一種石英加速度計(jì)用磁處理系統(tǒng)研制

郭 祎， 張純喜， 湯海澄

（1.超精密航天控制儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100039；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039；3.上海地西地磁電設(shè)備有限公司，上海201615）

0 引言

石英加速度計(jì)是一種采用恒定磁場的力矩線圈產(chǎn)生電磁反饋力平衡所受加速度的加速度測量傳感器,力矩線圈所處工作氣隙的磁性能對加速度計(jì)性能產(chǎn)生直接影響［1］。磁路結(jié)構(gòu)及力矩器結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。由于裝配精度限制,永磁體只能在力矩器裝配完成后進(jìn)行飽和充磁并退磁到設(shè)計(jì)值。在儀表裝配時(shí),需要對上下力矩器4個(gè)特定位置氣隙磁場強(qiáng)度（圖2中紅色點(diǎn)）進(jìn)行嚴(yán)格配對。因此,在裝配過程中充退磁以及磁測量的準(zhǔn)確度成為儀表精度控制的關(guān)鍵。

圖1 磁路結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of magnetic circuit

圖2 力矩器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of torquer

目前,實(shí)際生產(chǎn)采用人工充磁、退磁、單點(diǎn)旋轉(zhuǎn)測磁的方式進(jìn)行加工。因無法在線實(shí)時(shí)測量磁性能,充退測過程需要反復(fù)進(jìn)行,自動化程度低,平均完成1個(gè)力矩器的充磁、退磁、測磁工作需要約2min。測試依靠人工工裝定位旋轉(zhuǎn)測量,測量位置的重復(fù)性差,容易引入多余物,嚴(yán)重制約了加速度計(jì)精度和生產(chǎn)效率的提升。

國內(nèi)磁電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的磁處理設(shè)備主要為充磁機(jī)與多軸測磁工作臺搭配,充退磁和測量步驟分離,依然需要重復(fù)拆裝。由于力矩器氣隙狹小,成品探頭僅可做到逐點(diǎn)測量,無法做到4點(diǎn)同時(shí)在線測量。國外廠家如美國的Wallker公司、日本的巖崎通訊株式會社等測量技術(shù)發(fā)展成熟、測試精度高［2］,但大部分磁處理設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,無法兼容加速度計(jì)產(chǎn)品需求,且定制設(shè)備價(jià)格昂貴, 無法保證售后［3］。

本文結(jié)合石英撓性加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn),研制了一種磁處理系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）。系統(tǒng)可以一次裝夾完成1個(gè)力矩器組件的飽和充磁、定量退磁、在線測量4點(diǎn)磁場強(qiáng)度的工作。系統(tǒng)避免了重復(fù)拆裝帶來的誤差,大幅減少了操作步驟,提升了力矩器磁性能處理精度和生產(chǎn)效率。

1 設(shè)備概述和技術(shù)特點(diǎn)

系統(tǒng)是多工位、多探頭磁處理裝置,包括充磁電源、磁處理工作臺、冷水機(jī)三個(gè)部分,如圖3所示。由充磁電源提供高電壓,磁處理工作臺進(jìn)行充磁、退磁和測磁操作,水冷機(jī)為工作臺中的線圈進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻。

圖3 力矩器磁處理系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of torquer magnetic processing system

1）充磁過程：設(shè)備利用脈沖電流充磁方式［4］將市電變壓整流,對電容器充以直流高壓電壓,然后通過一個(gè)電阻極小的線圈放電,使電路產(chǎn)生一個(gè)可控、滿足磁場需求的脈沖電流［5-6］。此脈沖電流在線圈內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的磁場,利用永磁材料的三個(gè)特性［7-8］,該磁場使置于線圈中的硬磁材料永久磁化。

充磁電源提供高壓,線圈位于磁處理工作臺機(jī)柜內(nèi)。為了滿足大矯頑力磁鋼的飽和充磁需求,選用了最大輸出電流為30000A、電容容量為20F的充磁電源,可在Φ30mm×12mm區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度不小于 6T［9］的磁場。

