螺（闭环结构），典型研究单位有南航、北航、西工大、中航141厂、中航232厂、天津707所等；动圈式传感器则主要用于液浮速率积分陀螺这种闭环系统上，如中航141厂、上海803所、北京13所等。国外如俄罗斯主要用微动同步器作为液浮扭杆式陀螺的角度传感器，用电感传感器作为动力调谐陀螺仪的角度传感器；在美国也是主要用微动同步器作为液浮扭杆式陀螺的角度传感器，而用动圈式传感器作为液浮速率积分陀螺的角度传感器。我国的液浮速率陀螺的角度传感器主要用微动同步器和动圈式传感器这两种结构形式，但这两种角度传感器的结构中都离不开定子铁芯（大都采用1J50软磁合金）组件，其结构复杂，定子铁芯加工精度要求高，制造工艺过程复杂，对软磁材料的热处理和定子毛坯叠片的黏结要求高，工艺参数控制严格，定子铁芯组件的最终成形要依靠慢走丝线切割来完成和保证精度，生产效率低，制造成本高，且在高精度液浮陀螺中，为了提高角度传感器的灵敏度，其定子组件绕组的槽满率高，手工嵌线时易造成漆包线受伤，在使用过程中易出现漆包线断线故障[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，研制一款不含铁的动圈式传感器已势在必行；同时，由于传感器不含铁还可大大减小电磁吸力对陀螺精度的影响。动圈式传感器是一种转动次级输出线圈的感应式传感器，其定子激磁线圈所建立的工作主磁通通过定子固定不变的工作气隙，在定子工作气隙中放入不含铁芯的输出线圈，当输出线圈转动时便改变它对初级激磁线圈的互感效应[6?9]；因此动圈所输出的电压信号能准确反映动圈相对定子的角位移。该款不含铁的动圈式角度传感器其结构简單、成本低廉且易于批量生产，这里取名为圆盘形“8”字线圈传感器，下面主要介绍圆盘形“8”字线圈传感器的研制。1 设计思路及原理 圆盘形“8”字线圈传感器，采用超硬铝材料制造定子骨架和转子骨架，8个空心圆柱形（圆筒状）激磁线圈和8个空心圆柱形（圆筒状）输出线圈均由纯铜漆包线绕制而成。圆筒状激磁线圈和圆筒状输出线圈成对出现，激磁线圈和输出线圈的个数相等（都为8个）、匝数不同。其结构为8个激磁线圈实行串连方式沿定子骨架圆周均布在定子骨架内，8个输出线圈实行两两串联反接沿转子骨架圆周均布在转子骨架内；当输出线圈在定子激磁形成的气隙磁场中转动时，便输出与转角成比例的交流电压信号，其输出信号是两个串联反接线圈的电势差动值。 当转角α=0（即零位）时，激磁线圈的圆心通过输出线圈两个串联反接线圈的对称中心，当给初级激磁线圈两端加上交流电压时，在初级激磁线圈的周围就产生磁场。由于两个输出线圈所匝链的磁通数量相等，故感应电势的大小也相等，而输出线圈串联反接后其感应电势大小相等方向相反，故相互抵消，输出电压为零[2?3]。α=0时的情况图如图1所示。 当转角α≠0时，即传感器输出线圈转子骨架相对定子激磁线圈骨架发生转动时，两个输出线圈所匝链的磁通数量不再相等。其中一个线圈的磁通大于另一个线圈的磁通，感应电势的大小不相等，串联反接后的感应电势之差即为输出信号，输出电压信号的大小在α为小角度时与α的大小成正比[2?3]。如果转角转动方向相反，则输出信号反相。α≠0时的情况如图2所示。2 传感器灵敏度的推导及验证 2.1 灵敏度推导 从计算结果得，角度传感器的非线性误差[Ec]的值小于5?。3 该传感器与微动同步器的对比分析 下面将微动同步器与圆盘形“8”字线圈传感器进行对比分析，对比主要从生产效率成本和性能改善两大方面进行。 3.1 生产效率成本的对比 1） 传感器组成零件及材料。