基于电磁感应原理的磁流体陀螺仪的基础问题研究

As the former-stage sensor for inertial information, the performance of inertial device is very important to some inertial applications, such as satellite attitude control, inertial navigation, etc. In the field of inertial navigation, the inertial systems usually need stern requirements for inertial sensors, such as high precision, wide band, miniaturization and so on. What's more, considering the cost in development and application, lower machining craft requirement is necessary.This project focuses on the research and development of magneto-fluid inertial sensor, which is heavily depended on the properties of the magneto-fluid material. Firstly, this project makes a deep research on the relationship between this new material and the environment conditions, such as temperature and magnetic field. Secondly, the double beams laser speckle method is used to observe the motion of the magneto-fluid particle. And then based on the research of the relationship between parameters of magneto-fluid material and the output characteristics of the inertial sensors, the mathematic model can be exactly built. Finally, the experiment platform and related test system, which could provide academic and experimental basis, can be established.

现有陀螺仪存在单一性能较好，但综合性能不高的问题，而基于电磁感应原理的磁流体陀螺仪兼具高精度、宽频带、小型化等优异性能，并且对加工工艺要求相对较低。因此磁流体陀螺仪在卫星姿态测量等相关领域有着显著的优势，对该陀螺仪的研究具有重大战略意义。本项目基于磁流体动力学理论，研究基于电磁感应原理的磁流体陀螺仪传感数学模型，探索制约磁流体陀螺仪性能的因素，并在此基础上进一步探索优化其性能的方案，主要包括三个基础问题的研究：如何改善磁流体陀螺仪低频特性，扩展测量范围至1Hz以下；如何实现磁流体径向流速分布的可控性，从而实现磁流体陀螺仪的线性化；如何检测磁流体陀螺仪的微弱输出信号，避免后续处理电路对精度和频带的影响。本项目的研究成果将为高性能的磁流体陀螺仪的研制提供理论和技术基础。

本课题建立了基于电磁感应原理的磁流体陀螺仪的数学模型和磁流体动力泵流体模型，提出了基于自相关小波阈值去噪算法的微弱信号提取方法。基于磁流体动力学原理，设计磁流体陀螺的机械结构。圆柱体外壳选用高磁导率的软磁材料，为永磁体形成闭合磁回路，同时构成流体通道的外壁。外壳内底部放置圆片状永磁体，上面用绝缘的密封套卡住，密封套构成流体通道下表面。磁流体陀螺信号处理电路实现较大的放大倍率及较宽频带的同时，重点要控制噪声避免其淹没有用信号。当输入角振动幅值很小时，磁流体陀螺前级传感器的输出只有几十μV，普通放大器噪声与1KHz频带内的白噪声足以淹没该输出信号，因此噪声控制是磁流体陀螺电路设计的关键。设计了传感器的低噪声前置放大电路，提出了基于自相关的小波阈值去噪算法，提高了信号提取系统的信噪比。搭建了磁流体陀螺仪样机的测试实验平台，包括转台、信号发生器、转台控制器、恒压源、数据采集卡、工作站和示波器等部分，并进行了相关测试实验。.建立了导电流体在矩形截面闭合通道内运动的模型，简化了磁流体陀螺仪的数学模型；分析了磁场分布和磁场非均匀性的产生原因及影响。当磁流体陀螺仪的输出与输入最好能够呈现线性对应关系时，具有最佳输出特性。.对磁流体径向流速曲线的可控性进行了研究，以实现磁场分布与磁流体径向流速分布的乘积呈现线性分布。通过磁导法求解在工作间隙时的磁感应强度值是基于永磁体提供的磁场是均匀的这一假设。然而实际情况中的圆柱片型永磁体提供的磁场并不如想象般均匀，而是在圆形表面呈现出中心磁感应强度较小而边缘处较大的形态。通过ANSYS电磁场分析中的二维仿真方法验证了磁导法的求解，并在磁路设计的过程中直接观察该方法能否保证垂直度和均匀度，并依此基础提出磁路的优化方案，进行迭代修改。最终设计完成并装配了单流体环磁流体陀螺仪样机。分析了磁流体动力泵的工作原理，研究了双流体环单泵结构的磁流体陀螺仪的机械结构、磁路结构和装配工艺。