弱磁矢量传感器三轴校验无磁转台研究

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【摘要】本文介绍的三轴校验无磁转台是弱磁矢量传感器、磁罗盘检测和校准的高精度平台。阐述了弱磁矢量传感器三轴校验无磁转台的组成和工作原理;研究了材料的弱磁特性、工作台面的耐磨性和基准精度、三轴旋转特性的稳定性及其精度传递等方面的相互影响因素，设计了合理机械结构;经过多年使用，该转台具有良好的稳定性，满足了0.01°高精度弱磁矢量传感器的研制和校验要求。

【关键词】弱磁矢量传感器;校准;检验;检定;无磁转台

1.引言

测量和检测的转台是一种在航天、航空、天文、机械工程中经常使用的设备，常见的多为一轴、二轴转台（如倾斜分度头）。分度方式有机械刻线、光学系统分度、电动陀螺数码分度等。制造材料一般选用高强度、高硬度、耐腐蚀、优质低价的结构钢材料。在制造时，一般采用精密铸造工艺和精密加工技术，并加以时效处理。

在地磁场或弱磁场中，常用弱磁探头测量磁场的大小和方向。三轴校验无磁转台是在地磁场条件下，对弱磁矢量传感器处于任意姿态时输出的角度参数与三轴校验无磁转台的角度进行比较，求得弱磁矢量传感器的准确角度和误差的设备。该转台也用于磁罗盘的校验和检定，以及弱磁矢量传感器的研究。本文论述的三轴校验无磁转台具有无磁性、刚性好、精度高、稳定性好、寿命长、操作轻松方便等特点。

2.三轴校验无磁转台的组成

三轴无磁转台由工作平台、无磁基座、高精度z轴转台、y轴水平支架、x轴水平曲轴、陶瓷轴承、锁紧机构、手动小角度微调机构、高精度角度光栅无磁编码器、柔性无磁联轴器、高精度无磁条形水平仪、数码角度显示器等部分组成。

3.三轴校验无磁转台的工作原理

三轴校验无磁转台安装在无磁花刚岩水平工作平台上，转台由高精度水平基座，3个旋转组件，转角显示器，工作台等部分组成;3个旋转组件分别是绕x轴、y轴、z轴转动。弱磁矢量传感器或磁罗盘等安装在绕z轴或x轴旋转的工作台面上，旋转x、y、z轴的手柄，模拟磁传感器或磁罗盘在地磁场下的任一矢量方位，将磁传感器输出的参数与转角显示器读数或机械码盘读数进行比较，分析磁传感器的静态误差。转台的操作高度为1450mm，适合人机操作高度。（如图1所示）

图1 三轴校验无磁转台示意图

3.1 材料选择

三轴校验无磁转台所选用的无磁材料，是指在地磁场下检测的样品剩磁小于3nT，或检测材料的相对导磁率接近于1。经过严格的检测筛选，本转台选用的铝合金2A12-T4、铜合金H59-1、稀土陶瓷合金、花刚岩等材料。对于铜、铝合金材料等全部进行无磁检测合格，才投入加工。经过对十几种花岗岩石材筛选，选择了一种宜昌三峡红的花岗岩石材，样品质量大于5kg，样品表面距测量探头为20mm时，剩磁小于2nT的材料。

3.2 工作平台

工作平台为三轴校验无磁转台提供了一个水平的无磁基准。平台为上述筛选的无磁花岗岩石材，其加工等级00级（参照国家平台标准）。由于是第一次选择使用这种花岗岩石材，本项目采用了降级为0级标准的平台使用，使系统理论分析的稳定性和不确定度与实际使用的状态较一致。实际测量平台工作平面的平面度小于1.5μm，折算成平台的平面度所产生的最大角度偏差为0.81"，并加工了专用的2"精度无磁条式水平仪随时检查平台的状态。花岗岩平台放置铝合金焊接框架上，框架有6个调节平台水平的机构，并有足够的刚性。其长900mm，宽650mm，高580mm。如图2所示。

