[发明专利]基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置

说明书

本发明公开了一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，涉及小磁体悬浮控制装置技术领域。包括磁屏蔽腔、小磁体、光学相干位移检测系统和磁悬浮控制系统。其中光学相干位移检测系统包括5组光学准直探头、光纤、5个等臂长迈克尔逊位移检测装置和数字相位解调PGC电路。磁悬浮控制系统包括4组位置控制线圈、2组姿态控制线圈和电流控制电路。通过光学相干位移检测系统精确测定小磁体在三个平动方向上的位移量，以及绕垂直于小磁体磁矩方向的两个转轴的旋转角，再通过磁悬浮控制系统让小磁体回归到原始位置，并保持小磁体磁矩方向不变，从而实现空间小磁体高精度的悬浮控制。

技术领域

本发明涉及小磁体悬浮控制装置技术领域，尤其涉及一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置。

背景技术

微重力环境下，在医疗精密仪器和科研专用仪器中，人们需要在真空环境下，对药物和实验样品位置调整和姿态的变化，由于调整位移小，姿态特别小，缺少合适的装置来非常精确控制小物件；在航空航天运动体的运动姿态测量中，静电悬浮磁体会得到广泛应用。但是静电悬浮技术的抗干扰能力差、控制精度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，所述加速度计可以避免高精度机械加工的技术瓶颈，并具有更高的控制精度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于光学位移传感的空间小磁体悬浮控制装置，其特征在于：包括磁屏蔽腔、小磁体、光学相干位移检测系统、磁悬浮控制系统，所述小磁体悬浮于所述磁屏蔽腔内，所述光学相干位移检测系统位于所述磁屏蔽腔上，用于通过向小磁体发射光信号和接收其反射回的光信号，实现对小磁体的空间位置和姿态的实时定位；所述磁悬浮控制系统位于磁屏蔽腔上，用于实时控制小磁体的位置和姿态；当小磁体在磁屏蔽腔内受到非保守力作用发生平动和转动时，由光学相干位移检测系统测量，并反馈给磁悬浮控制系统，磁悬浮控制系统根据光学相干位移检测系统反馈的小磁体的位置和姿态变化量向小磁体施加磁力，使小磁体回归到原始位置，并保持磁矩方向不变。

进一步的技术方案在于：所述磁屏蔽腔外形为立方体形，选用非磁性材料构建，且内部为真空状态，所述小磁体的质心位于磁屏蔽腔的中心位置。

进一步的技术方案在于：所述光学相干位移检测系统包括若干组光学准直探头、光纤、若干个等臂长迈克尔逊位移检测装置和数字相位解调PGC电路，所述每组光学准直探头与之对应的等臂长迈克尔逊位移检测装置通过光纤相连，所述等臂长迈克尔逊位移检测装置与数字相位解调PGC电路电连接；光源通过系统中的各对光学准直探头向小磁体发射光信号，并接收其反射回的光信号，光信号中包含小磁体的位置和姿态信息，光信号通过光纤传输到等臂长迈克尔逊位移检测装置，利用干涉原理处理光信号，将小磁体的位移、偏转角转化为可识别的相位变化，对各对光学准直探头的测量结果，通过矢量叠加原理，得到其位移、偏转角叠加后的相位变化；数字相位解调PGC电路实现对相位的快速解调，最终通过相位变化计算出小磁体偏离质心的位移量及小磁体检验质量块绕垂直于磁矩方向的两个转轴的旋转角，并反馈给磁悬浮控制系统对小磁体进行位置和姿态的实时控制。

进一步的技术方案在于：所述光学准直探头设有五组，等臂长迈克尔逊位移检测装置设有五个。

进一步的技术方案在于：沿所述磁屏蔽腔的X轴方向的2个腔壁上，在中心位置对称设有一组光学准直探头，用于测量小磁体在X轴的位移变化；沿X轴正方向的腔壁上还设置两组光学准直探头，用于测量小磁体的姿态变化，向Y轴和Z轴所在的平面投影，其中一组光学准直探头，投影落在Y轴方向上，距离中心位置为小磁体的截面半径的四分之一到四分之三，用于测量小磁体绕Z轴旋转的姿态变化，另一组光学准直探头投影落在Z轴方向上，距离中心位置为小磁体的截面半径的四分之一到四分之三，用于测量小磁体绕Y轴旋转的姿态变化；沿所述磁屏蔽腔的Y轴方向的2个腔壁中心设置1组光学准直探头，用于测量小磁体沿Y轴移动的位移变化，沿所述磁屏蔽腔的Z轴方向的2个腔壁中心设置1组光学准直探头，用于测量小磁体沿Z轴移动的位移变化。