2）測磁過程：利用霍爾效應(yīng)［2］將霍爾探頭垂直置于氣隙磁場中,當(dāng)霍爾探頭中的電流沿垂直于氣隙磁場的方向流動時(shí),會形成感應(yīng)電動勢,由霍爾探頭拾取該電動勢并輸出。

由于砷化鎵（GaAs）霍爾元件具有靈敏度高、線性度好、溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)［10］,系統(tǒng)選用了4個(gè)厚度僅為0.025mm的砷化鎵微型薄膜霍爾元件,可滿足0.75mm寬度的圓環(huán)型氣隙磁場多點(diǎn)同時(shí)測量。

3）退磁過程：退磁原理與充磁原理類似,在工作時(shí)根據(jù)所工作磁鋼的矯頑力值不同,設(shè)定不同的退磁電壓,通過脈沖逼近方式進(jìn)行退磁,達(dá)到技術(shù)要求值。永磁體飽和充磁后,系統(tǒng)會根據(jù)測量結(jié)果確定是否退磁。當(dāng)測量結(jié)果高于合格范圍上限時(shí),系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的初始退磁電壓、退磁增量反向退磁,直到測量結(jié)果在合格范圍內(nèi)。

本設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)主要有：

1）首次采用多探頭設(shè)計(jì),可同時(shí)測量周向均布4點(diǎn)的磁場值。

2）同時(shí)具備磁鋼飽和充磁、退磁、在線測磁功能,可將三步合為一步,大幅減少操作重復(fù)次數(shù),完成1個(gè)力矩器最長20s,提升工作效率達(dá)9倍。

3）無需拆裝,保證測量位置一致,避免重復(fù)測量誤差及多余物。

4）適用于多種類型、規(guī)格的石英撓性加速度計(jì)力矩器,兼容矯頑力為1.5kA/m～15kA/m的磁鋼飽和充磁和退磁。

5）具有自動化和智能化的特點(diǎn),可根據(jù)磁處理參數(shù)設(shè)置進(jìn)行自動充退磁、在線測量等操作,可設(shè)定不同的磁處理程序,對參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)定,以滿足不同永磁材料的處理要求。

2 適應(yīng)性設(shè)計(jì)方案

為滿足石英加速度計(jì)力矩器的生產(chǎn)需求,需要對系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要部分為磁處理工作臺,包括2個(gè)不同工位、控制面板和機(jī)柜,如圖4所示。

圖4 磁處理工作臺的設(shè)計(jì)Fig.4 Design of magnetizing table

目前,在產(chǎn)的石英加速度計(jì)有2種尺寸的力矩器,因此在工作機(jī)柜臺面上設(shè)置了2個(gè)不同尺寸的工位,如圖4所示。工位中設(shè)置了集成測頭、治具和壓緊工裝,如圖5（a）所示。測頭與待處理件間隙配合,配合間隙為0.005mm～0.01mm（單邊）。測頭呈周向90°均勻分布,如圖5（b）所示。

圖5 測頭示意圖Fig.5 Diagram of probe

其中,集成測頭是由金屬固定芯以及4個(gè)薄膜霍爾探頭粘接而成?；魻柼筋^采用砷化鎵薄膜霍爾片及直徑僅為0.025mm的5根金絲,使用避光膠進(jìn)行封裝,成品厚度僅為0.25mm。由于霍爾探頭結(jié)構(gòu)十分脆弱,因此在集成測頭上設(shè)計(jì)凹槽,使用強(qiáng)度較高的環(huán)氧膠粘劑將霍爾探頭封裝在凹槽內(nèi),兼顧做到保護(hù)和固定霍爾探頭的作用。測量時(shí),零件安放于集成測頭上,零件內(nèi)孔與集成測頭外圓配合定位,霍爾探頭探入零件氣隙內(nèi)部設(shè)計(jì)要求的位置,測量該位置的磁場強(qiáng)度,如圖6所示。

