一種石英加速度計用磁處理系統研制

郭 祎， 張純喜， 湯海澄

（1.超精密航天控制儀器技術實驗室，北京100039；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039；3.上海地西地磁電設備有限公司，上海201615）

0 引言

石英加速度計是一種采用恒定磁場的力矩線圈產生電磁反饋力平衡所受加速度的加速度測量傳感器,力矩線圈所處工作氣隙的磁性能對加速度計性能產生直接影響［1］。磁路結構及力矩器結構如圖1、圖2所示。由于裝配精度限制,永磁體只能在力矩器裝配完成后進行飽和充磁并退磁到設計值。在儀表裝配時,需要對上下力矩器4個特定位置氣隙磁場強度（圖2中紅色點）進行嚴格配對。因此,在裝配過程中充退磁以及磁測量的準確度成為儀表精度控制的關鍵。

圖1 磁路結構Fig.1 Structure of magnetic circuit

圖2 力矩器結構Fig.2 Structure of torquer

目前,實際生產采用人工充磁、退磁、單點旋轉測磁的方式進行加工。因無法在線實時測量磁性能,充退測過程需要反復進行,自動化程度低,平均完成1個力矩器的充磁、退磁、測磁工作需要約2min。測試依靠人工工裝定位旋轉測量,測量位置的重復性差,容易引入多余物,嚴重制約了加速度計精度和生產效率的提升。

國內磁電設備生產企業的磁處理設備主要為充磁機與多軸測磁工作臺搭配,充退磁和測量步驟分離,依然需要重復拆裝。由于力矩器氣隙狹小,成品探頭僅可做到逐點測量,無法做到4點同時在線測量。國外廠家如美國的Wallker公司、日本的巖崎通訊株式會社等測量技術發展成熟、測試精度高［2］,但大部分磁處理設備為標準設備,無法兼容加速度計產品需求,且定制設備價格昂貴, 無法保證售后［3］。

本文結合石英撓性加速度計結構和應用特點,研制了一種磁處理系統（以下簡稱系統）。系統可以一次裝夾完成1個力矩器組件的飽和充磁、定量退磁、在線測量4點磁場強度的工作。系統避免了重復拆裝帶來的誤差,大幅減少了操作步驟,提升了力矩器磁性能處理精度和生產效率。

1 設備概述和技術特點

系統是多工位、多探頭磁處理裝置,包括充磁電源、磁處理工作臺、冷水機三個部分,如圖3所示。由充磁電源提供高電壓,磁處理工作臺進行充磁、退磁和測磁操作,水冷機為工作臺中的線圈進行實時冷卻。

圖3 力矩器磁處理系統組成Fig.3 Composition of torquer magnetic processing system

1）充磁過程：設備利用脈沖電流充磁方式［4］將市電變壓整流,對電容器充以直流高壓電壓,然后通過一個電阻極小的線圈放電,使電路產生一個可控、滿足磁場需求的脈沖電流［5-6］。此脈沖電流在線圈內產生一個強大的磁場,利用永磁材料的三個特性［7-8］,該磁場使置于線圈中的硬磁材料永久磁化。

充磁電源提供高壓,線圈位于磁處理工作臺機柜內。為了滿足大矯頑力磁鋼的飽和充磁需求,選用了最大輸出電流為30000A、電容容量為20F的充磁電源,可在Φ30mm×12mm區域內產生強度不小于 6T［9］的磁場。

2）測磁過程：利用霍爾效應［2］將霍爾探頭垂直置于氣隙磁場中,當霍爾探頭中的電流沿垂直于氣隙磁場的方向流動時,會形成感應電動勢,由霍爾探頭拾取該電動勢并輸出。

由于砷化鎵（GaAs）霍爾元件具有靈敏度高、線性度好、溫度系數小等優點［10］,系統選用了4個厚度僅為0.025mm的砷化鎵微型薄膜霍爾元件,可滿足0.75mm寬度的圓環型氣隙磁場多點同時測量。

3）退磁過程：退磁原理與充磁原理類似,在工作時根據所工作磁鋼的矯頑力值不同,設定不同的退磁電壓,通過脈沖逼近方式進行退磁,達到技術要求值。永磁體飽和充磁后,系統會根據測量結果確定是否退磁。當測量結果高于合格范圍上限時,系統根據設定的初始退磁電壓、退磁增量反向退磁,直到測量結果在合格范圍內。

