基于磁流体动力学的角速度传感器的低频拓展方法研究

The measuring instrument based on magnetohydrodynamics (MHD) has the unique advantages in its ultra-low noise with ultra-broad bandwidth. It is suitable for the on-orbit micro angular vibration measurement of the spatial structure. However, for the viscous force and electromagnetic force, the MHD angular rate sensor does not possess the capability of measurement at low frequency especially constant inertial angular rate. This limitation implies large drift rate and has negative impact on the sensor’s tracking accuracy and reliability. The existing combination measuring method makes strict demands on the real time and accuracy of combinatorial technique and increases the complexity of the system. The project launches the research on inducing the Coriolis effect to extend the bandwidth at low frequency based on the magnetohydrodynamic theory. Firstly, the study on the error modelling of combining Coriolis with MHD effect is made. Secondly, the error suppression method for the multi physical field reconstruction is analyzed in the low frequency expansion. And then, the radial velocity generation method with high accuracy by a MHD pump is designed. Finally, the detecting method for the weak angular rate signal is optimized. The research focuses on extending the measurement scope of MHD gyroscope throughout the whole bandwidth. The research findings can provide theoretical basis and technological guide for improving the noise level and tracking ability of the MHD measuring instrument in the dynamic measurement. Besides, the research can help satisfying our country’s demand on on-orbit measurement of the spacecraft micro-vibration.

基于磁流体动力学（MHD）角速度传感的微角振动测量方法，兼具低噪声、宽频带、耐冲击等特点，是目前最适合测量空间结构在轨微角振动的方法。然而，在原理上受流体粘滞力和电磁力的影响，MHD角速度传感器的低频性能不佳，导致其低频段信噪比差且漂移较大，降低了传感器的精度。现有与传统陀螺仪的组合测量方式对融合技术实时性和精度要求极高，且会增加系统的复杂性。本项目拟在MHD角速度传感器中引入科氏力效应实现传感器的低频拓展，建立基于科氏力效应与磁流体动力学效应叠加的传感和误差模型，研究低频拓展中多物理场重构的误差抑制方法，探索基于磁流体动力泵的径向流动的高精度驱动方法，优化传感器微弱信号的提取方法，以实现传感器在全频带内低噪声的角速度测量。本项目的研究成果可为现有MHD微角振动测量仪器的完善提供理论依据和技术基础，满足我国对低噪声宽频带在轨微角振动测量方法的迫切需求。

基于磁流体动力学（Magnetohydrodynamic，MHD）的角速度传感器，受限于导电流体粘滞力与电磁力，低频性能不佳，频域响应呈现高通特性，对1Hz以下的角速度信号响应幅值较小、信噪比较低。本项目主要研究MHD角速度传感器的低频拓展方法，在原有传感器流体环基础上，设计磁流体动力泵在流体环内产生径向流速，诱发科氏力效应（Coriolis effect），可以低频时加快流体与磁场的相对流速，与原有的MHD效应结合，实现全频带内的角速度测量，将其简写为C-MHD角速度传感器。所取得的具体研究成果如下：1）提出了适用于C-MHD角速度传感器的分区域计算方法，可以实现磁流体动力泵驱动仿真得到径向流速分布的基础上，再进行C-MHD角速度传感器感应电动势的计算，并在仿真与实验中得到验证，根据理论模型和实验结果分析了频域融合误差的原因。2）从磁路设计、流体驱动源设计以及流体密封的角度，对C-MHD角速度传感器的结构设计与优化展开了研究，提出了中心泵和边缘泵两种C-MHD角速度传感器的结构，并对其进行了分析、仿真与装配、实验。3）设计了MHD角速度传感器的噪声测量系统，分离并评估MHD角速度传感器的表头与信号放大部分的噪声特征，同时为了在频带方面拓展传感器的应用范围，研究了MHD与MEMS陀螺仪的融合算法，提出了结合频谱特征的卡尔曼滤波融合算法，实现两个传感器信号的低噪声宽频在线融合。本项目的研究成果用于解决现有MHD角速度传感器低频性能不佳的问题，为传感器应用于空间结构微角振动测量提供理论与技术支持。