淺析減小三自由度陀螺傳感器零位的工藝方法

李 婧，張義福

（1.陜西寶成航空儀表有限責任公司裝配部，寶雞721006；2.陜西寶成航空儀表有限責任公司技術中心，寶雞721006）

0 引言

三自由度陀螺是導彈導引頭穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的核心慣性器件，利用其定軸性和進動性及其構成的穩(wěn)定閉合回路來穩(wěn)定和控制雙軸穩(wěn)定平臺，為彈體提供慣性參考基準，從而使導彈捕捉、跟蹤并擊中空中或地面目標。如圖1所示，三自由度陀螺屬于小型轉子陀螺，由陀螺電機、傳感器、力矩器、內外環(huán)架和殼體等組成。力矩器的永磁體 （5）與磁軛 （7）構成一個直流閉合磁路， 和傳感器磁極 （8）一起與內環(huán) （2）、 陀螺電機 （1）軸剛性固連在一起。力矩器的繞組支架組件（6）處于直流閉合磁路的氣隙之間，并連接在陀螺殼體 （4）上，傳感器的定子組件 （10）也與陀螺殼體 （4）固連。 該陀螺結構采用小型化和球面設計，具備撓性陀螺的特征，具有角位置和角速率雙重功能，其體積小、質量小、精度高、進動角速度大、抗沖擊振動等特點特別適合空空、空地導彈的導引控制系統(tǒng)，在空空、空地導彈中應用較多。

圖1 三自由度陀螺的結構原理圖Fig.1 Structural schematic diagram of the unrestrained gyroscope

傳感器是陀螺的重要部件，感應陀螺電機轉子與殼體的相對運動角度，輸出與角度成比例的電信號，并轉變?yōu)槌杀壤碾娦盘杺鬏斀o控制系統(tǒng)。當陀螺處于零位，即陀螺電機轉子與殼體的角度為零時，傳感器輸出信號即是陀螺零位信號。但實際上傳感器輸出陀螺零位包括陀螺真實零位和傳感器自身存在零位，當傳感器自身存在較大零位時，傳感器輸出陀螺零位與陀螺真實零位存在偏差。對于傳感器自身零位問題，在設計過程中已做了著重考慮，采用差動技術進行對稱設計就是從理論上消除零位誤差和偶次非線性項，但是在實際生產過程中，其制造精度和質量的優(yōu)略決定了傳感器自身零位精度。本文針對制造過程中的一些因素進行分析，在工藝上采用選配方法實現滿足對稱設計目的，以期望減小傳感器零位，提高傳感器輸出的陀螺零位精度。

1 傳感器的結構及工作原理

傳感器屬電磁感應式 （變壓器式）傳感器。以X軸傳感器為例，如圖2所示，它由兩個相同的“山”型傳感器組成，分別在陀螺上、下兩端，“山”型傳感器由傳感器定子組件和傳感器磁極組成。傳感器定子組件包括U型鐵芯、激磁繞組、次級繞組，安裝在殼體上；傳感器磁極固裝在轉子組件上。

圖2 X軸傳感器結構關系示意圖Fig.2 Structural diagram of X-axis sensor

“山”型傳感器是差動互感式傳感器，由兩個相同對稱的U型傳感器T1和T′1組成，二者同用一個激磁繞組，但初級繞組分開，次級繞組反向串聯(lián)成合成繞組 （Uo1-U′o1）； 上、 下的“山” 型傳感器激磁繞組是并聯(lián)關系，激磁電壓為Uj，合成次級繞組同向串聯(lián)， 輸出Uo＝2× （Uo1-U′o1）。

當陀螺工作在零位時，傳感器磁極停在 “山”型鐵芯的中央，其邊沿正好對準 “山”型T1、T′1兩側鐵芯磁極的S／2面積上，對應面積相等，左、右兩端磁路的磁勢、磁通、磁阻相等，兩側鐵芯次級繞組產生感應電勢大小相等。由于兩感應繞組反向串聯(lián)，電勢抵消，每個輸出端（Uo1-U′o1）無信號輸出，總輸出Uo為零。