本設備的技術特點主要有：

1）首次采用多探頭設計,可同時測量周向均布4點的磁場值。

2）同時具備磁鋼飽和充磁、退磁、在線測磁功能,可將三步合為一步,大幅減少操作重復次數,完成1個力矩器最長20s,提升工作效率達9倍。

3）無需拆裝,保證測量位置一致,避免重復測量誤差及多余物。

4）適用于多種類型、規格的石英撓性加速度計力矩器,兼容矯頑力為1.5kA/m～15kA/m的磁鋼飽和充磁和退磁。

5）具有自動化和智能化的特點,可根據磁處理參數設置進行自動充退磁、在線測量等操作,可設定不同的磁處理程序,對參數進行個性化設定,以滿足不同永磁材料的處理要求。

2 適應性設計方案

為滿足石英加速度計力矩器的生產需求,需要對系統進行適應性設計。設計的主要部分為磁處理工作臺,包括2個不同工位、控制面板和機柜,如圖4所示。

圖4 磁處理工作臺的設計Fig.4 Design of magnetizing table

目前,在產的石英加速度計有2種尺寸的力矩器,因此在工作機柜臺面上設置了2個不同尺寸的工位,如圖4所示。工位中設置了集成測頭、治具和壓緊工裝,如圖5（a）所示。測頭與待處理件間隙配合,配合間隙為0.005mm～0.01mm（單邊）。測頭呈周向90°均勻分布,如圖5（b）所示。

圖5 測頭示意圖Fig.5 Diagram of probe

其中,集成測頭是由金屬固定芯以及4個薄膜霍爾探頭粘接而成。霍爾探頭采用砷化鎵薄膜霍爾片及直徑僅為0.025mm的5根金絲,使用避光膠進行封裝,成品厚度僅為0.25mm。由于霍爾探頭結構十分脆弱,因此在集成測頭上設計凹槽,使用強度較高的環氧膠粘劑將霍爾探頭封裝在凹槽內,兼顧做到保護和固定霍爾探頭的作用。測量時,零件安放于集成測頭上,零件內孔與集成測頭外圓配合定位,霍爾探頭探入零件氣隙內部設計要求的位置,測量該位置的磁場強度,如圖6所示。

圖6 磁測量示意圖Fig.6 Diagram of magnetic measurement

工作箱體中設置有充退磁線圈和頂升機構,集成測頭安裝在夾具上并固定在頂升機構中。工作箱體上臺面設置有通孔,壓緊機構安裝在工作箱體的上臺面上,壓緊機構、集成測頭、頂升機構與工作箱體上臺面的通孔同軸。在工作時,壓緊機構根據退磁磁場要求移動至適宜位置,達到設定的退磁磁場要求。

具體磁處理及測量流程如圖7所示。工作時,將待處理件放置在集成測頭上,即將集成測頭放入待處理件磁軛氣隙中,待處理件刻線與集成測頭上的刻線對齊,保證相對位置,集成測頭與待處理件間隙配合,并卡滯在限位面處,使傳感器探頭位置匹配待處理件上的測量點,壓緊機構壓緊待處理件,頂升機構帶動待處理件及集成測頭由工作箱體上臺面的通孔進入充退磁線圈的磁場空間。

圖7 系統工作流程示意圖Fig.7 Diagram of system workflow

系統預設待處理件的充磁磁場強度B0、退磁磁場強度B1及充磁模式,充磁模式包括飽和充磁模式及退磁模式。磁處理系統控制充退磁線圈的電流,對充退磁線圈通電產生磁場,對待處理件充磁,傳感器探頭實時測量待處理件的充磁磁場強度B。

在飽和充磁模式下,當傳感器探頭檢測到的充磁磁場強度B達到B0時,則停止充磁,頂升機構帶動待處理件及集成測頭由工作箱體伸出上臺面,壓緊機構解除對待處理件的壓緊。

在退磁模式下,可先進行飽和充磁或者當傳感器探頭檢測到的充磁磁場強度B達到B0時,調整充退磁線圈的電流,對待處理件退磁。傳感器探頭實時測量待處理件的退磁磁場強度B′,當檢測到的退磁磁場強度B′達到B1值時,停止退磁。頂升機構帶動待處理件及集成測頭由工作箱體伸出上臺面,壓緊機構解除對待處理件的壓緊。在進行小矯頑力磁鋼退磁操作時,為控制退磁場將待處理組件移動到工作臺面上進行退磁工作。

