一种陀螺多维噪声抑制方法
阅读说明：本技术 一种陀螺多维噪声抑制方法 (Gyro multidimensional noise suppression method ) 是由 赵小明 武丽花 石慧 白永杰 顾轩宇 赵新宇 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种陀螺多维噪声抑制方法,包括以下步骤：步骤1、从振动场维度出发,设计疏型奇序止推槽结构,用于避免止推轴承各槽体支撑气流之间的对冲互扰；步骤2、从电磁场维度出发,设计无主磁通衰减结构,用于避免陀螺内部元件之间的近距磁交联干扰；步骤3、从热场维度出发,设计无源温度均热结构,用于降低外界环境热扰动。本发明能够在提高陀螺输出信噪比的同时,不增加系统复杂度,保证陀螺产品的可靠性不受损失。(The invention relates to a gyro multi-dimensional noise suppression method, which comprises the following steps: step 1, designing a sparse odd-order thrust groove structure from the dimension of a vibration field, and avoiding the mutual interference of opposite impacts among supporting airflows of all groove bodies of a thrust bearing; step 2, designing a non-main magnetic flux attenuation structure from the dimension of an electromagnetic field, wherein the non-main magnetic flux attenuation structure is used for avoiding near magnetic cross-linking interference between internal elements of the gyroscope; and 3, designing a passive temperature soaking structure from the thermal field dimension for reducing the thermal disturbance of the external environment. The invention can improve the output signal-to-noise ratio of the gyroscope without increasing the complexity of the system and ensuring that the reliability of the gyroscope product is not lost.)
技术领域
本发明属于液体悬浮转子式陀螺仪
技术领域
，涉及液体悬浮转子式陀螺仪的噪声抑制方法，尤其是一种陀螺多维噪声抑制方法。背景技术
陀螺仪是一种以惯性技术为基础的角运动敏感元件，广泛应用于自主式捷联姿态控制系统及稳定平台控制系统中。
液体悬浮转子式陀螺仪是陀螺仪的一种，它以高速旋转的陀螺电机为核心，以转角敏感器为测量单元，以力矩器为执行单元。安装在陀螺仪密封浮动组件内的陀螺电机高速运转，产生必要的动量矩，当载体沿陀螺仪输入轴方向产生角运动时，高速旋转的电机转子因陀螺效应发生进动，带动浮动组件相对输出轴发生转动，该转动被转角敏感器敏感并输出相应的电信号，提供给用户系统，用户控制系统根据该输出信号对控制对象施加控制力矩，形成闭环控制保证控制对象处于设定状态。必要时，用户发送指令信号施加于陀螺力矩器，将浮动组件控制于指定状态。
高精度姿态控制系统应用中，用户希望液浮陀螺仪具有高精度的同时还具有高的信噪比，进而获得高的姿态控制精准度和稳定度。为了实现上述目的，工程应用中往往从系统控制线路环节开展系列降噪工作，增加了系统复杂度、降低了整机可靠性，甚至会导致输出信号的失真，带来了十分不利的影响。目前，上述方法无法完全满足高精度液浮陀螺仪可靠性与精准度的双重需求。
经检索未发现相同或相似的现有技术的公开文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种陀螺多维噪声抑制方法，能够在提高陀螺输出信噪比的同时，不增加系统复杂度，保证陀螺产品的可靠性不受损失。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种陀螺多维噪声抑制方法，包括以下步骤：
步骤1、从振动场维度出发，设计疏型奇序止推槽结构，用于避免止推轴承各槽体支撑气流之间的对冲互扰；
步骤2、从电磁场维度出发，设计无主磁通衰减结构，用于避免陀螺内部元件之间的近距磁交联干扰；
步骤3、从热场维度出发，设计无源温度均热结构，用于降低外界环境热扰动。
而且，所述步骤1的疏型奇序止推槽结构为中心开孔的环形结构，在该环形结构的上表面径向制有多个疏型止推槽，该疏型槽呈弧状，所述疏型槽由靠近中心孔处向外延伸逐渐变宽，且该疏型槽顶部与中心孔间隔一段距离；相邻两个疏型止推槽之间形成槽台。
而且，所述疏型止推槽的槽数方面，设置为奇数疏型槽数，槽数范围11～17个；槽深方面，设计均深结构，槽深范围5～11μm；槽台宽度方面，设计槽台宽度比为1：1；槽角参数方面，设计为大偏角结构，参数范围61°～77°
而且，所述步骤2的无主磁通衰减结构包括：
双层嵌入式磁材结构和独立式铝材结构，所述双层嵌入式磁材结构位于独立式铝材结构的上方，该双层嵌入式磁材结构和独立式铝材结构之间为过渡间隙配合，采用环氧胶粘接方式固定。
而且，所述步骤3的无源温度均热结构，位于陀螺非浮液空间，包括：
