一种电磁感应陀螺仪.pdf

一种电磁感应陀螺仪，由线圈、磁导轴、磁探测面板组成，线圈绕于磁导轴之上，磁导轴与磁探测面板相联接。当陀螺仪在地磁场或其它外部磁场中运动时，通过线圈的磁通量发生变化，因而在线圈两端产生感应电动势。感应电动势与陀螺仪中的线圈轴向相对于磁场方向的夹角及旋转速度有关。基于电磁感应的陀螺仪为一种无源的旋转监测传感器，这种陀螺仪具有结构简单稳定、体积小、抗冲击能力强、温度性能稳定以及应用方便的特点，可广泛应用于旋转物体的角速度测量以及磁场强度的测量。

1.  一种电磁感应陀螺仪，其特征在于：陀螺仪由线圈(1)、磁导轴(2)组成，线圈(1)绕于磁导轴(2)外周，线圈(1)产生的感应电动势信号由导线(4)引出。

2.  如权利要求1所述的一种电磁感应陀螺仪，其特征在于：磁导轴(2)的两端联接有磁探测面板(3)。

3.  如权利要求1或2所述的一种电磁感应陀螺仪，其特征在于：两根磁导轴(2)分别固定于相互垂直的两个方向构成二维电磁感应陀螺仪；三根磁导轴(2)分别固定于相互垂直的三个方向构成三维电磁感应陀螺仪。

4.  如权利要求1或2所述的一种电磁感应陀螺仪，其特征在于：当外加磁场为静磁场或低频磁场环境时，磁导轴(2)及磁探测面板(3)选用铁磁材料制成；当外加磁场为高频磁场环境时，磁导轴(2)及磁探测面板(3)选用铁氧体材料制成。