當內環(huán)組件旋轉時，傳感器磁極偏離零位，假設順時針轉動一個角度。這時，上端 “山”型傳感器的磁極處在右邊，磁路面積發(fā)生了差動變化，右側U型傳感器感應電勢大于左側，輸出端（Uo1-U′o1）有差值電壓輸出； 下端“山” 型傳感器的磁極處在左邊，磁路面積同樣發(fā)生了差動變化，左側U型傳感器感應電勢大于右側，輸出端（Uo1-U′o1）有差值電壓輸出； Uo是上、 下“山” 型傳感器輸出之和。

2 傳感器零位位置的數學模型

為了便于直觀說明，以X軸為例給出傳感器等效原理示意圖，如圖3所示。

圖3 X軸傳感器等效原理示意圖Fig.3 Equivalent principle diagram of X-axis sensor

由于上、下端的傳感器相同，這里只給出上端傳感器的分析。上端傳感器中，根據電磁定律，在陀螺處于零位狀態(tài)下，T1、T′1次級繞組的零位輸出電壓為：

反向串聯(lián)電壓為：

其中， Eo1、 E′o1為 T1、 T′1的次級繞組感應電勢， N1、 N′1為 T1、 T′1的次級繞組匝數， Φ1、 Φ′1為 T1、 T′1的磁路磁通量， Fm1、 F′m1為 T1、 T′1的磁路磁勢， Rm1、 R′m1為 T1、 T′1的磁回路總磁阻， Nj為 T1、 T′1的同用激磁繞組匝數， Ij為 T1、 T′1的同用激磁繞組電流。

磁回路包括U型鐵芯、傳感器磁極、激磁繞組的氣隙、次級繞組的氣隙共4段，回路總磁阻為：

其中， RmFe、 R′mFe為 T1、 T′1的 U 型鐵芯磁阻，RmJ、 R′mJ為 T1、 T′1的傳感器磁極磁阻， Rmδ1、 R′mδ1為 T1、 T′1的激磁繞組毗鄰的氣隙磁阻， Rmδ2、 R′mδ2為 T1、 T′1的次級繞組毗鄰的氣隙磁阻， IFe、 I′Fe為T1、 T′1的U型鐵芯長， μFe、 μ′Fe為T1、 T′1的U型鐵芯磁導率， SFe、 S′Fe為 T1、 T′1的 U 型鐵芯截面積，IJ、 I′J為 T1、 T′1的傳感器磁極等效長， μJ、 μ′J為T1、 T′1的傳感器磁極磁導率， SJ、 S′J為 T1、 T′1的傳感器磁極等效截面積， δ0、 δ′0為 T1、 T′1的氣隙，μ0為空氣磁導率。

3 T1、 T′1 傳感器不對稱點分析

分析式 （4）和式 （5），Rm1與R′m1中， 除結構保證的δ0＝ δ′0外， 任一對應參數不相等， 則 Rm1≠ R′m1。

在產品設計上，T1、T′1傳感器結構對稱，其U型鐵芯、次級繞組均是同一個零部件圖號，傳感器磁極共用一個零件，理論上N1與N′1、Rm1與R′m1應相等。但是，對于鐵芯和次級繞組，即使同一零部件圖號，由于制造因素、因材料差異和工藝過程不一致性等因素，生產出的零部件也會存在差異。不同的 U型鐵芯其 IFe、μFe、SFe有差異，RmFe與R′mFe不相等，不同的次級繞組其匝數N1存在不同。如果由不同的U型鐵芯、次級繞組組裝成T1、T′1傳感器，那么就會造成兩個傳感器對稱點性能參數不等，導致上傳感器在零位狀態(tài)下輸出零位不為零。

4 工藝方法及技術分析

4.1 疊片性能參數的控制

不同U型鐵芯的IFe、μFe、SFe有差異，主要產生于工藝過程中。U型鐵芯由U型疊片疊壓而成，工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程Fig.4 Technological process

