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快速高精度陀螺经纬仪

阅读：407发布：2023-02-13

专利汇可以提供快速高精度陀螺经纬仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种陀螺经纬仪，特别涉及一种能自动寻北的快速高精度陀螺经纬仪；本发明由经纬仪、悬丝、悬挂组件、密珠轴系、陀螺马达、陀螺房、光学传感器、锁紧与限幅机构、力矩器组件、磁屏蔽装置、三角架、输电装置、支承壳体、伺服电机与测速电机、传动机构等构成；本发明实现了大角度快速寻北、寻北自动化并自动稳定在北向，且精度高、防磁防振，可广泛应用于矿山、建筑、铁路、森林及航天等行业。，下面是快速高精度陀螺经纬仪专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种快速高精度陀螺经纬仪，包括经纬仪[1]、悬丝[2]、陀螺马达[5]、陀螺房[6]、三角架[11]。其特征是所述的快速高精度陀螺经纬仪还包括悬挂组件[3]、密珠轴系[4]、光学传感器[7]、锁紧与限幅机构[8]、力矩器组件[9]、磁屏蔽装置[10]、输电装置[12]、支承壳体[13]、伺服电机与测速电机[14]、传动机构[15]；由悬丝[2]、悬挂组件[3]、陀螺马达[5]、陀螺房[6]、力矩器组件[9]、磁屏蔽装置[10]、输电装置[12]组成悬挂机构，陀螺马达[5]固定在陀螺房[6] 上，陀螺房[6]与悬挂组件[3]固连，在悬挂组件[3]的上端由夹紧机构与悬丝[2] 相连，输电装置[10]一端固定在悬挂组件[3]上，另一端固定在跟踪装置上，给陀螺马达[5]供电，力矩器组件[9]的转子[42]固定在悬挂机构上陀螺房[6]的下端，力矩器组件[9]的定子[41]固定在支承壳体上，磁屏蔽装置[10]固定在陀螺房[6]周围，悬挂机构与跟踪装置通过悬丝[2]相连；由密珠轴系[4]、光学传感器[7]、锁紧与限幅机构[8]、支承壳体[13]、伺服电机与测速电机[14]、传动机构[15]组成跟踪装置，锁紧与限幅机构[8]固定在支承壳体[13]的下方，用于锁定悬挂机构，且对悬挂机构的运动进行限幅，光学传感器[7]用来敏感陀螺摆的运动，陀螺摆的角运动通过光学传感器[7]变为光信号，光信号通过光学传感器电路[51]和前置处理电路[52]变为电信号，送入计算机控制电路[53]，该信号经过功率驱动电路[57]分别送入偏置稳定电路[54]、随动电路[56]和阻尼电路 [55]，光学传感器[7]固定在支承壳体[13]上，以敏感悬挂机构的运动，密珠轴系[4]的轴[73]固定在支承壳体[13]上，轴套[74]固定在三角架[11]上，支承壳体 [13]与经纬仪[1]固连，伺服电机与测速电机[14]固定在三角架[11]上，且与传动机构[15]相连接，传动机构[15]与密珠轴系[4]通过齿轮连接。
2.如权利要求1所述的快速高精度陀螺经纬仪，其特征是所述的悬挂组件[3]由夹紧装置[21]、悬挂柱[22]、光学传感器[7]的反光镜[61]、马达启动时的旁路机构[24]、锁定时的固定机构[23]、输电装置[12]的固定结构[25]、夹紧装置[21]固定在悬挂柱[22]的上端，光学传感器[7]的反光镜[61]固定在悬挂柱[22] 的上部，马达启动时的旁路机构[24]固定在悬挂柱[22]的下端。
3.如权利要求1所述的快速高精度陀螺经纬仪，其特征是所述的密珠轴系[4]由轴[73]、轴套[74]、平行圈[76]、止推板[71]、隔圈[75]及精密滚珠[72]构成。
4.如权利要求1所述的快速高精度陀螺经纬仪，其特征是所述的光学传感器[7]由反光镜[61]，透镜[62]、[63]、[67]，直角棱镜[64]、折射棱镜[65]，标尺光栅[66]，光源[68]，指示光栅[69]构成。
5.如权利要求1所述的快速高精度陀螺经纬仪，其特征是所述的锁紧与限幅机构[8]由凸轮[32]、弹簧[34]、滚珠[36]、滑动轴[35]、托板[31]、手轮[33] 组成，凸轮[32]固定在支承壳体[13]上，凸轮[32]通过滚珠[36]与滑动轴[35]相连，托板[31]与滑动轴[35]相连，手轮[33]与凸轮[32]相连，弹簧[34]与滑动轴 [35]和支承壳体[13]相连。
6.如权利要求1所述的快速高精度陀螺经纬仪，其特征是所述的力矩器组件[9]由转子[42]和定子[41]组成，转子[42]固定在悬挂机构上的陀螺房[6]下端，定子[41]固定在支承壳体[13]上。
7.如权利要求1所述的快速高精度陀螺经纬仪，其特征是所述的输电装置[12]由上输电盘[82]、下输电盘[25]、软导线[81]组成。
8.如权利要求1所述的快速高精度陀螺经纬仪，其特征是所述的传动机构[15]由谐波齿轮减速器和二级传动构成，其中一级传动为齿轮传动，二级传动为蜗轮蜗杆传动。

