专利名称：一种超导磁悬浮的寻北装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种寻北装置，特别涉及超导磁悬浮的寻北装置。
背景技术：
新型材料和低温技术的不断发展加快了超导技术的应用，超导体独特的物理特性能有着其它材料不可比拟的应用优势，如无阻载流能力、完全抗磁性以及量子相干效应等等。基于超导体各种特性研发的高精度超导仪器设备在能源、信息、环境探测、轨道交通、医疗诊断和科学仪器等方面有着重要的应用。寻北仪是测量其基准边与地理真北方向之间夹角的仪器，可为其他设备提供方位和姿态等信息，在载体的初始姿态测量、雷达天线的对准、地球物理探测、隧道施工、矿山开采、大地测量及资源勘测等领域有广泛的应用。磁强计寻北仪通过测量地磁场来确定北向，由于容易受周围电器设备产生的外磁场影响，且地球表面每个位置的磁场方向不同，磁强计寻北仪的精度较低。天文寻北仪通过测量星体来确定方位，可以达到很高的精度，但是在水下、隧道内以及气候不好的情况下无法使用。摆式罗盘寻北仪的定位精度较高，但寻北时间较长。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，实现高精度快速定向寻北，本发明提出一种基于超导磁悬浮的寻北装置。本发明装置具有寻北精度高和寻北时间短等特点。本发明寻北装置包括转台基座、水平转台、夹具、水平仪、方位基准线、低温容器、 制冷机、防辐射屏、传热屏、转子腔、超导转子、悬浮线圈、驱动线圈、赤道传感器、极轴传感
ο所述的水平转台安放在转台基座上，低温容器固定在水平转台的夹具上。利用水平转台面上的水平仪对水平转台和低温容器进行水平调节，使水平转台的旋转轴和低温容器的旋转轴与大地水平面保持垂直，水平转台以地垂线为旋转轴旋转。所述的超导转子在赤道附近位置刻有信号读取图形，两个赤道传感器正交固定在转子腔上，两个赤道传感器的光轴在赤道水平面上相互垂直并指向超导转子的球心，赤道水平面与当地水平面平行。赤道传感器通过检测赤道位置的信号读取图形来测量超导转子敏感到的地球自转角速度的水平分量和超导转子的转速。方位基准线刻在水平转台上，方位基准线与其中一个赤道传感器的光轴平行。所述的信号读取图形由刻在转子赤道附近一周的首尾相连的两个相同的直角三角形组成，直角三角形的一条长直角边与赤道平行，直角三角形的中线与赤道线重合，直角三角形的斜边与赤道线的夹角为U，超导转子角度偏转的测量范围与角度u成正比。所述的制冷机安装在低温容器的上端，低温容器内部通过拉杆固定卷筒形状的防辐射屏，在防辐射屏筒内布置传热屏，传热屏通过螺钉固定在制冷机的二级冷头下端。在传热屏内放置转子腔，转子腔的外壁紧贴传热屏的内壁。采用传热屏通过制冷机的二级冷头的冷量直接传导冷却转子腔。超导转子位于转子腔内，转子腔上下端布置有悬浮线圈，通过所述的悬浮线圈使超导转子悬浮。驱动线圈布置在超导转子内孔中心附近位置中，通过驱动线圈使超导转子旋转，通过安装在超导转子顶部的极轴传感器检测超导转子悬浮位置。使用所述的发明装置的寻北方法是设定赤道传感器一的光轴与真北方向的夹角为α，当超导转子高速旋转时，通过超导转子与转子腔的相对偏转变化，利用两个赤道传感器测量地球自转角速度水平分量在两个赤道传感器光轴方向上的分量，即地球自转角速度 ω ΙΕ在当地地理纬度为树立置的水平分量約￡ c0S(3在赤道传感器一和赤道传感器二的光轴方向上的分量，此分量分别为％= IE C0S Ψ C0S 汉禾口糾 _ ^1e COS识sina，再通过计算得到赤道传感器一的光轴与真北方向的夹角α =Brctan(Co1Z^2),即可得到水平转台上方位基准线与真北方向的夹角α值。
图1低温容器内部结构示意图。图中5低温容器，6制冷机，8传热屏，9转子腔， 10超导转子，11防辐射屏，12赤道信号读取图形，13悬浮线圈，14驱动线圈，15极轴传感器，16赤道传感器一，17赤道传感器二 ；图2超导磁悬浮寻北装置示意图。图中1转台基座，2水平转台，3水平仪，4夹具，7方位基准线；图3赤道信号读取图形展开示意图。图中18转子赤道线，19超导转子光滑表面；图4赤道传感器与超导转子的位置示意图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