在流程的每個環(huán)節(jié)中，不同廠家的硅鋼板磁性能（包含μFe）有差異，不同沖壓工裝沖出的疊片尺寸不一樣，疊合成鐵芯的SFe、IFe存在差異，不在同一爐熱處理的疊片磁性能 （包含μFe）也有差別。如果組成鐵芯的疊片有不同廠家的硅鋼板下料、用不同工裝沖壓、不是同一爐處理，那么都會造成每個鐵芯的IFe、μFe、SFe有很大差異。疊片性能參數一致性非常重要，所以要加強工藝過程。措施要求：組成T1、T′1傳感器必須用同一批U型鐵芯，同一批鐵芯必須由同一廠家同一批硅鋼板下料、同一個工裝沖壓、經同一爐處理的疊片疊合而成。

4.2 U型鐵芯性能參數的測試與選配

通過對疊片磁性能參數采取的措施，磁性能一致性得到一定控制，U型鐵芯的性能參數一致性也得到一定控制。但是，由于疊片磁性能的工藝控制難度大，即使同一批中的疊片磁性能仍有不同程度差異，而且疊片在加工、轉運、疊合過程中產生的應力也將對磁性能造成損失，所以疊合的鐵芯的磁性能等參數差異仍然較大，達不到T1、T′1對稱傳感器所用的鐵芯參數基本相同的要求，傳感器零位很大。

實際上， 同一個上 （下）傳感器上的T1、T′1傳感器要求所用的兩個鐵芯性能參數基本相同，不同的上（下）傳感器則不需要鐵芯性能參數相同。這樣，要達到T1、T′1傳感器所用的鐵芯參數相同，只要有兩個鐵芯性能參數盡量相同即可，并不一定需要同一批鐵芯IFe、μFe、SFe盡量相同。因此，在同一批鐵芯中選取性能參數相同的兩個鐵芯配成一組，就能滿足T1、T′1傳感器的要求。為此，采用測試選配法，將一批鐵芯分成兩兩一組，供組裝T1、T′1傳感器使用，測試原理如圖5所示。給定激磁電壓Vj， 將被測鐵芯放入工裝線圈，測量輸出V0。從變壓器原理可知，輸出V0與被測鐵芯磁阻Rm1一一對應，V0可代表Rm1的變化。

圖5 U型鐵芯測試原理圖Fig.5 Schematic diagram of U-core test

表1記錄了某一批U型鐵芯的測量結果。

表1 U型鐵芯輸出電壓V0Table 1 Output voltage of U-core

由表1可知，同一批鐵芯的磁阻存在差異，其輸出電壓最大最小值變化量為0.0816V。

根據輸出電壓值，將數值相同或相近的U型鐵芯配成對，表2是選配成對的結果。

表2 U型鐵芯配對情況Table 2 Matching condition of U-core

由表2可知，配對U型鐵芯差值最大為0.0223V，最小為0V。通過配對，傳感器 （T1和T′1）的一對U型鐵芯的差異可以控制很小。

4.3 次級繞組參數的測試和選配

T1、T′1傳感器次級繞組共用一個圖號，理論上，按此圖號生產出的次級繞組匝數相同。但由于生產過程人員、設備差異，即使同一批次級繞組，其匝數也存在差別。T1、T′1傳感器上的次級繞組匝數不相等，其感應電勢不同，反向串聯(lián)輸出零位不為零。為了減小零位，對次級繞組進行測試選配，測試原理如圖5所示。

給工裝繞組加激磁電壓Vj，將被測次級繞組放入工裝鐵芯，測試輸出電壓V0，工裝繞組和工裝鐵芯不變，輸出電壓V0只與被測次級繞組有關。根據變壓器原理，輸出電壓與被測次級繞組一一對應，輸出電壓差異反應被測次級繞組的差異。