圖6 磁測量示意圖Fig.6 Diagram of magnetic measurement

工作箱體中設(shè)置有充退磁線圈和頂升機(jī)構(gòu),集成測頭安裝在夾具上并固定在頂升機(jī)構(gòu)中。工作箱體上臺面設(shè)置有通孔,壓緊機(jī)構(gòu)安裝在工作箱體的上臺面上,壓緊機(jī)構(gòu)、集成測頭、頂升機(jī)構(gòu)與工作箱體上臺面的通孔同軸。在工作時(shí),壓緊機(jī)構(gòu)根據(jù)退磁磁場要求移動至適宜位置,達(dá)到設(shè)定的退磁磁場要求。

具體磁處理及測量流程如圖7所示。工作時(shí),將待處理件放置在集成測頭上,即將集成測頭放入待處理件磁軛氣隙中,待處理件刻線與集成測頭上的刻線對齊,保證相對位置,集成測頭與待處理件間隙配合,并卡滯在限位面處,使傳感器探頭位置匹配待處理件上的測量點(diǎn),壓緊機(jī)構(gòu)壓緊待處理件,頂升機(jī)構(gòu)帶動待處理件及集成測頭由工作箱體上臺面的通孔進(jìn)入充退磁線圈的磁場空間。

圖7 系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.7 Diagram of system workflow

系統(tǒng)預(yù)設(shè)待處理件的充磁磁場強(qiáng)度B0、退磁磁場強(qiáng)度B1及充磁模式,充磁模式包括飽和充磁模式及退磁模式。磁處理系統(tǒng)控制充退磁線圈的電流,對充退磁線圈通電產(chǎn)生磁場,對待處理件充磁,傳感器探頭實(shí)時(shí)測量待處理件的充磁磁場強(qiáng)度B。

在飽和充磁模式下,當(dāng)傳感器探頭檢測到的充磁磁場強(qiáng)度B達(dá)到B0時(shí),則停止充磁,頂升機(jī)構(gòu)帶動待處理件及集成測頭由工作箱體伸出上臺面,壓緊機(jī)構(gòu)解除對待處理件的壓緊。

在退磁模式下,可先進(jìn)行飽和充磁或者當(dāng)傳感器探頭檢測到的充磁磁場強(qiáng)度B達(dá)到B0時(shí),調(diào)整充退磁線圈的電流,對待處理件退磁。傳感器探頭實(shí)時(shí)測量待處理件的退磁磁場強(qiáng)度B′,當(dāng)檢測到的退磁磁場強(qiáng)度B′達(dá)到B1值時(shí),停止退磁。頂升機(jī)構(gòu)帶動待處理件及集成測頭由工作箱體伸出上臺面,壓緊機(jī)構(gòu)解除對待處理件的壓緊。在進(jìn)行小矯頑力磁鋼退磁操作時(shí),為控制退磁場將待處理組件移動到工作臺面上進(jìn)行退磁工作。

操作界面可以設(shè)定多個(gè)用戶參數(shù),每個(gè)用戶參數(shù)分別可以設(shè)定磁處理工藝參數(shù),包括充磁電壓、退磁電壓、退磁范圍等。完成1個(gè)零件的磁處理工作后,設(shè)備可自動進(jìn)行流水號的賦予。

數(shù)據(jù)可由設(shè)備自帶U盤拷出,通過轉(zhuǎn)換軟件處理后,可生成Excel表格,表格中包含磁處理中的全部參數(shù)明細(xì)及測試過程記錄。

3 應(yīng)用及效果

對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際磁處理操作,以驗(yàn)證系統(tǒng)的使用可行性。