一种电磁感应陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种基于电磁感应的陀螺仪。本发明在空间飞行器及旋转物体的角速度监测方面具有特殊用途，如飞机和导弹的导航，但也可广泛应用于其他旋转物体的角速度测量，如机械手的移动和旋转控制，以及磁场强度的测量。
背景技术
陀螺仪是一种旋转监测传感器，在工程技术以及科学研究中有着广泛的应用，如飞行器的导航、机械手的移动和旋转控制等方面。目前常用的陀螺仪有机械陀螺仪、压电晶体陀螺仪、激光陀螺仪和光纤陀螺仪几种。机械陀螺仪精读高、稳定性能好，但抗冲击能力差且体积和重量大。压电晶体陀螺仪的体积小，但精度低且稳定性较差。激光陀螺仪和光纤陀螺仪精度高，但构型复杂、造价昂贵，且激光陀螺仪和光纤陀螺仪均为有源的陀螺仪，需要供电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电磁感应的陀螺仪，它克服了现有技术的缺陷，具有结构简单稳定、体积小、抗冲击能力强、温度性能稳定以及应用方便的特点。
本发明的目的是通过如下途径实现的：一种电磁感应陀螺仪，陀螺仪由线圈、磁导轴组成，线圈绕于磁导轴外周，线圈产生的感应电动势信号由导线引出。磁导轴的两端联接有磁探测面板。两根磁导轴分别固定于相互垂直的两个方向构成二维电磁感应陀螺仪；三根磁导轴分别固定于相互垂直的三个方向构成三维电磁感应陀螺仪。当外加磁场为静磁场或低频磁场环境时，磁导轴及磁探测面板选用铁磁材料制成；当外加磁场为高频磁场环境时，磁导轴及磁探测面板选用铁氧体材料制成。
当陀螺仪在地磁场或其它外部磁场中运动时，通过线圈的磁通量发生变化，因而在线圈两端产生感应电动势。感应电动势与陀螺仪中的线圈轴向相对于磁力线方向的夹角及旋转速度有关，与发电机的原理一致。与常规发电机相比，地磁场或其它外部磁场相应于发电机中永久磁铁产生的磁场。因此基于电磁感应的陀螺仪为一种无源的旋转监测传感器，这种陀螺仪具有结构简单稳定、体积小、抗冲击能力强、温度性能稳定以及应用方便的特点。
附图说明
下面结合附图对本发明的目的和实现途径作进一步详细说明：
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为二维电磁感应陀螺仪在X-Y平面内的结构图；
图3为三维电磁感应陀螺仪的X-Y平面剖面结构图；
图4为三维电磁感应陀螺仪的X-Z平面剖面结构图；
图5为三维电磁感应陀螺仪的Y-Z平面剖面结构图。
具体实施方式
一种电磁感应陀螺仪，陀螺仪由线圈1、磁导轴2组成，线圈1绕于磁导轴2外周，线圈1产生的感应电动势信号由导线4引出。为了进一步提升精度，磁导轴2的两端联接有磁探测面板3，磁探测面板3的面积越大效果越好。
实施例1，如图1所示，这是一维的电磁感应陀螺仪，陀螺仪由线圈1、磁导轴2、磁探测面板3组成，线圈1绕于磁导轴2外周，磁导轴2的两端联接有磁探测面板3，线圈1产生的感应电动势信号由导线4引出。
实施例2，如图2所示，这是二维的电磁感应陀螺仪，陀螺仪由两组线圈1、磁导轴2、磁探测面板3组成，线圈1绕于磁导轴2外周，磁导轴2的两端联接有磁探测面板3，相邻的磁探测面板3之间不能磁联通，两根磁导轴2分别固定于相互垂直的两个方向，线圈1产生的感应电动势信号由导线4引出。
实施例3，如图3-5所示，这是三维的电磁感应陀螺仪，陀螺仪由三组线圈1、磁导轴2、磁探测面板3组成，线圈1绕于磁导轴2外周，磁导轴2的两端联接有磁探测面板3，相邻的磁探测面板3之间不能磁联通，两根磁导轴2分别固定于相互垂直的三个方向，线圈1产生的感应电动势信号由导线4引出。
本发明的原理如下：
当陀螺仪在磁场中运动时，设在某一时刻由铁磁材料构成的磁探测面板3的法向n与磁场H的夹角为θ，磁探测面板3的面积为A，则通过磁探测面板3的磁通量Ф为Ф＝BAcos(θ)，这里B为铁磁材料中的磁感应强度，如图1所示。由铁磁材料构成的磁导轴2与磁探测面板3相联接。线圈1绕于磁导轴2之上。通过磁探测面板3的磁通进入磁导轴2，因此通过线圈的磁通量也为BAcos(θ)。当磁探测面板3的法向相对于磁场方向发生转动时，通过线圈的磁通量发生变化，因而在线圈两端产生感应电动势。感应电动势U的大小正比于磁通量Ф对时间t的导数，即：U=-N∂Φ∂t=NBAωsin(θ),]]>这里ω为角速度：ω＝d θ/dt，N为线圈的匝数。因此感应电动势与陀螺仪中的线圈轴向相对于磁场磁场方向的夹角θ及角速度ω有关。在恒定角速度条件下，感应电动势随夹角θ呈正弦函数变化。图1表示一维电磁感应陀螺仪的原理示意图，线圈两端产生的感应电动势信号由导线4引出。
二维电磁感应陀螺仪的结构如图2所示，这里设二维电磁感应陀螺仪布设在X-Y平面内。三维电磁感应陀螺仪的X-Y、X-Z和Y-Z平面剖面结构分别如图3、图4和图5所示。线圈1绕于磁导轴2之上。磁导轴的轴向分别平行于相互垂直的X、Y、Z坐标轴。磁导轴2与磁探测面板3相联接。线圈两端产生的感应电动势信号由导线4引出。设磁场H与X、Y、Z坐标轴的夹角分别为α、β、γ，角速度分别为ωx、ωy、ωz(ωx＝dα/dt，ωy＝dβ/dt，ωz＝dγ/dt)，则X、Y、Z三个方向的三组线圈两端产生的感应电动势分别为：U_x＝NBAω_xsin(α)，U_y＝NBAω_ysin(β)，U_z＝NBAω_zsin(γ)。
考虑到三角函数关系式：sin²(α)+sin²(β)+sin²(γ)＝2，因此三组电动势与角速度之间满足关系式：Ux2ωx2+Uy2ωy2+Uz2ωz2=2(NBA)2.]]>
这一关系式为一椭球方程。在给定角速度的条件下，则可应用电磁感应陀螺仪来标定椭球方程右边的NBA值，并且进一步确定未知磁场的强度。
从发明的原理可以看出，在恒定磁场强度的条件下，电磁感应陀螺仪的灵敏度随线圈匝数N、磁探测面板3的面积A以及磁感应强度B的增加而升高。因此磁导轴2与磁探测面板3必需选择铁磁材料，如Fe，镍Ni、钴Co金属及其合金。如果外加磁场为高频场，则磁导轴2与磁探测面板3必需选择高频响应好的铁氧体材料。当外部磁场为静地磁场时，可根据地磁场的空间分布采用电磁感应陀螺仪对飞行器进行导航。当外部导航磁场为高频磁场时，可采用电磁感应陀螺仪对导航磁场进行锁相接收。
电磁感应陀螺仪为一种无源的旋转监测传感器。电磁感应陀螺仪可完全固化，因此具有结构简单稳定、体积小、抗冲击能力强、温度性能稳定以及应用方便的特点。