CN103591945A - 适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺 - Google Patents

Abstract

一种适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，包括有金属壳体和用于封盖金属壳体上端口的端盖，金属壳体内由下至上依次设置有下永磁体盖、外圆套筒和上永磁体盖，下永磁体盖内嵌入有下永磁体，外圆套筒内侧套有内圆套筒，外圆套筒的下端设置有下垫圈和导电垫圈，外圆套筒的上端口设置有上垫圈，上永磁体盖内嵌入有上永磁体，外圆套筒的外侧壁上对称的嵌入有两个永磁体，由各部件形成有相互连通的上环形通道、下环形通道、第一上升通道、第二上升通道和回流通道，外圆套筒的筒壁上分别插入有上端伸出端盖的第一输出电极、第二输出电极、第一正电极、第二正电极、第一负电极和第二负电极。本发明能够改善其低频特性，使得磁流体陀螺应用范围更加广泛。

Description

适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺

技术领域

本发明涉及一种磁流体陀螺。特别是涉及一种适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺。

背景技术

陀螺仪作为角速度的敏感元件，被广泛应用于航空、航天和航海领域，特别是在军事领域发挥着极其重要的作用。传统陀螺仪由于设计机理以及工作原理的限制，在高频带时特性不理想。而磁流体陀螺拥有优良的高频特性。但结构简单的磁流体陀螺存在低频特性不够理想的问题，而这一弊端限制了它的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种改善了磁流体陀螺低频特性的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，包括有金属壳体和用于封盖所述金属壳体上端口的端盖，所述的金属壳体内由下至上依次设置有由绝缘材料构成的下永磁体盖、由绝缘材料构成的外圆套筒和由绝缘材料构成的上永磁体盖，其中，所述的下永磁体盖内嵌入有下永磁体，外圆套筒内侧套有由导电导磁材料构成的内圆套筒，所述的外圆套筒的下端口形成有凹槽，所述的凹槽内嵌入有卡在所述的内圆套筒下端口外壁内的下垫圈，所述的凹槽内还嵌入有连接在下永磁体盖和所述的下垫圈之间的导电垫圈，所述的外圆套筒的上端口形成有凹槽，所述的凹槽内嵌入有与所述的上永磁体盖相连的上垫圈，所述的上永磁体盖内嵌入有上永磁体，所述的外圆套筒的外侧壁上对称的嵌入有两个永磁体，所述的上永磁体盖、下永磁体盖、导电垫圈、下垫圈、上垫圈、外圆套筒和内圆套筒之间形成有相互连通的上环形通道、下环形通道、第一上升通道、第二上升通道和回流通道，所述的外圆套筒的筒壁上分别插入有上端伸出所述端盖的第一输出电极、第二输出电极、第一正电极、第二正电极、第一负电极和第二负电极，所述的第一输出电极的底端贯穿所述的导电垫圈与所述的下永磁体盖接触，所述第二输出电极的底端连接径向由外圆套筒中部插入到内圆套筒筒壁中部内的内电极销，所述第二正电极的底端连接径向插入外圆套筒筒壁中部的第二正电极销，所述第一正电极的底端连接径向插入外圆套筒筒壁中部的第一正电极销，所述第一负电极的底端连接径向插入外圆套筒筒壁中部的第一负电极销，所述第二负电极的底端连接径向插入外圆套筒筒壁中部的第二负电极销。

所述的上环形通道形成在所述外圆套筒和内圆套筒的顶端，所述的下环形通道形成在所述外圆套筒和内圆套筒的底端，所述的第一上升通道和第二上升通道形状相同均为弧片形结构相对称的轴向形成在外圆套筒筒壁内且上端与所述的上环形通道连通，下端与所述的下环形通道连通，所述的回流通道形成在所述的内圆套筒的中心轴处，且上端与所述的上环形通道连通，下端与所述的下环形通道连通。

所述的第一上升通道的两个侧边分别对应连接第一正电极销和第一负电极销，所述的第二上升通道两个侧边分别对应连接第二正电极销和第二负电极销。

所述的下垫圈上在与所述的第一上升通道和第二上升通道相对应处形成有对应的弧形开口，在与所述的第一输出电极相对应处形成有能够贯通第一输出电极的通孔。

所述的上垫圈上形成有能够分别贯穿第一输出电极、第二输出电极、第一正电极、第二正电极、第一负电极和第二负电极的通孔。

所述的下永磁体盖形成有下部开口的凹槽，所述的下永磁体嵌入在所述的该凹槽内。

所述的上永磁体盖形成有上部开口的凹槽，所述的上永磁体嵌入在所述的该凹槽内。

所述的端盖通过螺钉固定在所述金属壳体上端口上。

本发明的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，没有固体移动部件，不存在机械磨损，因此具有高可靠性、高强度、长寿命的特点；采用的磁流体泵和回流管将上下层环形通道相连的结构，有效改善了结构简单的磁流体陀螺的低频特性，使得带宽进一步扩大，拓展了磁流体陀螺的应用范围。本发明不仅能够保持结构简单磁流体陀螺优良的高频特性，而且能够改善其低频特性，使得磁流体陀螺应用范围更加广泛。