微动同步器由定子、转子、激磁线圈和输出线圈组成，定子和转子材料均为厚度为0.2～0.25 mm的1J50软磁合金，激磁线圈和输出线圈材料均为纯铜漆包线；而圆盘形“8”字线圈传感器由定子骨架、转子骨架、激磁线圈和输出线圈组成，定子骨架和转子骨架的材料均为超硬铝，激磁线圈和输出线圈材料也均为纯铜漆包线。仅就材料成本而言，在陀螺外形尺寸大小相同的情况下，微动同步器的材料成本高于圆盘形“8”字线圈传感器，因为1J50软磁合金的价格远高于超硬铝的价格。 2） 制造工艺过程。微动同步器定子、转子的制造过程完全相同，均为1J50毛坯片真空退火、双面喷胶叠合、慢走丝线切割成形，定子组件中激磁线圈和输出线圈采用手工嵌线；而圆盘形“8”字线圈传感器定子骨架和转子骨架的制造过程也完全相同，由数控车、数控铣和电绝缘氧化完成，激磁线圈和输出线圈由机器绕制完成后通过手工组装完成。就加工效率而言，数控车和数控铣的效率远远高于慢走丝线切割的效率，同时在激磁线圈和输出线圈的绕制方法上，微动同步器是手工嵌线，其效率远低于圆盘形“8”字线圈传感器的机器绕制效率，故在相同的人工成本下，生产效率高的产品其单件的价格就低，因此圆盘形“8”字线圈传感器的制造成本远低于微动同步器的制造成本。综合以上两方面的成本因素，经核算一套圆盘形“8”字线圈传感器的成本约为280元，而一套十六极微动同步器的成本在2 200元左右，经替代后陀螺成本大幅降低。 3.2 性能对比 由于微动同步器是一种属于变压器原理的变磁阻式角度传感器，在定、转子的加工和装配过程中，必然会带来定子与转子的同轴误差。由于定子与转子都为铁磁材料，存在同轴误差时，定子与转子之间就会产生电磁吸力，该电磁吸力在激磁线圈信号频率较低、陀螺指标要求不高的情况下，基本不造成影响可以暂时忽略；但在高精度液浮陀螺中，该电磁吸力的影响就成为了主要矛盾，必须加以解决。因此从设计思想上跳出传统模式，去研制一款不含铁的角度传感器，从原理上摆脱电磁吸力对陀螺的影响，就有了圆盘形“8”字线圈传感器的构想，由于“8”字线圈传感器的激磁线圈和输出线圈中均无铁芯，因此可将激磁信号频率由原来的7 V，1.8 kHz提高到7 V，16 kHz，以提高传感器的灵敏度。使用圆盘形“8”字线圈传感器后对陀螺性能的改善主要有以下三方面： 1） 由于转子骨架为超硬铝材料，替代了微动同步器的转子（1J50），所以陀螺的浮子重量减轻，在浮子体积不变的情况（浮力不变），陀螺浮子两端支撑轴所承受的正压力减小，支撑轴和轴承之间的摩擦力减小，陀螺的回零误差减小。 2） 由于該角度传感器不含铁，因此从原理上消除了用微动同步器附带的电磁吸力，由于电磁吸力在圆周上的分布位置是随机的，因此电磁吸力的消除会大大减小陀螺的位置零位的变化，提高陀螺的位置零位重复性。 3） 由于该角度传感器的线性度高，其非线性误差小于5?，而微动同步器的非线性误差约为5‰，线性度提高一个数量级，提高了传感器精度。4 结 语 综合以上分析，该传感器是一种转动输出线圈的角度传感器，由轻且不含铁的输出动圈在初级激磁线圈形成的气隙磁场中转动来感应角度变化并输出电压信号。由于传感器定子骨架和转子骨架均为超硬铝材料，激磁线圈和输出线圈均由纯铜漆包线绕制而成，整个传感器不含铁，故无电磁吸力，保证了陀螺零位的稳定性和重复性[13?15]。该角度传感器线性度高，其非线性误差小于5?，制造成本和材料成本与原有的微动同步器相比均大大降低，适合大批量生产，是高精度液浮陀螺首选的角度传感器。 参考文献 [1] 黄业绪，史忠科，秦永元，等.传输线上分布电容对微动同步传感器输出的影响分析[J].传感技术学报，2004，17（4）：560?564. 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