多个均热复合单元，每个均热复合单元均由热衰减层和热扩散层组成，两者间隔设置；热衰减层的热阻远大于热扩散层，热衰减层的层厚r1和热扩散层的层厚r2均远小于其宽度l和高度h。
而且，所述热衰减层采用自带腔体的注塑保温型材，热扩散层采用铜材或导热胶。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明在电机噪声抑制方面，针对电机运转支撑气膜进行止推槽适配性设计后，保持了陀螺、电机及相关控制系统复杂度无任何增加的前提下，取得了整机可靠性零损失、相关噪声降低一个数量级的显著效果，陀螺噪声由8.53E-05°/h1/2降低到6.85E-06°/h1/2。
2、本发明针对力矩器漏磁进行的双层嵌入式磁屏蔽结构简单、可靠性高，以极低的复杂度代价实现了近距磁交联干扰噪声降低90％以上的效果，陀螺的磁灵敏度也由0.003°/h/mT降低到0.001°/h/mT以内。
3、本发明在热噪声抑制方面，本发明中的无源温度均热复合结构设置于陀螺非浮液空间，复杂度极低、可靠性极高、操作性极强，以极低的复杂度代价实现了热噪声降低50％以上的有益效果，陀螺热灵敏度由0.0005°/h/℃降低到0.0002°/h/℃以内。
附图说明
图1为本发明的电机噪声抑制型止推槽结构示意图；
图2为本发明的嵌入式近距磁交联干扰抑制结构示意图；
图3为本发明的无源温度均热复合结构示意图；
附图标记说明：
1-疏型止推槽；21-独立式铝材结构；22-嵌入式磁材结构；31-热衰减层；32-热扩散层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
本发明基于液浮陀螺仪的现有结构体系，从振动场、电磁场和热场三个维度出发，采取针对性技术设计以降低相关的噪声。
一种陀螺多维噪声抑制方法，包括以下步骤：
步骤1、从振动场维度出发，设计疏型奇序止推槽结构，用于避免止推轴承各槽体支撑气流之间的对冲互扰；
所述步骤1的疏型奇序止推槽结构为中心开孔的环形结构，在该环形结构的上表面径向制有多个疏型止推槽1，该疏型槽呈弧状，所述疏型槽由靠近中心孔处向外延伸逐渐变宽，且该疏型槽顶部与中心孔间隔一段距离；相邻两个疏型止推槽之间形成槽台。
所述疏型止推槽的槽数方面，设置为奇数疏型槽数，槽数范围11～17个；槽深方面，设计均深结构，槽深范围5～11μm；槽台宽度方面，设计槽台宽度比为1：1；槽角参数方面，设计为大偏角结构，参数范围61°～77°
在本实施例中，振动场维度，电机气浮轴承运行不稳定形成电机噪声是陀螺振动场噪声的主要来源，为此本发明根据电机运转气膜支撑机理开展了针对性的研究。本发明中，开发了疏型奇序槽构型规避了止推轴承各槽体支撑气流之间的“对冲互扰”，提升了该气浮轴承的运行稳定性，设计了等宽槽台、等深槽底结构提升了各槽体气流的支撑一致性进而提升了轴承的运行稳定性，而深槽、大槽角结构设计则保障了该轴承气膜的支撑刚度。上述适配设计技术保障了该轴承刚度的同时有效提升了气浮轴承运行稳定性，降低了电机运行过程中产生的噪声，进而有效抑制了相关的陀螺噪声。
步骤2、从电磁场维度出发，设计无主磁通衰减结构，用于避免陀螺内部元件之间的近距磁交联干扰；
所述步骤2的无主磁通衰减结构包括：
双层嵌入式磁材结构22和独立式铝材结构21，所述双层嵌入式磁材结构22位于独立式铝材结构21的上方，该双层嵌入式磁材结构22和独立式铝材结构21之间为过渡间隙配合，采用环氧胶粘接方式固定。
在本实施例中，电磁场维度，针对陀螺内部主要电磁扰动源——力矩器，采取无主磁通衰减设计解决陀螺内部元件之间的近距磁交联干扰抑制问题。无主磁通衰减方面，开发了一种独立式铝材和软磁材料双层嵌入式磁屏蔽装置，通过优化磁钢漏磁的导磁路径，实现了主磁通无衰减、漏磁场降低90％的效果，进而有效抑制了陀螺内部近距磁交联干扰引入的噪声。
步骤3、从热场维度出发，设计无源温度均热结构，用于降低外界环境热扰动；
所述步骤3的无源温度均热结构，位于陀螺非浮液空间，包括：
多个均热复合单元，每个均热复合单元均由热衰减层31和热扩散层32组成，两者间隔设置；热衰减层31的热阻远大于热扩散层32，热衰减层31的层厚r1和热扩散层32的层厚r2均远小于其宽度l和高度h。
所述热衰减层31采用自带腔体的注塑保温型材，热扩散层32采用铜材或导热胶。
在本实施例中，热场维度，针对液浮陀螺的现有结构开发了一种无源温度均热结构。该无源温度均热结构设计以热阻配置为切入点，沿陀螺仪输出轴方向和浮子组件圆周方向配置为热阻主衰减方向，沿陀螺仪输出轴垂直方向配置为热阻主放大方向，使得陀螺外部局部区域散逸热量沿输出轴方向和浮子圆周方向迅速扩散，而沿输出轴径向方向相对无扩散。该结构有效降低外界环境热扰动的同时，还有效平滑了脉冲调宽温控系统脉冲式加温引入的热扰动，热噪声抑制效果显著。
如图1所示，本发明提供一种电机噪声抑制止推槽结构参数，槽数方面设置为奇数疏型槽数，槽数范围(11～17)；槽深方面，设计均深结构，深度偏差范围(0.3～1)μm，槽深范围(5～11)μm；槽台宽度方面，设计槽台宽度比为1：1；槽角参数方面，设计为大偏角结构，参数范围(61～77)°。
如图2所示，嵌入式磁材结构22与独立式铝材结构21之间为过渡间隙配合，采用环氧胶粘接方式固定。
如图3所示，该无源均热复合结构包括多个均热复合单元，具体数量由仪表空间及仪表精度需求决定。每个均热复合单元均由热衰减层31和热扩散层32组成，两者间隔设置。热衰减层31的热阻远大于热扩散层32，例如热衰减层采用自带腔体的注塑保温型材，热扩散层32采用铜材或导热胶。热衰减层31的层厚r1和热扩散层32的层厚r2均远小于其宽度l和高度h，即r1、r2《l、h。本实施例中，r1与r2的值取为0.05mm，h取值80mm，l取值200mm。实际应用中，r1、r2、h、l的具体值可根据具体应用情况确定。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。