3.1 驗(yàn)證方法

1）驗(yàn)證設(shè)備設(shè)計(jì)場強(qiáng)足夠。采用設(shè)備對使用大矯頑力磁鋼的力矩器進(jìn)行飽和充磁,與以往磁鋼飽和充磁后數(shù)據(jù)作對比,驗(yàn)證磁鋼充磁足夠飽和。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),目前在用的大矯頑力磁鋼飽和充磁后,力矩器氣息磁場強(qiáng)度值應(yīng)為5300Gs～5600Gs。

2）驗(yàn)證設(shè)備對采用不同矯頑力磁鋼的力矩器或不同尺寸力矩器均可完成飽和充磁及定量退磁的操作。采用力矩器處理系統(tǒng)分別對大小矯頑力力矩器按照工藝要求進(jìn)行飽和充磁和退磁,測試點(diǎn)位如圖8所示。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),目前在用的大矯頑力磁鋼飽和充磁后氣隙磁場值為5300Gs～5600Gs,退磁后氣隙磁場值要求在 5100Gs～5400Gs；小矯頑力磁鋼飽和充磁后氣隙磁場值為5600Gs～5900Gs,退磁后氣隙磁場值要求在4600Gs～4900Gs。

圖8 力矩器測量點(diǎn)分布示意圖Fig.8 Distribution of measurement points in torquer

3）裝配石英加速度計(jì),標(biāo)定標(biāo)度因數(shù)K1, 驗(yàn)證磁處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。在氣隙磁場值為4300Gs～4600Gs范圍內(nèi),裝配儀表的K1應(yīng)滿足1.15mA/g～1.25mA/g。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述驗(yàn)證方法,采用新型磁處理系統(tǒng)對生產(chǎn)線上一批次的力矩器（100個(gè)）進(jìn)行充磁、退磁試驗(yàn)。試驗(yàn)中,按照不同磁鋼磁處理所需充磁場、退磁場要求設(shè)置了單獨(dú)的程序。測得的大小矯頑力磁鋼數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 大矯頑力磁鋼測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of magnetic steel with high coercive force

表2 小矯頑力磁鋼測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of magnetic steel with low coercive force

由表1、表2可知,飽和充磁后氣隙磁場實(shí)測值均能達(dá)到原飽和充磁要求值,說明磁鋼已達(dá)到飽和。退磁后的實(shí)測值也均可達(dá)到要求值,且各點(diǎn)差值不超過120Gs,說明退磁效果均勻可靠,滿足工藝要求。

選擇小矯頑力力矩器（表2所示）,進(jìn)行石英加速度計(jì)實(shí)際裝機(jī)試驗(yàn)。采用4位置翻滾測量法分離儀表輸出模型方程系數(shù)中的標(biāo)度因數(shù)K1,如表3所示。

表3 實(shí)際裝配石英加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)K1數(shù)據(jù)Table 3 Scale factor K1of actually assembled quartz accelerometers

由表3可知,實(shí)際裝配石英加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)K1的實(shí)測值滿足產(chǎn)品指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

針對石英加速度計(jì)力矩器磁處理精度、效率的提升要求,本文提出了一種免拆裝進(jìn)行磁處理的思路,并搭建了系統(tǒng)。系統(tǒng)在操作中實(shí)現(xiàn)了一次裝夾完成所有工藝要求的磁處理步驟,可滿足不同性能磁鋼的充磁、退磁處理要求,大幅減少了反復(fù)充磁、退磁和測磁操作步驟,明顯提高了操作效率,并減少了多余物引入的途徑。數(shù)據(jù)由設(shè)備實(shí)時(shí)記錄,包含信息完整,并輸出成為表格文件,采用計(jì)算機(jī)處理,減少了人為處理失誤。新型磁處理設(shè)備在使用中表現(xiàn)良好,可以滿足目前的生產(chǎn)需求。

新型的磁處理系統(tǒng)目前已應(yīng)用于相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)中,經(jīng)過大量產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)踐,磁處理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,其設(shè)計(jì)理念可推廣于其他儀表研制生產(chǎn)領(lǐng)域。