基于磁流体动力学的角速度传感器低频拓展设计

来源 :天津工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cicf1986
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基于磁流体动力学效应(Magnetohydroynamics,MHD)的角速度传感器具有低噪声、宽频带、抗冲击等特性,适合于宽频带、低幅值空间结构微角振动的测量。由于MHD传感器低频(<1Hz)带宽内微角振动测量性能不佳,需同其他低频陀螺仪组合进行信号融合的方法测量低频带宽信号,极大限制着传感器的应用。为了实现低频(<1Hz)微角振动的准确测量,本文研究改进MHD角速度传感器的机械结构,在流体通道边缘增加多个磁流体泵的方法,实现传感流体环内稳定径向流速的形成,增强低频下径向流速诱导的科里奥利效应(Coriolis effect),实现MHD角速度传感器全带宽信号测量。本文的主要工作如下:(1)分析了MHD角速度传感器的工作原理及特性,与简单流体环MHD传感器的简化模型。本文中,科里奥利力效应(Coriolis force effect)的MHD传感器称为C-MHD(Coriolis-MHD)角速度传感器。传感环引入的径向流速引发了科里奥利加速度,增强导电流体的圆周流速切割磁感线,提高了传感器低频信号检测能力。对简化模型进行推导,证明了引入径向流速拓展低频带宽的可行性。(2)为提高MHD传感器流体环中稳定的径向流速,新设计了C-MHD角速度传感器,其流体通道边缘处构建了对称分布的三个磁流体动力泵,用于增强流体环中的径向流速。采用COMSOL对C-MHD传感器模型的磁路结构、磁场分布、直流磁流体泵的流场进行仿真分析,优化传感器的结构,磁流体泵处采用弧形永磁体,与圆形永磁体相比,弧形磁体泵通道磁感应区域面积增加了38.36%。(3)为验证提高径向流速分布拓展C-MHD传感器低频带宽的效果,分析了引入径向流速后在低频和高频段中传感器流体环的流体运动。采用FLUENT的MHD模块对模型电磁场与流场耦合仿真,并进行了频域仿真实验,在仿真结果中传感器的幅频特性曲线可以验证径向流速拓展传感器低频带宽的有效性。(4)根据仿真得到的传感器结构参数与尺寸,设计了相应传感器的机械结构,进行了零件、磁极装配与灌装导电流体完成了C-MHD传感器的样机,并在角速度平台上进行频域响应与时域测试实验。实验结果证明,传感器可以输出检测到的角速度信号,但频率(<1Hz)时需要的补偿电流高于仿真值,测试得到传感器样机的幅频特性曲线与数值仿真结果间存在误差影响。
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