[发明专利]测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器。

背景技术

随着航天事业的发展，如何降低航天器的成本，同时又保持其高可靠性和富于竞争力的性能指标，这是一项日益增长的需求。姿态控制系统是航天器中较昂贵的分系统之一，这是由于其硬件成本高、所需要的系统集成和测试费用高。因此，在保持姿控分系统精确的指向性能要求的同时，简化姿控分系统并降低其成本，这将有助于显著降低航天器的成本。

卫星姿态控制系统一般基于对角动量的直接控制。控制的最终目的是使卫星或卫星的一部分指向地球、其他航天器或其它天体。现有条件下，为实现高精度，可以采用三个飞轮，通过改变各个飞轮的转速，航天器内总角动量的大小和方向便可得到控制。这些飞轮通常三个一组以正交方式安装。重量和成本就成为这种多个飞轮配置方案的一个主要缺点。

针对现有卫星姿态控制系统的这些不足之处，加拿大研究机构提出了一种新型的执行机构——陀螺飞轮。该装置可为航天器提供偏置角动量，并且能够对所有三个轴施加控制力矩，因此该装置同时起到一个偏置动量飞轮和两个零动量飞轮的作用，达到了同样水准的指向精度性能，使得姿控系统设计所需要的部件数量减少。这对诸如通信、遥感以及空间科学等应用卫星的低成本、轻量化的姿态控制系统是十分有吸引力的。

陀螺飞轮是由加拿大Bristol公司研发的一种新型的航天器姿态控制装置。并在加拿大航天局SCISAT小型科学试验卫星上进行了飞行验证。非接触式两维摆角传感器是实现陀螺飞轮三轴控制力矩输出的核心部件之一。

Bristol公司设计的陀螺飞轮采用光电方式实现飞轮转子两维侧摆角度的非接触式测量。其工作原理是将飞轮转子外表面加工为球面，通过机械加工或表面涂覆形成三角形几何特性。当飞轮转子旋转时，将一束光发射到飞轮转子表面，然后接收飞轮表面反射的光信号。飞轮表面的几何特征的变化引起反射光强的变化，形成一串脉冲信号。脉冲信号的宽度取决于飞轮转子的转速和倾侧角度。在飞轮转速已知时可以解算出飞轮转子的倾侧角度。

现有的这种测量飞轮转子倾侧角度的技术存在以下几点问题：

1、测量倾侧角度与飞轮转子转速相关，当飞轮转子加减速对倾侧角度测量带来误差和干扰。

2、倾侧角度的采样频率取决于飞轮转子转速。飞轮转子转速快，数据刷新率高；飞轮转子转速慢，数据刷新率低。倾侧角度测量频率的变化给后续控制系统的设计带来困难。

3、对数字控制方法而言，提高采样频率可以提高控制精度。但采用现有方法无法根据控制算法的需要改变倾侧角度的采样频率。

4、现有方法将倾侧角度的测量转换为测量脉冲宽度，对测量实时性造成影响。在脉冲高电平或低电平持续期间发生的倾角变化无法测量得到。

发明内容

本发明提供一种测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，使摆角非接触测量功能与飞轮转子旋转转速无关，从而提高飞轮转子倾侧摆角测量频率。

为了达到上述目的，本发明提供一种测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，该非接触式测量传感器设置在陀螺飞轮整机上，所述的陀螺飞轮整机包含陀螺飞轮整机壳体），设置在陀螺飞轮整机壳体内的飞轮转子，所述的陀螺飞轮整机壳体上设置四个正交的孔；

所述的非接触式测量传感器包含：

四个探头座，其分别设置在陀螺飞轮整机壳体上的正交孔内，四个探头座位于同一平面内；

四个电涡流探头组，其分别对应设置在探头座上，所述的每个电涡流探头组包含两个平行设置的电涡流探头，所述的八个电涡流探头组成差动输出电桥电路，输出电桥信号UX、UY、DX和DY；

振荡器电路，其设置在陀螺飞轮整机壳体上，电路连接所述的差动输出电桥电路，为电涡流探头提供激励信号；

信号处理电路，其设置在陀螺飞轮整机壳体上，其输入端连接所述的差动输出电桥电路的输出端，差动输出电桥电路输出的信号通过信号处理电路进行处理后，得到飞轮转子在X轴和Y轴上的倾侧角。

所述的飞轮转子外侧设置金属套筒，增强电涡流探头的输出信号，提高测量信号的信噪比。

所述的金属套筒为铝合金套筒或者铜合金套筒。

所述的四个电涡流探头组布置在飞轮转子四周形成八个电涡流探头分两层均布的结构。

所述的差动输出电桥电路包含两个差动输出电桥，一个差动输出电桥的输出信号为UX和UY，另一个差动输出电桥的输出信号为DX和DY。

两个对向设置的电涡流探头组上的四个电涡流探头组成一个差动输出电桥。