基于磁流体动力学的宽频带加速度传感器关键问题研究

At present, the overall design level of spacecraft in China is restricted by the analysis and design of mechanical environment conditions of the spacecraft. In order to meet the need of the measurement with wide-band and high precision of mechanical environment of the spacecraft, the acceleration sensor for measuring vibration must have the advantages of wider bandwidth and lower noise. In view of the defects and deficiencies of the related accelerometers at home and abroad, a kind of Magnetohydrodynamic accelerometer with the characteristics of wide band, low noise, and impact resistance is studied in this project. The suitable mathematical model is established with the multi physical field coupling mechanism of electric field, magnetic field, flow field and structure field and the combination of theory and experiment is revealed. Based on the development of the prototype, the closed loop control method of the sensor is proposed. The causes of the system noise and the according noise suppression methods are analyzed. The weak signal detection system of the single channel blind signal separation combined with Empirical Mode Decomposition and Wavelet Decomposition is built, and the performance parameters of the sensor are optimized through the whole system dynamic error modeling and the error correction method. Finally, the calibration and test methods are given. There are important theoretical significance and application value in the analysis of mechanical environment of the spacecraft and the development of the spacecraft. At the same time, this project enriches and develops the relevant theoretical basis and technical approaches of the new accelerometer.

航天器力学环境条件的分析与设计是目前制约我国航天器总体设计水平提高的瓶颈技术。为了满足航天器宽频带高精度力学环境测量的需要，测量振动的加速度传感器必须具有更宽的带宽和更低的噪声等特点。针对国内外相关加速度传感器的缺陷和不足，本项目研究一种兼具宽频带低噪声抗冲击特性的磁流体动力学加速度传感器，通过探索电场-磁场-流场-结构场的多物理场耦合机制，并采用理论与实验相结合的方法，建立适合的数学模型；在样机研制的基础上，研究传感器的闭环控制方法；分析系统噪声产生原因并提出相应抑制方法；提出结合经验模态分解和小波分解的单通道盲信号分离微弱信号检测系统，再通过全系统动态误差建模和误差修正方法，进一步优化传感器性能参数；最终给出标定与测试方法。该项目对于航天器力学环境条件的分析及航天器的研制具有重要的理论意义和应用价值，同时丰富和发展了新型加速度传感器的相关理论依据和技术途径。

在轨航天器及有效载荷的振动力学环境极其复杂，限制高精度航天器姿态控制精度和稳定性进一步提高的一个主要因素就是空间结构的振动问题。由于其加速度力学环境幅值和频域范围具有的随机性特征，用于测量力学环境的传感器必须具有更加优良的动态性能。本项目提出了一种磁流体动力学加速度传感器，具有低噪声、宽频带和抗冲击等特性。项目以多物理场耦合的磁流体动力学作为切入点，开展磁流体动力学加速度传感器敏感机理的研究，建立了易于求解的数学模型，并在此基础上探讨了非均匀磁场的产生和电-磁-流三个物理场的耦合关系，建立基于有限元和有限体积的导电流体运动建模方法，修正简化模型产生的误差；分别通过有限元模型和有限体积模型验证不同流体环结构、磁场强度、导电流体材料等对传感器性能参数的影响，同时为后续结构设计提供理论支持；制定了一种跑道型流体环加速度传感器的加工装配工艺流程，并完成了该传感器的研制工作；分析了传感器的噪声来源，并建立了系统误差模型，得出敏感轴和输入轴之间安装偏角误差是主要影响因素的结论；搭建实验平台，并进行了测试；为改善磁流体动力学加速度传感器的性能，提出应用奇异谱分析与快速独立分量分析相结合的单通道盲信号分离方法，最终实现微弱信号的提取，提高了信噪比，同时为噪声产生原因的分析提供帮助。以上研究为新型加速度传感器和磁流体动力学相关传感器提供了相关理论依据和技术途径。