说明书全文

本发明涉及一种陀螺经纬仪，特别涉及一种能自动寻北的下置式快速高精度陀螺经纬仪。

自1947年以来，德国、苏联、英国、匈牙利、瑞士、美国、日本及中国先后开展了陀螺经纬仪的研究，至今已有四十多年的历史；陀螺经纬仪的发展大体可分为三个阶段；

①液浮式陀螺罗盘，该类为最早产品，其性能较差、体积大、操作复杂、定向时间长、精度低，目前已被淘汰；

②上架式陀螺经纬仪，随着陀螺技术的不断发展，精密小型陀螺元件的出现，鉴于某些工程测量要求定向精度不必太高，发展了一种小型陀螺附件，置于经纬仪之上，该类仪器体积小、重量轻、便于操作、携带，目前国内这类仪器较多，但仪器总高度较大，使用时易受风力和振动的影响；

③下置式陀螺经纬仪，其优点是这类仪器总高度较小，使用时陀螺盘离地面近，且装在经纬仪刚性最好的轴上，因而受风力、振动、温度的影响较小，可适应野外恶劣的环境条件，这对军用仪器尤为重要，这是今后发展的方向。

当前国内用于定向的陀螺经纬仪有手动的，也有自动的；手动的陀螺经纬仪如徐州光学仪器厂的JT15，西安光学测量仪器厂的DJ2-T20，其缺点是定向时间太长，分别为25分钟和30分钟，而且手工操作，对操作人员的要求很高；自动的陀螺经纬仪，如航天部15所的TDJ83，其缺点也是定向时间长，定向时间为20分钟，而且不能自动定北。

本发明的目的是为了提供一种精度高、快速定向、测量自动化、自动寻北并稳定在北向，能适应各种恶劣环境条件的下置式快速高精度陀螺经纬仪。

本发明的目的是按以下技术方案实现的。备好经纬仪、悬丝、悬挂组件、密珠轴系、陀螺马达、陀螺房、光学传感器、锁紧与限幅机构、力矩器组件、磁屏蔽装置、三角架、输电装置、支承壳体、伺服电机与测速电机、传动机构，由悬丝、悬挂组件、陀螺马达、陀螺房、力矩器组件、磁屏蔽装置、输电装置组成悬挂机构，陀螺马达固定在陀螺房上，陀螺房与悬挂组件固连，在悬挂组件的上端由夹紧机构与悬丝相连，输电装置一端固定在悬挂组件上，另一端固定在跟踪装置上，给陀螺马达供电，力矩器组件的转子固定在陀螺房的下端，力矩器组件的定子固定在支承壳体上，磁屏蔽装置固定在陀螺房周围，悬挂机构与跟踪装置通过悬丝相连；由密珠轴系、光学传感器、锁紧与限幅机构、支承壳体、伺服电机与测速电机、传动机构组成跟踪装置，锁紧与限幅机构固定在支承壳体的下方，用于锁定悬挂机构，且对悬挂机构的运动进行限幅，光学传感器用来敏感陀螺摆的运动，陀螺摆的角运动通过光学传感器变为光信号，光信号通过光学传感器电路和前置处理电路变为电信号，送入计算机控制电路，该信号经过功率放大分别送入偏置稳定电路，随动电路和阻尼电路；光学传感器固定在支承壳体上，以敏感悬挂机构的运动，密珠轴系的轴固定在支承壳体上，轴套固定在三角架上，支承壳体与经纬仪固连，伺服电机与测速电机固定在三角架上，且与传动机构相连接，传动机构与密珠轴系通过齿轮连接。

