基於電磁感應原理的磁流體陀螺儀的基礎問題研究

《基於電磁感應原理的磁流體陀螺儀的基礎問題研究》是依託天津商業大學，由陳誠擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於電磁感應原理的磁流體陀螺儀的基礎問題研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳誠
• 依託單位：天津商業大學

項目摘要

現有陀螺儀存在單一性能較好，但綜合性能不高的問題，而基於電磁感應原理的磁流體陀螺儀兼具高精度、寬頻帶、小型化等優異性能，並且對加工工藝要求相對較低。因此磁流體陀螺儀在衛星姿態測量等相關領域有著顯著的優勢，對該陀螺儀的研究具有重大戰略意義。本項目基於磁流體動力學理論，研究基於電磁感應原理的磁流體陀螺儀感測數學模型，探索制約磁流體陀螺儀性能的因素，並在此基礎上進一步探索最佳化其性能的方案，主要包括三個基礎問題的研究：如何改善磁流體陀螺儀低頻特性，擴展測量範圍至1Hz以下；如何實現磁流體徑向流速分布的可控性，從而實現磁流體陀螺儀的線性化；如何檢測磁流體陀螺儀的微弱輸出信號，避免後續處理電路對精度和頻帶的影響。本項目的研究成果將為高性能的磁流體陀螺儀的研製提供理論和技術基礎。

結題摘要

本課題建立了基於電磁感應原理的磁流體陀螺儀的數學模型和磁流體動力泵流體模型，提出了基於自相關小波閾值去噪算法的微弱信號提取方法。基於磁流體動力學原理，設計磁流體陀螺的機械結構。圓柱體外殼選用高磁導率的軟磁材料，為永磁體形成閉合磁迴路，同時構成流體通道的外壁。外殼內底部放置圓片狀永磁體，上面用絕緣的密封套卡住，密封套構成流體通道下表面。磁流體陀螺信號處理電路實現較大的放大倍率及較寬頻帶的同時，重點要控制噪聲避免其淹沒有用信號。當輸入角振動幅值很小時，磁流體陀螺前級感測器的輸出只有幾十μV，普通放大器噪聲與1KHz頻帶內的白噪聲足以淹沒該輸出信號，因此噪聲控制是磁流體陀螺電路設計的關鍵。設計了感測器的低噪聲前置放大電路，提出了基於自相關的小波閾值去噪算法，提高了信號提取系統的信噪比。搭建了磁流體陀螺儀樣機的測試實驗平台，包括轉台、信號發生器、轉台控制器、恆壓源、數據採集卡、工作站和示波器等部分，並進行了相關測試實驗。 建立了導電流體在矩形截面閉合通道內運動的模型，簡化了磁流體陀螺儀的數學模型；分析了磁場分布和磁場非均勻性的產生原因及影響。當磁流體陀螺儀的輸出與輸入最好能夠呈現線性對應關係時，具有最佳輸出特性。 對磁流體徑向流速曲線的可控性進行了研究，以實現磁場分布與磁流體徑向流速分布的乘積呈現線性分布。通過磁導法求解在工作間隙時的磁感應強度值是基於永磁體提供的磁場是均勻的這一假設。然而實際情況中的圓柱片型永磁體提供的磁場並不如想像般均勻，而是在圓形表面呈現出中心磁感應強度較小而邊緣處較大的形態。通過ANSYS電磁場分析中的二維仿真方法驗證了磁導法的求解，並在磁路設計的過程中直接觀察該方法能否保證垂直度和均勻度，並依此基礎提出磁路的最佳化方案，進行疊代修改。最終設計完成並裝配了單流體環磁流體陀螺儀樣機。分析了磁流體動力泵的工作原理，研究了雙流體環單泵結構的磁流體陀螺儀的機械結構、磁路結構和裝配工藝。