对本发明进一步说明。如图1所示，低温容器内部结构包括低温容器5、制冷机6、传热屏8、转子腔9、超导转子10、防辐射屏11、赤道信号读取图形12、悬浮线圈13、驱动线圈14、极轴传感器15、 赤道传感器一 16和赤道传感器二 17。制冷机6安装在低温容器5的上端，低温容器5内部通过拉杆固定卷筒形状的防辐射屏11，在防辐射屏11筒内布置传热屏8，传热屏8通过螺钉固定在制冷机6 二级冷头的下端。在传热屏8内放置转子腔9，转子腔9的外壁紧贴传热屏8的内壁。采用传热屏8通过制冷机6的二级冷头的冷量直接传导冷却转子腔9，代替了一般采用液氦浸泡转子腔9的冷却方式，减少了装置需输入液氦的繁复性，降低了装置的体积和重量。超导转子10位于转子腔9内，转子腔9上下端布置有悬浮线圈13，通过所述的悬浮线圈13使超导转子10悬浮。驱动线圈14布置在超导转子10内孔中心附近位置中，通过驱动线圈14使超导转子10旋转，通过安装在超导转子10顶部的极轴传感器15检测超导转子悬浮位置。超导转子10在赤道附近位置刻有赤道信号读取图形12，赤道信号读取图形12—般采用机械刀刻和激光烧蚀等方法加工形成。两个赤道传感器包括赤道传感器一 16和赤道传感器二 17正交固定在转子腔上，赤道传感器一 16和赤道传感器二 17的光轴在赤道水平面上相互垂直并指向超导转子10的球心，赤道水平面与当地水平面平行。如图2所示，本发明寻北装置包括转台基座1、水平转台2、水平仪3、夹具4、低温容器5、制冷机6和方位基准线7。所述的水平转台2安放在转台基座1上，低温容器5固定在水平转台2的夹具4上。利用安装在水平转台2台面上的水平仪3对水平转台2和低温容器5进行水平调节，使水平转台2的旋转轴和低温容器5的旋转轴与大地水平面保持垂直，水平转台2以地垂线为旋转轴360度旋转。水平转台2低速旋转带动低温容器5绕地垂线旋转，可以消除低温容器5内部的超导转子10与转子腔9等壳体有关的常值漂移， 使测量精度更高。 如图3将赤道信号读取图形12展开成平面图形所示，赤道信号读取图形12由刻在超导转子10的转子赤道线18附近一周的首尾相连两个相同的直角三角形组成，直角三角形的一条长直角边与转子赤道线18平行，直角三角形的中线与转子赤道线18重合。直角三角形的斜边与转子赤道线18的夹角为u，超导转子10角度偏转的测量范围与角度u成正比。寻北时间越短，超导转子10相对转子腔9的偏转角度越小，测量超导转子10相对转子腔9的偏转角度范围越小，u的取值就越小。赤道传感器探测光打在赤道信号读取图形 12上时赤道传感器输出高电平，赤道传感器探测光打在超导转子光滑表面19时赤道传感器输出低电平。如图4所示，方位基准线7与赤道传感器一 16的光轴平行，与真北N方向的夹角为α。当超导转子10和低温容器5的旋转轴均平行于地垂线时，赤道传感器一 16 和赤道传感器二 17的光轴均在超导转子10的赤道水平面上，此时超导转子10旋转一周， 赤道传感器一 16和赤道传感器二 17分别输出两个脉宽相等的脉冲信号，脉宽即可换算为超导转子10所旋转过的一定角度。通过采集单位时间内的脉冲数量，即可计算得到超导转子10的转速。悬浮的超导转子10与外界无接触，其旋转轴在空间方位是恒定不变的，而转子腔9固连在低温容器5和旋转平台2上，受地球转动影响，使得超导转子10的旋转轴相对转子腔9发生偏转，当超导转子10旋转一周时，赤道传感器一 16输出两个脉宽不相等的脉冲信号，通过两脉冲信号脉宽的差值、角度u以及超导转子10的转速即可计算得到ω” 其方向为沿赤道传感器二 17光轴的方向。同理，赤道传感器二 17输出两个脉宽不相等的脉冲信号，通过计算得到ω2，其方向为沿赤道传感器一 16光轴的方向。地球自转角速度在当地地理纬度为树立置的水平分量約￡ cos识在赤道传感器一 16和赤道传感器二 17的光轴方向上的分量，此分量分别为 2 =AiiCospcosc^Pffl1 = 0fficos<3sina，即可通过公式α = Brctan(Q1ZQ2)求解得到方位基准线7和真北方向N的夹角α的数值。
