[实用新型]一种电磁感应寻北仪

说明书

技术领域

本实用新型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。

本实用新型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，并匀速旋转驱动电机时，根据法拉第电磁感应定律，线圈两端产生感应电动势。在匀速旋转的条件下，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。本实用新型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

本实用新型的原理是基于法拉第电磁感应定律。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。本实用新型采用驱动电机匀速旋转拖动线圈绕组1，使其切割地球磁场的磁力线，并产生 感应电动势，通过测量电动势来确定线圈轴向与地磁场方向的夹角，从而达到寻北的目的。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，并匀速旋转驱动电机时，根据法拉第电磁感应定律，线圈两端产生感应电动势。在匀速旋转的条件下，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ω，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＝μH，μ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＝NBAsin(ωt+δ)＝ksin(ωt+δ)，

式中δ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，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ω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)＝ωt+δ。

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)＝2jπ，

(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，因此本实用新型所寻北向为地磁北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装置。

附图说明

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