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专利名称：一种电磁感应寻北仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电磁感应原理的寻北仪，在定向和导航方面具有特殊用途， 但也可广泛用于工程和机械倾斜变化的测量。
背景技术：
指北和定向是工程技术以及科学研究中广泛涉及的一个研究课题，如导航及工程 和机械倾斜变化的测量等方面。目前传统的定向方法有罗盘、陀螺式寻北仪和GPS定向方 法等几种。传统的罗盘结构简单、应用方便，但精度低、抗干扰能力弱；陀螺式寻北仪精度 高，但构型复杂、成本高、寻北时间长；GPS定向方法使用简单，但系统庞大、依赖性较强。目 前指北和定向工程技术，特别是军工快速定向和导航领域迫切需要高精度的快速寻北仪， 因此研制新型高效寻北仪就成为许多相关工程领域迫切需要解决的技术问题。本发明提供一种高精度的快速寻北仪，为一种基于电磁感应原理的寻北装置。电 磁感应寻北仪由线圈、绕线柱，驱动电机组成，线圈绕于绕线柱外周，绕线柱的轴向垂直于 驱动电机的旋转轴向，绕线柱的两端联接有磁探测面板。当电磁感应寻北仪置于地磁场中， 并勻速旋转驱动电机时，根据法拉第电磁感应定律，线圈两端产生感应电动势。在勻速旋转 的条件下，感应电动势的大小与绕线柱轴向与地球磁北的夹角呈正弦函数关系。当线圈轴 向与地球磁北方向平行时，线圈两端产生的感应电动势为零，而且这时正弦函数随时间变 化的斜率最大，因此通过确定感应电动势为零的位置并可确定地球磁北的方向。本发明提 供的一种电磁感应寻北仪是一种结构简单的高精度快速定向装置。由于磁偏角是测量点经 纬度的函数，因此与GPS定位技术相结合，电磁感应寻北仪可提供一种高精度快速寻找地 理北向的装置。

发明内容
本发明的原理是基于法拉第电磁感应定律。如图1所示，电磁感应寻北仪由线圈 1、绕线柱2、驱动电机3组成，线圈1绕于绕线柱2外周，绕线柱2的轴向垂直于驱动电机3 的旋转轴向，线圈1产生的感应电动势信号由导线4引出，绕线柱2的两端联接有磁探测面 板5。地球是一个大的磁体。地磁场F的基本要素如图2所示，其垂直分量为Z;水平分量 为H ；东西向和南北向分量分别为Y和X ；磁偏角为D ；磁倾角为I。当电磁感应寻北仪置于地磁场中，并勻速旋转驱动电机时，根据法拉第电磁感应 定律，线圈两端产生感应电动势。在勻速旋转的条件下，感应电动势的大小与线圈轴向与地 球磁北的夹角呈正弦函数关系。电磁感应寻北仪的工作原理与发电机的原理一致。与发电 机相比，地磁场对应于发电机中永久磁铁产生的磁场。设驱动电机3的旋转角速度为(0，线 圈的匝数为N，磁探测面板5的面积为A，磁感应强度为B(B = uH, u为磁导率)。线圈1 两端产生的感应电动势u与时间t的关系为u = NBA sin(cot+ 8 ) = k sin(cot+ 8 ),式中5为初始相位，k(k = NBA)为感应电动势的幅值。在给定角速度的条件下，
3感应电动势的幅值k正比于线圈匝数N、磁探测面板5的面积A、磁感应强度B。因此绕线柱 2和磁探测面板5应选择磁导率高的铁磁材料(Fe，Co, Ni金属和其合金)。电磁感应寻北 仪的寻北速度由驱动电机3的角速度《来确定。离散采样若干周期的感应电动势值并可 确定上式中的相位函数f(t)，即f (t) = w t+ S。相位函数f (t)代表某一时间t绕线柱轴向n与地球磁H的夹角，如图3所示。当 相位函数f(t)满足条件f (t) = 2j 31 ,(j =0,1,2,3,…)时代表在该位置绕线柱2的轴向n与地球磁北方向平行，因 此本发明所寻北向为地磁北H方向。地球磁北方向与地理北向之间的夹角称为磁偏角。图 2所示的地磁场要素中磁偏角D是测量点经纬度的函数。测量点的经纬度可通过GPS技术 确定。因此与GPS定位技术相结合，电磁感应寻北仪提供一种高精度快速寻找地理北向的