圖6 次級繞組測試原理圖Fig.6 Test schematic diagram of secondary winding

表3是某一批次級繞組的測試電壓值，從數據可知：不同次級繞組輸出電壓值差異較大，說明不同次級繞組差異較大。

表3 次級繞組輸出電壓V0Table 3 Output voltage of secondary winding

根據數值，選配輸出電壓基本相同或相近的兩個次級繞組配作一組，配組數據如表4所示。

表4 次級繞組配對情況Table 4 Matching condition of secondary winding

由表4可知，配對次級繞組差值最大為0.094V，最小為0V。通過配對，用于傳感器（T1和T′1）的一對次級繞組的差異可以控制很小。

5 試驗驗證

按照上述方法，生產一批U型鐵芯和次級繞組，配對U型鐵芯輸出電壓差值控制≤5mV，配對次級繞組輸出電壓差值控制≤5mV。用選配成對的U型鐵芯和線圈組裝成的上 （下）傳感器 （T1和T′1），再組成X軸和Y軸傳感器。 在陀螺裝配過程中，如出現因傳感器所引起的零位超差問題時，用組裝的傳感器進行更換，測試出零位數據并對比前后變化。表5是更換8只陀螺的零位數據。

表5 陀螺更換傳感器前后零位變化統(tǒng)計表Table 5 Statistical chart of the zero position before and after changing the sensor

從8只產品試驗統(tǒng)計結果來看，更換傳感器后陀螺零位減小，最大減小量為32mV，而且更換后X軸、Y軸傳感器零位對稱性有所改善，品質提高。

6 結論

通過采取對同一批U型疊片必須是同一廠家同一批硅鋼板下料、同一個工裝沖壓、經同一爐處理的措施，同一批U型疊片性能參數一致性得到一定控制。

分別對U型鐵芯和次級繞組采用測試配對方法后傳感器輸出陀螺零位減小，X軸、Y軸傳感器輸出零位對稱性有所改善，品質提高。

由于對U型鐵芯和線圈的配對輸出電壓值控制越小，零位越小，陀螺品質越高，建議隨著生產條件和工藝設備改進不斷加強控制措施，以提高陀螺零位精度和品質。

［1］王壬琳 .加速度計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1982.WANG Ren-lin.Accelerometer［M］.Beijing： National Defense Industry Press，1982.

［2］ 巨漢基，朱萬華，方廣有.磁芯感應線圈傳感器綜述［J］. 地球物理學進展， 2010， 25 （5）： 1870-1876.JU Han-ji， ZHU Wan-hua， FANG Guang-you.A review on ferromagnetic induction coil sensors［J］.Progress in Geophysics， 2010， 25 （5）： 1870-1876.

［3］ 李建明，梁作德，李華春，等.高磁感硅鋼片電磁性能比較分析及應用［J］. 變壓器， 2014， 51 （4）： 37-40.LI Jian-ming， LIANG Zuo-de， LI Hua-chun， et al.Comparative analysis and application ofelectromagnetic proper-ties of high magnetic induction Silicon steel sheet［J］.Transformer， 2014， 51 （4）： 37-40.

［4］童亮.基于微型磁芯感應傳感器的道路交通流量調查系統(tǒng)研究［J］. 儀表技術與傳感器， 2014 （3）： 4-7.TONG Liang.Study on road traffic survey system based on micro-ferromagnetic induction coil sensor ［J］.Instrument Technique and Sensor， 2014 （3）： 4-7.

［5］ 李萌，鄭長松，李和言，等.電感式磨粒在線監(jiān)測傳感器的激勵特性分析［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（6）： 19-22+30.LI Meng， ZHENG Chang-song， LI He-yan， et al.Analysis on incentive characteristic of inductance wear particle on-line monitoring sensor［J］.Transducer and Microsystem Technologies， 2014， 33 （6）： 19-22+30.

［6］ 王兵，邵帥，華晉偉，等.基于差動變壓器的編織式鋼絲損傷檢測傳感器［J］.儀表技術與傳感器，2014（1）： 16-18.WANG Bing， SHAO Shuai， HUA Jin-wei， etal.Weaving steel wire brokens's detecting sensor based on linear variable differential transformer［J］.Instrument Technique and Sensor， 2014 （1）： 16-18.