附图说明

图1是本发明的磁流体陀螺主要部件的位置示意图；

图2是本发明的磁流体陀螺俯视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图2的B-B剖视图；

图5是本发明的磁流体陀螺中部径向断面的结构示意图；

图6是本发明中下垫圈的结构示意图；

图7a是本发明的幅频曲线图；

图7b是本发明的相频曲线图。

图中

1：上环形通道                     2：下环形通道

3：第一上升通道                   4：第二上升通道

5：回流通道                       6：上永磁体

7：下永磁体                       8、9：永磁体

10：第二正电极                    11：第一输出电极

12：第一正电极                    13：第一负电极

14：第二输出电极                  15：第二负电极

16：金属壳体                      17：端盖

18：通孔                          19：敏感轴

20：上永磁体盖                    21：下永磁体盖

22：导电垫圈                      23：下垫圈

24、、30、31、32：螺钉            25：上垫圈

26：第二正电极销    27：内圆套筒

28：外圆套筒        29：内电极销

33：第一正电极销    34：第一负电极销

35：第二负电极销    36、37：弧形开口

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺做出详细说明。

图1是本发明的磁流体陀螺主要部件的位置示意图，也是本发明的工作原理图。图中描述了磁流体传感器的上环形通道1和下环形通道2被两个相对于环形轨道轴线对称分布且互相平行的第一上升通道3和第二上升通道4以及一个与敏感轴19同轴的回流通道5连接起来。上永磁体6控制上环形通道1，提供垂直于上环形通道的磁场。下永磁体7控制下环形通道2，提供垂直于下环形通道的磁场。上永磁体6和下永磁体7的放置极性相反。永磁体8控制第一上升通道3，提供磁场使得磁流体在给定电压时通过第一上升通道3从下环形轨道上升到上环形轨道。永磁体9控制第二上升通道4，提供磁场使得磁流体在给定电压时通过第二上升通道4从下环形轨道上升到上环形轨道。磁流体通过回流通道5从上环形通道流入下环形通道。

如图2、图3、图4、图5所示，本发明的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，包括有金属壳体16和用于封盖所述金属壳体16上端口的端盖17，所述金属壳体16为导磁材料，其作用是隔离外界磁场，传导内部磁场。所述的端盖17通过螺钉24、30、31、32固定在所述金属壳体16上端口上。金属壳体16外形为圆柱体，其材料应选用具有高饱和磁通密度的软磁材料，可选择铁钴合金（尤其钒铁钴合金）或铁镍合金，这样可以避免壳体内部传感部分受到外界电磁干扰影响，同时又可以配合内部永磁体构成闭合磁路。端盖17和金属壳体16是同种材料。

所述的金属壳体16内由下至上依次设置有由绝缘材料构成的下永磁体盖21、由绝缘材料构成的外圆套筒28和由绝缘材料构成的上永磁体盖20，其中，所述的下永磁体盖21内嵌入有下永磁体7，外圆套筒28内侧套有由导电导磁材料构成的内圆套筒27，所述的上永磁体盖20内嵌入有上永磁体6，所述的下永磁体盖21形成有下部开口的凹槽，所述的下永磁体7嵌入在所述的该凹槽内。所述的上永磁体盖20形成有上部开口的凹槽，所述的上永磁体6嵌入在所述的该凹槽内。所述的外圆套筒28的外侧壁上对称的嵌入有两个永磁体8、9。所述的内内圆套筒为导电导磁材料，其作用是传导内部磁场，作为内电极的一部分。上永磁体6和下永磁体7与内圆套筒27同轴。上永磁体6、下永磁体7和两个永磁体8、9的材料选用可以提供强磁场的永磁铁，可选择钕铁硼。

所述的外圆套筒28的下端口形成有凹槽，所述的凹槽内嵌入有卡在所述的内圆套筒27下端口外壁内的下垫圈23，所述的凹槽内还嵌入有连接在下永磁体盖21和所述的下垫圈23之间的导电垫圈22，所述的导电垫圈22，作为下环形通道的外电极的一部分，如图6所示，所述下垫圈23上在与所述的第一上升通道3和第二上升通道4相对应处形成有对应的弧形开口36、37，在与所述的第一输出电极11相对应处形成有能够贯通第一输出电极11的通孔18。