经纬仪为通用的经纬仪；悬丝用镍42铬钛(Ni42CrTi)制成；悬挂组件由夹紧装置、悬挂柱、光学传感器的反光镜、马达启动时的旁路机构、锁定时的固定机构、输电装置的固定结构组成，夹紧装置固定在悬挂柱的上端，光学传感器的反光镜固定在悬挂柱的中部，输电装置的固定结构固定在悬挂柱的上部，马达启动时的旁路机构固定在悬挂柱的下端，锁定时的固定结构也固定在悬挂柱的下端；密珠轴系由轴、轴套、平行圈、止推板、隔圈及精密滚珠构成；陀螺马达为高精度陀螺马达；陀螺房为高精密结构陀螺房；光学传感器由反光镜、三个透镜、直角棱镜、折射棱镜、标尺光栅、光源、指示光栅构成；锁紧与限幅机构由凸轮、弹簧、滚珠、滑动轴、托板、手轮组成，凸轮固定在支承壳体上，凸轮通过滚珠与滑动轴相连，托板与滑动轴相连，手轮与凸轮相连，弹簧与滑动轴和支承壳体相连；力矩器组件由转子和定子组成，转子固定在悬挂机构上陀螺房的下端，定子固定在支承壳体上；磁屏蔽装置为多层磁屏蔽，用以屏蔽外界磁场；三角架为通用三角架；输电装置由上输电盘、下输电盘、软导线组成；支承壳体用于支撑跟踪装置各个组件；伺服电机与测速电机为通用电机；传动机构由谐波齿轮减速器和二级传动构成，其中一级传动为齿轮传动，二级传动为蜗轮蜗杆传动。悬挂机构用来敏感地球自转角速率的北向分量；跟踪装置用来对悬挂机构中的陀螺仪自转轴进行伺服跟踪，达到陀螺仪与经纬仪同步运行的目的，最后用经纬仪的望远镜传递北向方位。

本发明由于定向采用了悬丝式陀螺、垂直阻尼自动定向，因而实现了大角度快速寻北；由于采用了高精度陀螺马达及陀螺房、高灵敏度的陀螺悬挂机构、高稳定高分辨率的力矩器、精密稳定的测角系统、低干扰高稳定性的导流系统、精密回转轴系及其伺服系统、高导磁率的磁屏蔽机构，因而精度高(可达秒级精度)、测量时间短、使用方便、防磁、防振、寻北自动化并自动稳定在北向，不用人工干预，仪器的可靠性高，适应恶劣的环境条件，可广泛应用于矿山、建筑、铁路、森林、航天等行业。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明结构示意框图

图2为本发明结构图

图3为本发明的运动轨迹图

图4为本发明电原理框图

图5为本发明电原理图

图6为本发明光学传感器结构示意图

图7本发明密珠轴系结构示意图

参照图1至图7，备好经纬仪1、悬丝2、悬挂组件3、密珠轴系4、陀螺马达5、陀螺房6、光学传感器7、锁紧与限幅机构8、力矩器组件9、磁屏蔽装置10、三角架11、输电装置12、支承壳体13、伺服电机与测速电机14、传动机构15；由悬丝2、悬挂组件3、陀螺马达5、陀螺房6、力矩器组件9、磁屏蔽装置10、输电装置12组成悬挂机构，陀螺马达5固定在陀螺房6上，陀螺房6与悬挂组件3固连，在悬挂组件3的上端由夹紧机构与悬丝2相连，输电装置10一端固定在悬挂组件3上，另一端固定在跟踪装置上，给陀螺马达5供电，力矩器组件9的转子固定在悬挂机构上陀螺房6的下端，力矩器组件9的定子固定在跟踪装置的支承壳体13上，磁屏蔽装置10固定在陀螺房6 周围，悬挂机构与跟踪装置通过悬丝2相连；由密珠轴系4、光学传感器7、锁紧与限幅机构8、支承壳体13、伺服电机与测速电机14、传动机构15组成跟踪装置，锁紧与限幅机构8固定在支承壳体13的下方，用于锁定悬挂机构，且对悬挂机构的运动进行限幅，光学传感器7的光学传感器电路51依次与前置处理电路52、计算机控制电路53、功率驱动电路57、偏置稳定电路 54、随动电路56、阻尼电路55用导线相联接，光学传感器7用来敏感陀螺摆的运动，陀螺摆的角运动通过光电传感器7变为光信号，光信号通过光电传感器电路51和前置处理电路52变为电信号，送入计算机控制电路53，该信号经过功率驱动电路57分别送入偏置稳定电路54、随动电路56和阻尼电路 55，光电传感器7固定在支承壳体13上，以敏感悬挂机构的运动，密珠轴系 4的轴73固定在支承壳体13上，轴套74固定在三角架11上，支承壳体13 与经纬仪1固连，伺服电机与测速电机14固定在三角架11上，且与传动机构 15相连接，传动机构15与密珠轴系4通过齿轮连接。

