一種電磁感應尋北儀的製作方法

2023-05-30 10:43:16 3

專利名稱：一種電磁感應尋北儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於電磁感應原理的尋北儀，在定向和導航方面具有特殊用途， 但也可廣泛用於工程和機械傾斜變化的測量。
背景技術：
指北和定向是工程技術以及科學研究中廣泛涉及的一個研究課題，如導航及工程 和機械傾斜變化的測量等方面。目前傳統的定向方法有羅盤、陀螺式尋北儀和GPS定向方 法等幾種。傳統的羅盤結構簡單、應用方便，但精度低、抗幹擾能力弱；陀螺式尋北儀精度 高，但構型複雜、成本高、尋北時間長；GPS定向方法使用簡單，但系統龐大、依賴性較強。目 前指北和定向工程技術，特別是軍工快速定向和導航領域迫切需要高精度的快速尋北儀， 因此研製新型高效尋北儀就成為許多相關工程領域迫切需要解決的技術問題。本發明提供一種高精度的快速尋北儀，為一種基於電磁感應原理的尋北裝置。電 磁感應尋北儀由線圈、繞線柱，驅動電機組成，線圈繞於繞線柱外周，繞線柱的軸向垂直於 驅動電機的旋轉軸向，繞線柱的兩端聯接有磁探測面板。當電磁感應尋北儀置於地磁場中， 並勻速旋轉驅動電機時，根據法拉第電磁感應定律，線圈兩端產生感應電動勢。在勻速旋轉 的條件下，感應電動勢的大小與繞線柱軸向與地球磁北的夾角呈正弦函數關係。當線圈軸 向與地球磁北方向平行時，線圈兩端產生的感應電動勢為零，而且這時正弦函數隨時間變 化的斜率最大，因此通過確定感應電動勢為零的位置並可確定地球磁北的方向。本發明提 供的一種電磁感應尋北儀是一種結構簡單的高精度快速定向裝置。由於磁偏角是測量點經 緯度的函數，因此與GPS定位技術相結合，電磁感應尋北儀可提供一種高精度快速尋找地 理北向的裝置。