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下面结合附图对本发明作进一步详细说明图1为电磁感应寻北仪的结构示意图；图2为地磁场的基本要素示意图；图3为在恒定旋转角速度的条件下绕线柱轴向n与地球磁场H的夹角关系示意 图；图4为A-A参考方向、孔6的位置以及绕线柱2的轴向在初始时间的关系示意图；图5为X-轴及Y-轴方向二维电磁感应寻北仪与绕Z-轴电机驱动旋转的关系示 意图；图6为在100(度/秒)的恒定旋转角速度条件下二维电磁感应寻北仪的信号输 出以及与磁北的关系。
具体实施例电磁感应寻北仪由线圈1、绕线柱2、驱动电机3组成，线圈1绕于绕线柱2外周， 绕线柱2的轴向垂直于驱动电机3的旋转轴向，线圈1产生的感应电动势信号由导线4引 出，绕线柱2的两端联接有磁探测面板5。绕线柱2及磁探测面板5选用铁磁材料制成。驱 动电机3为永磁直流电机或步进电机。两个线圈绕组分别固定于相互垂直的两个方向并垂 直于驱动电机的旋转轴向构成二维电磁感应寻北仪。由于寻北仪的功能往往是确定某一参 考方向与北向的夹角，因此必须首先确定绕线柱2的轴向与这一参考方向的初始夹角。如 图4所示，设参考方向为A-A方向。初始位置孔6的位置设在驱动电机3上并处于绕线柱 2的轴向。电机3勻速旋转时，位置孔6的起始位置由光电器件或霍尔器件控制。当绕线 柱2的轴向垂直于A-A方向时，位置孔6通光，由光敏元器件接受光强信号，并取此时为时 间零点。设电机3以角速度(0勻速旋转，在时间为t时绕线柱2的轴向n与地球磁北方向 平行，这时A-A方向与磁北方向的夹角为Ji/2-cot，与地理北向的夹角为Ji/2- t+D。两个线圈绕组分别固定于相互垂直的两个方向并垂直于驱动电机的旋转轴向构
4成二维电磁感应寻北仪。设两个线圈绕组分别固定于相互垂直的X-轴及Y-轴方向，电机 绕Z-轴旋转，如图5所示，则X-轴及Y-轴方向线圈绕组的电动势的正弦函数之间相位差 为n/2。采用二维电磁感应陀螺仪，如果二维电磁感应陀螺仪由电机驱动，并绕Z-轴以恒 定速度旋转，则当扣除零位后输出信号值为零时，代表该绕组的轴向与地磁场平行。图6为 在角速度为100 (度/秒)的条件下，电磁感应陀螺仪X-轴和Y-轴的信号输出以及与地磁 场方向的关系。当某一绕组输出值为零时，与之垂直的另一绕组的输出幅值为最大。电磁 感应寻北仪的寻北速度由驱动电机3的角速度(0来确定。离散采样若干周期的感应电动 势值并可确定相位函数f(t)，由此进一步确定绕组的轴向与地磁场的夹角，因此电磁感应 寻北仪是一种结构简单的高精度快速定向装置。
权利要求
一种电磁感应寻北仪，其特征在于寻北仪由线圈(1)、绕线柱(2)，驱动电机(3)组成，线圈(1)绕于绕线柱(2)外周，绕线柱(2)的轴向垂直于驱动电机(3)的旋转轴向，线圈(1)产生的感应电动势信号由导线(4)引出，绕线柱(2)的两端联接有磁探测面板(5)。
2.如权利要求1所述的一种电磁感应寻北仪，其特征在于两个线圈绕组(2)分别固 定于相互垂直的两个方向并垂直于驱动电机(3)的旋转轴向构成二维电磁感应寻北仪。
3.如权利要求1所述的一种电磁感应寻北仪，其特征在于绕线柱(2)及磁探测面板 (5)选用铁磁材料制成。
4.如权利要求1所述的一种电磁感应寻北仪，其特征在于在驱动电机(3)上所开的 初始位置孔(6)的起始位置由光电器件或霍尔器件控制。
5.如权利要求1所述的一种电磁感应寻北仪，其特征在于驱动电机(3)为永磁直流 电机或步进电机。
全文摘要
一种电磁感应寻北仪由线圈(1)、绕线柱(2)、驱动电机(3)组成，线圈(1)绕于绕线柱(2)外周，绕线柱(2)的轴向垂直于驱动电机(3)的旋转轴向，线圈(1)产生的感应电动势信号由导线(4)引出，绕线柱(2)的两端联接有磁探测面板(5)。其特征在于通过匀速旋转驱动电机(3)并测量线圈(1)产生的感应电动势可以确定绕线柱(2)轴向与地球磁北的夹角。电磁感应寻北仪是一种结构简单的高精度快速定向装置。
文档编号G01C17/30GK101975573SQ20101052563
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者谭成忠 申请人:北京天海航兴科技股份公司