所述的外圆套筒28的上端口形成有凹槽，所述的凹槽内嵌入有与所述的上永磁体盖20相连的上垫圈25，所述的上垫圈25上形成有能够分别贯穿第一输出电极11、第二输出电极14、第一正电极12、第二正电极15、第一负电极13和第二负电极10的通孔。

上垫圈25和下垫圈23为绝缘材料，其作用是防止各个电极间相互接触或干扰。

所述的上永磁体盖20、下永磁体盖21、外圆套筒28、导电垫圈22、下垫圈23、上垫圈25和内圆套筒27之间形成有相互连通的由上环形通道1、下环形通道2、第一上升通道3、第二上升通道4和回流通道5构成的磁流体通道。所述的上环形通道1形成在所述外圆套筒28和内圆套筒27的顶端，所述的下环形通道2形成在所述外圆套筒28和内圆套筒27的底端，所述的第一上升通道3和第二上升通道4形状相同均为弧片形结构相对称的轴向形成在外圆套筒28筒壁内且上端与所述的上环形通道1连通，下端与所述的下环形通道2连通，所述的回流通道5形成在所述的内圆套筒27的中心轴处，且上端与所述的上环形通道1连通，下端与所述的下环形通道2连通。

所述的外圆套筒28的筒壁上分别插入有上端伸出所述端盖17的第一输出电极11、第二输出电极14、第一正电极12、第二正电极15、第一负电极13和第二负电极10，所述的第一输出电极11的底端贯穿所述的导电垫圈22与所述的下永磁体盖21接触，所述第二输出电极14的底端连接径向由外圆套筒28中部插入到内圆套筒27筒壁中部内的内电极销29，所述第二正电极15的底端连接径向插入外圆套筒28筒壁中部的第二正电极销35，所述第一正电极12的底端连接径向插入外圆套筒28筒壁中部的第一正电极销33，所述第一负电极13的底端连接径向插入外圆套筒28筒壁中部的第一负电极销34，所述第二负电极10的底端连接径向插入外圆套筒28筒壁中部的第二负电极销26。所述的第一上升通道3的两个侧边分别对应连接第一正电极销33和第一负电极销34，所述的第二上升通道4两个侧边分别对应连接第二正电极销35和第二负电极销26。

第一负电极13和第二负电极10接负电源，第一正电极12和第二正电极15接正电源。第一正电极12和第一负电极13给第一上升通道3提供电压，第二正电极15和第二负电极10给第二上升通道4提供电压。第一输出电极11是测得环形通道外壁电压的外电极，第二输出电极14是测得环形通道内壁电压的内电极。

本发明的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺的工作原理是基于磁流体动力学效应(MHD)具体如下：

当磁流体陀螺围绕敏感轴19旋转时，上环形通道1和下环形通道2内的环形导电流体由于惯性作用趋于保持静止，所以上下层导电流体与转动的磁流体环形轨道有相对角位移，这样在上永磁体6和下永磁体7的磁场作用下，下环形通道中的导电流体中心与圆环壁之间会产生电势差。上环形通道1和下环形通道2这两层环形通道通过第一上升通道3、第二上升通道4和回流通道5连接，在第一上升通道3、第二上升通道4给定电压以及永磁体8和永磁体9的磁场作用下，导电流体在下环形通道2上升到上环形通道1中。而上环形通道1中的导电流体可以通过回流通道5流入下环形通道2。这样导电流体可以持续不断地循环流通。永磁体8、第一上升通道3和第一上升通道3的正负电极构成一个磁流体泵，而永磁体9、第二上升通道4和第二上升通道4的正负电极构成另一个磁流体泵。当导电流体通过第一上升通道3和第一上升通道3上升到上环形通道1时，它相对于旋转的环形通道径向流入上环形通道1，会产生科里奥利加速度分量，进而产生圆周方向的速度分量即线速度分量。同理，当导电流体通过回流管道5流入下环形通道2中时，由于磁流体泵的作用，导电流体也产生相对旋转的环形通道径向流动，故也会产生科里奥利加速度分量并产生圆周方向的速度分量即线速度分量。在低频转动时，科里奥利加速度分量会使产生圆周方向的速度即线速度从而可以通过下层环形通道的内外电极检测到电势差。而高频转动时，科里奥利加速度分量产生的圆周方向的速度分量相对于实际陀螺转动的圆周速度分量很小，即实际陀螺转动的圆周速度分量占主要地位。所以，本发明改善了结构简单的磁流体陀螺的低频特性。

在理想状态下，磁流体陀螺前级传感器传递函数为：

$\frac{E\left(s\right)}{\mathrm{\ω}\left(s\right)}=\frac{\mathrm{BWrs}+2\mathrm{BWu}}{s+\frac{\mathrm{\υ}(1+H^2)}{h^2}}$