發明內容
本發明的原理是基於法拉第電磁感應定律。如圖1所示，電磁感應尋北儀由線圈 1、繞線柱2、驅動電機3組成，線圈1繞於繞線柱2外周，繞線柱2的軸向垂直於驅動電機3 的旋轉軸向，線圈1產生的感應電動勢信號由導線4引出，繞線柱2的兩端聯接有磁探測面 板5。地球是一個大的磁體。地磁場F的基本要素如圖2所示，其垂直分量為Z;水平分量 為H ；東西向和南北向分量分別為Y和X ；磁偏角為D ；磁傾角為I。當電磁感應尋北儀置於地磁場中，並勻速旋轉驅動電機時，根據法拉第電磁感應 定律，線圈兩端產生感應電動勢。在勻速旋轉的條件下，感應電動勢的大小與線圈軸向與地 球磁北的夾角呈正弦函數關係。電磁感應尋北儀的工作原理與發電機的原理一致。與發電 機相比，地磁場對應於發電機中永久磁鐵產生的磁場。設驅動電機3的旋轉角速度為(0，線 圈的匝數為N，磁探測面板5的面積為A，磁感應強度為B(B = uH, u為磁導率)。線圈1 兩端產生的感應電動勢u與時間t的關係為u = NBA sin(cot+ 8 ) = k sin(cot+ 8 ),式中5為初始相位，k(k = NBA)為感應電動勢的幅值。在給定角速度的條件下，
3感應電動勢的幅值k正比於線圈匝數N、磁探測面板5的面積A、磁感應強度B。因此繞線柱 2和磁探測面板5應選擇磁導率高的鐵磁材料(Fe，Co, Ni金屬和其合金)。電磁感應尋北 儀的尋北速度由驅動電機3的角速度《來確定。離散採樣若干周期的感應電動勢值並可 確定上式中的相位函數f(t)，即f (t) = w t+ S。相位函數f (t)代表某一時間t繞線柱軸向n與地球磁H的夾角，如圖3所示。當 相位函數f(t)滿足條件f (t) = 2j 31 ,(j =0,1,2,3,…)時代表在該位置繞線柱2的軸向n與地球磁北方向平行，因 此本發明所尋北向為地磁北H方向。地球磁北方向與地理北向之間的夾角稱為磁偏角。圖 2所示的地磁場要素中磁偏角D是測量點經緯度的函數。測量點的經緯度可通過GPS技術 確定。因此與GPS定位技術相結合，電磁感應尋北儀提供一種高精度快速尋找地理北向的
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下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明圖1為電磁感應尋北儀的結構示意圖；圖2為地磁場的基本要素示意圖；圖3為在恆定旋轉角速度的條件下繞線柱軸向n與地球磁場H的夾角關係示意 圖；圖4為A-A參考方向、孔6的位置以及繞線柱2的軸向在初始時間的關係示意圖；圖5為X-軸及Y-軸方向二維電磁感應尋北儀與繞Z-軸電機驅動旋轉的關係示 意圖；圖6為在100(度/秒)的恆定旋轉角速度條件下二維電磁感應尋北儀的信號輸 出以及與磁北的關係。
具體實施例電磁感應尋北儀由線圈1、繞線柱2、驅動電機3組成，線圈1繞於繞線柱2外周， 繞線柱2的軸向垂直於驅動電機3的旋轉軸向，線圈1產生的感應電動勢信號由導線4引 出，繞線柱2的兩端聯接有磁探測面板5。繞線柱2及磁探測面板5選用鐵磁材料製成。驅 動電機3為永磁直流電機或步進電機。兩個線圈繞組分別固定於相互垂直的兩個方向並垂 直於驅動電機的旋轉軸向構成二維電磁感應尋北儀。由於尋北儀的功能往往是確定某一參 考方向與北向的夾角，因此必須首先確定繞線柱2的軸向與這一參考方向的初始夾角。如 圖4所示，設參考方向為A-A方向。初始位置孔6的位置設在驅動電機3上並處於繞線柱 2的軸向。電機3勻速旋轉時，位置孔6的起始位置由光電器件或霍爾器件控制。當繞線 柱2的軸向垂直於A-A方向時，位置孔6通光，由光敏元器件接受光強信號，並取此時為時 間零點。設電機3以角速度(0勻速旋轉，在時間為t時繞線柱2的軸向n與地球磁北方向 平行，這時A-A方向與磁北方向的夾角為Ji/2-cot，與地理北向的夾角為Ji/2- t+D。兩個線圈繞組分別固定於相互垂直的兩個方向並垂直於驅動電機的旋轉軸向構
4成二維電磁感應尋北儀。設兩個線圈繞組分別固定於相互垂直的X-軸及Y-軸方向，電機 繞Z-軸旋轉，如圖5所示，則X-軸及Y-軸方向線圈繞組的電動勢的正弦函數之間相位差 為n/2。採用二維電磁感應陀螺儀，如果二維電磁感應陀螺儀由電機驅動，並繞Z-軸以恆 定速度旋轉，則當扣除零位後輸出信號值為零時，代表該繞組的軸向與地磁場平行。圖6為 在角速度為100 (度/秒)的條件下，電磁感應陀螺儀X-軸和Y-軸的信號輸出以及與地磁 場方向的關係。當某一繞組輸出值為零時，與之垂直的另一繞組的輸出幅值為最大。電磁 感應尋北儀的尋北速度由驅動電機3的角速度(0來確定。離散採樣若干周期的感應電動 勢值並可確定相位函數f(t)，由此進一步確定繞組的軸向與地磁場的夾角，因此電磁感應 尋北儀是一種結構簡單的高精度快速定向裝置。
權利要求
一種電磁感應尋北儀，其特徵在於尋北儀由線圈(1)、繞線柱(2)，驅動電機(3)組成，線圈(1)繞於繞線柱(2)外周，繞線柱(2)的軸向垂直於驅動電機(3)的旋轉軸向，線圈(1)產生的感應電動勢信號由導線(4)引出，繞線柱(2)的兩端聯接有磁探測面板(5)。
2.如權利要求1所述的一種電磁感應尋北儀，其特徵在於兩個線圈繞組(2)分別固 定於相互垂直的兩個方向並垂直於驅動電機(3)的旋轉軸向構成二維電磁感應尋北儀。
3.如權利要求1所述的一種電磁感應尋北儀，其特徵在於繞線柱(2)及磁探測面板 (5)選用鐵磁材料製成。
4.如權利要求1所述的一種電磁感應尋北儀，其特徵在於在驅動電機(3)上所開的 初始位置孔(6)的起始位置由光電器件或霍爾器件控制。
5.如權利要求1所述的一種電磁感應尋北儀，其特徵在於驅動電機(3)為永磁直流 電機或步進電機。
全文摘要
一種電磁感應尋北儀由線圈(1)、繞線柱(2)、驅動電機(3)組成，線圈(1)繞於繞線柱(2)外周，繞線柱(2)的軸向垂直於驅動電機(3)的旋轉軸向，線圈(1)產生的感應電動勢信號由導線(4)引出，繞線柱(2)的兩端聯接有磁探測面板(5)。其特徵在於通過勻速旋轉驅動電機(3)並測量線圈(1)產生的感應電動勢可以確定繞線柱(2)軸向與地球磁北的夾角。電磁感應尋北儀是一種結構簡單的高精度快速定向裝置。
文檔編號G01C17/30GK101975573SQ20101052563
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月1日 優先權日2010年11月1日
發明者譚成忠 申請人:北京天海航興科技股份公司