操作界面可以設定多個用戶參數,每個用戶參數分別可以設定磁處理工藝參數,包括充磁電壓、退磁電壓、退磁范圍等。完成1個零件的磁處理工作后,設備可自動進行流水號的賦予。

數據可由設備自帶U盤拷出,通過轉換軟件處理后,可生成Excel表格,表格中包含磁處理中的全部參數明細及測試過程記錄。

3 應用及效果

對系統進行實際磁處理操作,以驗證系統的使用可行性。

3.1 驗證方法

1）驗證設備設計場強足夠。采用設備對使用大矯頑力磁鋼的力矩器進行飽和充磁,與以往磁鋼飽和充磁后數據作對比,驗證磁鋼充磁足夠飽和。根據生產數據統計,目前在用的大矯頑力磁鋼飽和充磁后,力矩器氣息磁場強度值應為5300Gs～5600Gs。

2）驗證設備對采用不同矯頑力磁鋼的力矩器或不同尺寸力矩器均可完成飽和充磁及定量退磁的操作。采用力矩器處理系統分別對大小矯頑力力矩器按照工藝要求進行飽和充磁和退磁,測試點位如圖8所示。根據生產數據統計,目前在用的大矯頑力磁鋼飽和充磁后氣隙磁場值為5300Gs～5600Gs,退磁后氣隙磁場值要求在 5100Gs～5400Gs；小矯頑力磁鋼飽和充磁后氣隙磁場值為5600Gs～5900Gs,退磁后氣隙磁場值要求在4600Gs～4900Gs。

圖8 力矩器測量點分布示意圖Fig.8 Distribution of measurement points in torquer

3）裝配石英加速度計,標定標度因數K1, 驗證磁處理系統的數據準確性。在氣隙磁場值為4300Gs～4600Gs范圍內,裝配儀表的K1應滿足1.15mA/g～1.25mA/g。

3.2 試驗結果

根據上述驗證方法,采用新型磁處理系統對生產線上一批次的力矩器（100個）進行充磁、退磁試驗。試驗中,按照不同磁鋼磁處理所需充磁場、退磁場要求設置了單獨的程序。測得的大小矯頑力磁鋼數據如表1、表2所示。

表1 大矯頑力磁鋼測試數據Table 1 Test data of magnetic steel with high coercive force

表2 小矯頑力磁鋼測試數據Table 2 Test data of magnetic steel with low coercive force

由表1、表2可知,飽和充磁后氣隙磁場實測值均能達到原飽和充磁要求值,說明磁鋼已達到飽和。退磁后的實測值也均可達到要求值,且各點差值不超過120Gs,說明退磁效果均勻可靠,滿足工藝要求。

選擇小矯頑力力矩器（表2所示）,進行石英加速度計實際裝機試驗。采用4位置翻滾測量法分離儀表輸出模型方程系數中的標度因數K1,如表3所示。

表3 實際裝配石英加速度計的標度因數K1數據Table 3 Scale factor K1of actually assembled quartz accelerometers

由表3可知,實際裝配石英加速度計的標度因數K1的實測值滿足產品指標要求。

4 結論

針對石英加速度計力矩器磁處理精度、效率的提升要求,本文提出了一種免拆裝進行磁處理的思路,并搭建了系統。系統在操作中實現了一次裝夾完成所有工藝要求的磁處理步驟,可滿足不同性能磁鋼的充磁、退磁處理要求,大幅減少了反復充磁、退磁和測磁操作步驟,明顯提高了操作效率,并減少了多余物引入的途徑。數據由設備實時記錄,包含信息完整,并輸出成為表格文件,采用計算機處理,減少了人為處理失誤。新型磁處理設備在使用中表現良好,可以滿足目前的生產需求。

新型的磁處理系統目前已應用于相關產品生產中,經過大量產品生產實踐,磁處理系統穩定可靠,其設計理念可推廣于其他儀表研制生產領域。