权利要求
1.一种超导磁悬浮的寻北装置，所述的寻北装置包括低温容器(5)、制冷机(6)、防辐射屏(11)、转子腔(9)、超导转子(10)、悬浮线圈(13)、驱动线圈(14)，制冷机(6)安装在低温容器(5)的上端，低温容器(5)内部通过拉杆固定卷筒形状的防辐射屏(11)，超导转子(10)位于转子腔(9)内，转子腔(9)内上下端布置悬浮线圈(13)，驱动线圈(14)布置在超导转子(10)内孔中，其特征在于所述的装置还包括转台基座(1)、水平转台O)、水平仪 (3)、夹具(4)、方位基准线(7)、传热屏(8)、赤道信号读取图形(1 、极轴传感器(1 、赤道传感器一(16)和赤道传感器二(17)；所述的水平转台(2)安放在转台基座⑴上，低温容器(5)固定在水平转台(2)的夹具(4)上；利用安装在水平转台(2)台面上的水平仪(3) 对水平转台( 和低温容器( 进行水平调节，使水平转台( 的旋转轴和低温容器(5) 的旋转轴与大地水平面保持垂直，水平转台O)以地垂线为旋转轴旋转；在防辐射屏(11) 筒内布置有传热屏(8)，传热屏(8)通过螺钉固定在制冷机(6)的二级冷头下端；在传热屏 (8)内放置转子腔(9)，转子腔(9)的外壁紧贴传热屏(8)的内壁，利用制冷机(6) 二级冷头的冷量通过传热屏(8)直接传导冷却转子腔(9)；所述的超导转子(10)在赤道附近位置刻有信号读取图形(12)，赤道传感器一(16)和赤道传感器二(17)正交固定在转子腔(9) 上，赤道传感器一(16)和赤道传感器二(17)的光轴在赤道水平面上相互垂直并指向超导转子(10)的球心，赤道水平面与当地水平面平行；方位基准线刻(7)在水平转台(2)上与赤道传感器一(16)的光轴平行。
2.按照权利要求1所述的一种超导磁悬浮的寻北装置，其特征在于使用所述寻北装置的寻北方法为通过悬浮线圈(13)和驱动线圈(14)使超导转子(10)悬浮并高速旋转， 利用超导转子(10)与转子腔(9)的相对旋转位置变化，通过赤道传感器一(16)和赤道传感器二(17)测量地球自转角速度ω IE在当地地理纬度为树立置的水平分量約￡ cos识在赤道传感器二(17)和赤道传感器一(16)的光轴方向上的分量，分别S^zfi^cospsina和 2= /￡C0SpC0Sa，再通过计算机计算得到赤道传感器一(16)的光轴与真北方向的夹角α = MCtan(COl7^2),即可得到水平转台(2)上的方位基准线(7)与真北方向的夹角α的数值，上述算式中，Q1通过赤道传感器一(16)测量得到，Q1的方向为沿着赤道传感器二 (17)的光轴方向，ω2通过赤道传感器二(17)测量得到，ω2的方向为沿着赤道传感器一 (16)的光轴方向。
全文摘要
一种超导磁悬浮的寻北装置，包括转台基座(1)、水平转台(2)、水平仪(3)、夹具(4)、低温容器(5)、制冷机(6)、方位基准线(7)、传热屏(8)、转子腔(9)、超导转子(10)、防辐射屏(11)、赤道信号读取图形(12)、悬浮线圈(13)、驱动线圈(14)、极轴传感器(15)、赤道传感器一(16)和赤道传感器二(17)。通过赤道传感器检测超导转子(10)表面的赤道信号读取图形(12)，经计算得到地球自转角速度水平分量在两个赤道传感器光轴方向上的角速度分量ω1和ω2，通过算式α＝arctan(ω1/ω2)计算得到方位基准线(7)和真北方向的夹角α的数值。
文档编号G01C17/30GK102494679SQ20111036993
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者刘建华, 崔春艳, 戴银明, 王晖, 王秋良, 胡新宁 申请人:中国科学院电工研究所