经纬仪1为通用的经纬仪；悬丝用镍42铬钛(Ni42CrTi)制成；悬挂组件3由夹紧装置21、悬挂柱22、光学传感器7的反光镜61、马达启动时的旁路机构24、锁定时的固定机构23、输电装置12的固定结构25，夹紧装置21 固定在悬挂柱22的上端，光学传感器7的反光镜61固定在悬挂柱22的上部，马达启动时的旁路机构24固定在悬挂柱22的下端，锁定时的固定结构 23也固定在悬挂柱22的下端；密珠轴系由轴73、轴套74、平行圈76、止推板71、隔圈75及精密滚珠72构成；陀螺马达5为高精度陀螺马达；陀螺房6 为高精密结构陀螺房；光学传感器7由反光镜61、透镜62、63、67、直角棱镜64、折射棱镜65、标尺光栅66、光源68、指示光栅69构成；锁紧与限幅机构8由凸轮32、弹簧34、滚珠36、滑动轴35、托板31、手轮33组成，凸轮32固定在支承壳体1 3上，凸轮32通过滚珠36与滑动轴35相连，托板31 与滑动轴35相连，手轮33与凸轮32相连，弹簧34与滑动轴35和支承壳体 1 3相连；力矩器组件9由转子42和定子41组成，转子42固定在悬挂机构上的陀螺房6下端，定子41固定在支承壳体13上；磁屏蔽装置10为多层磁屏蔽，用以屏蔽外界磁场；三角架11为通用三角架；输电装置12由上输电盘 82、下输电盘25、软导线81组成；支承壳体13用于支承跟踪装置各个组件；伺服电机与测速电机14为通用电机；传动机构15由谐波齿轮减速器和二级传动构成，其中一级传动为齿轮传动，二级传动为蜗轮蜗杆传动。

在陀螺经纬仪的运动过程中，对光学传感器7信号的定时采样，采样后的数据处理，对伺服电机死区的补偿，指北判别，运行过程的控制和显示等工作的完成，都是靠计算机控制电路53来实现的；计算机控制电路53采用 MCS-51系列单片机系统，以8031芯片为主机，外接EPROM2764和可编程并行接口8255、译码器74LS138、地址锁存器74LS373各一片组成微机系统；悬挂机构用来敏感地球自转角速率的北向分量，跟踪装置用来对悬挂机构中的陀螺仪自转轴进行伺服跟踪，达到陀螺仪与经纬仪1(与跟踪装置固连) 同步运行的目的，最后用经纬仪1的望远镜传递北向方位；偏置稳定电路54 用来消除摆与跟踪装置之间的误差，随动电路56用来对陀螺摆的运动进行伺服跟踪，阻尼电路55用来对陀螺摆的运动进行阻尼，使其衰减；具体实现自动指北的过程是：在悬丝上吊挂陀螺仪(由陀螺马达5、陀螺房6组成)，力矩器组件9和测角自准直系统(由光学传器7等组成)，当陀螺仪由于地球自转角速度的影响而进动时，测角自准直系统产生光信号并转变为电信号，经放大、校正后送入伺服电机，伺服电机的角速率由测速电机检测，经伺服放大送入力矩器产生阻尼力矩，使陀螺自转轴逐渐静止在真子午线方向，与此同时，伺服电机驱动经纬仪转动，使经纬仪也停在真子午线方向，使之实现了自动指北并稳定在北向，不用人工干预。

在摆式陀螺罗盘中，陀螺悬挂在一个非常柔软的低扭矩金属悬挂带上，如果不加阻尼，摆将绕地球子午线作等幅摆动，陀螺自转轴将在垂直于地球自转速率北向分量的平面上描绘出一个椭园图形，利用这个等幅摆动特性，可在精确定时的四分之一摆动周期内将仪器从初始位置(±15°范围之内)快速粗略定于北向；然后用力矩器给摆施加阻尼力矩，使陀螺摆作衰减运动，同时伺服跟踪装置跟踪陀螺摆的运动，用无阻尼四分之一周期法，过阻尼实现粗定向，用欠阻尼实现仪器的精定向；当摆和跟踪装置接近子午线时，测速电机电压信号的大小就降低，一旦测速电机信号低于规定值时，对准检测电路接通，在信号不超过规定值并稳定一段时间后，由计算机发出指令，关闭伺服跟踪装置，发出对准信号，同时锁定机构将摆锁定，真北方位可以通过经纬仪上的望远镜传递出去。

本发明结构上采用下置式结构，因而稳定性好，并采用了多层磁屏蔽结构以防磁，结构密封以防潮，采用阻尼装置以防震，可适用于各种恶劣环境条件。

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本发明涉及一种陀螺经纬仪，特别涉及一种能自动寻北的下置式快速高精 度陀螺经纬仪。

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