图2 工作平台示意图

3.3 无磁基座

无磁基座是绕垂直于水平面的z轴转动的圆台。圆台上安装有定位锁紧机构、z轴角度光栅无磁编码器、刻线角度码盘、微调机构、搬运调装把手等。基座选用锻造或铸造铝合金材料，并经过时效处理，保证加工后的稳定性。基座的接触工作表面为了保证较高的接触刚性，以及克服铝合金弹性模量远小于结构钢的不利因素，采用大面积接触面承载负荷，提高设备接触刚度和性能，接触工作表面进行了铲花，铲花点大于4点/cm2;作表面的平行度跳动小于5μm;通过一些列的技术措施，使圆台的质量达到图纸规定的要求。其结构简图如图3所示。

图3 无磁基座示意图

3.4 z轴转台

z轴转台安装在无磁基座（圆台）上，使旋转z轴始终垂直于水平面。z轴转台由铲花的工作平面支撑，和安装在中心的φ150mm的陶瓷轴承约束。这种结构长期稳定保持了转台旋转精度，并且旋转轻便。转台的水平工作面上配有安装弱磁矢量传感器和磁罗盘的定位槽、定位孔、紧固螺钉孔等结构，可作为研究弱磁矢量传感器水平和垂直特性的转台。在水平工作面上安装有二个支架，支撑x、y轴系;水平工作面的角度示值有二个方式，其一为机械刻线角度码盘，其最小为分辨率为3';其二为角度光栅编无磁码器输出角度编码，经单片机处理后由数码管显示角度、分、秒。转台水平面的跳动小于0.015mm。台面上支撑x、y轴系的2孔同轴等高，如图4所示。

图4 z轴转台示意图

3.5 y轴系

y轴系由2个支架支撑，y轴线平行于水平面，其轴线相对于水平面的不行度小于0.015mm;在y轴线上安装有陶瓷轴承、角度光栅无磁编码器、锁紧装置、小角度微调机构（±10o），机械刻线角度码盘（分辨率小于6'）等。在y轴线上设计有框形结构件，用于安装x轴系，保证了各轴系的刚性和角度示值的准确性和稳定性。如图5所示。

图5 y轴系示意图

3.6 x轴系

x轴系上安装有y轴相似的零部件和功能机构，零部件安装在y轴框架结构件内。扳动x轴系的手柄，工作台可绕x轴自由旋转。x轴与y、z轴正交。机械刻线角度码盘等（分辨率小于6'），工作台尺寸为（192x350）mm，可用空间为（Ф105x350） mm。如图6所示。

图6 X轴系示意图

3.7 柔性联轴器

柔性联轴器是连接转台与角度光栅无磁编码器之间转动的元件，重点解决转台与编码器之间不同轴，产生转角数值误差。经过对多种柔性联轴器的性能进行分析比较，本机构选择了波纹管结构的联轴器。

3.8 其他

在z轴转台和x轴系上的工作台面是采用氧化锆陶瓷材料特制的，硬度HV>1300。该工作台面强度高、刚性和耐磨性好等优点，提高了无磁转台的工作稳定性和可靠性。

角度光栅无磁编码器、角度显示器、水平仪、夹具、防尘罩等都为无磁材料制作。角度光栅无磁编码器在通电状态下，测量距离小于70 mm时产生的磁性干扰小于3nT。

4.结束语

综上所述，本文详细介绍了三轴校验无磁转台设计思路。阐述了三轴校验无磁转台的组成以及三轴校验无磁转台的工作原理;从材料选择、工作平台、无磁基座、z轴转台、y轴系等方面论述了具体机械结构、组成和工作原理，对有关的技术参数进行了描述，为研究与设计静态和动态无磁多轴转台提供了思路和经验。

参考文献

[1]史学敏，黎永明.精密机械设计[M].上海科学技术出版社，1987，2.

[2]钟文定.技术磁学[M].科学出版社，2009，1.