其中：B为外磁场磁感应强度(T)；W为流体通道有效宽度，即W=r_o-r_i(m)；r为半径均方根，即

υ为磁流体运动粘度(m²/s)；h为流体通道高度(m)；H为Hartmann常数，ρ为磁流体密度(kg/m³)；η为磁流体电阻率(Ω·m)；u为流体从回流管流向磁流体泵的相对于旋转系的径向速度(m/s)。

传递函数中，

代表的是普通的磁流体陀螺的前级传感器传递函数，

代表的是科里奥利力产生的部分。

本发明的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺的幅频和相频特性如图7a和图7b所示。图中的点划线代表是普通磁流体陀螺的幅频和相频特性，虚线代表是科里奥利力作用部分的幅频和相频特性，实线代表是前两者合并后即本发明磁流体陀螺的幅频和相频特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，包括有金属壳体（16）和用于封盖所述金属壳体（16）上端口的端盖（17），其特征在于，所述的金属壳体（16）内由下至上依次设置有由绝缘材料构成的下永磁体盖（21）、由绝缘材料构成的外圆套筒（28）和由绝缘材料构成的上永磁体盖（20），其中，所述的下永磁体盖（21）内嵌入有下永磁体（7），外圆套筒（28）内侧套有由导电导磁材料构成的内圆套筒（27），所述的外圆套筒（28）的下端口形成有凹槽，所述的凹槽内嵌入有卡在所述的内圆套筒（27）下端口外壁内的下垫圈（23），所述的凹槽内还嵌入有连接在下永磁体盖（21）和所述的下垫圈（23）之间的导电垫圈（22），所述的外圆套筒（28）的上端口形成有凹槽，所述的凹槽内嵌入有与所述的上永磁体盖（20）相连的上垫圈（25），所述的上永磁体盖（20）内嵌入有上永磁体（6），所述的外圆套筒（28）的外侧壁上对称的嵌入有两个永磁体（8、9），所述的上永磁体盖（20）、下永磁体盖（21）、导电垫圈（22）、下垫圈（23）、上垫圈（25）、外圆套筒（28）和内圆套筒（27）之间形成有相互连通的上环形通道（1）、下环形通道（2）、第一上升通道（3）、第二上升通道（4）和回流通道（5），所述的外圆套筒（28）的筒壁上分别插入有上端伸出所述端盖（17）的第一输出电极（11）、第二输出电极（14）、第一正电极（12）、第二正电极（15）、第一负电极（13）和第二负电极（10），所述的第一输出电极（11）的底端贯穿所述的导电垫圈（22）与所述的下永磁体盖（21）接触，所述第二输出电极（14）的底端连接径向由外圆套筒（28）中部插入到内圆套筒（27）筒壁中部内的内电极销（29），所述第二正电极（15）的底端连接径向插入外圆套筒（28）筒壁中部的第二正电极销（35），所述第一正电极（12）的底端连接径向插入外圆套筒（28）筒壁中部的第一正电极销（33），所述第一负电极（13）的底端连接径向插入外圆套筒（28）筒壁中部的第一负电极销（34），所述第二负电极（10）的底端连接径向插入外圆套筒（28）筒壁中部的第二负电极销（26）。

2.根据权利要求1所述的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，其特征在于，所述的上环形通道（1）形成在所述外圆套筒（28）和内圆套筒（27）的顶端，所述的下环形通道（2）形成在所述外圆套筒（28）和内圆套筒（27）的底端，所述的第一上升通道（3）和第二上升通道（4）形状相同均为弧片形结构相对称的轴向形成在外圆套筒（28）筒壁内且上端与所述的上环形通道（1）连通，下端与所述的下环形通道（2）连通，所述的回流通道（5）形成在所述的内圆套筒（27）的中心轴处，且上端与所述的上环形通道（1）连通，下端与所述的下环形通道（2）连通。

3.根据权利要求2所述的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，其特征在于，所述的第一上升通道（3）的两个侧边分别对应连接第一正电极销（33）和第一负电极销（34），所述的第二上升通道（4）两个侧边分别对应连接第二正电极销（35）和第二负电极销（26）。

4.根据权利要求1所述的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，其特征在于，所述的下垫圈（23）上在与所述的第一上升通道（3）和第二上升通道（4）相对应处形成有对应的弧形开口（36、37），在与所述的第一输出电极（11）相对应处形成有能够贯通第一输出电极（11）的通孔（18）。

5.根据权利要求1所述的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，其特征在于，所述的上垫圈（25）上形成有能够分别贯穿第一输出电极（11）、第二输出电极（14）、第一正电极（12）、第二正电极（15）、第一负电极（13）和第二负电极（10）的通孔。

6.根据权利要求1所述的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，其特征在于，所述的下永磁体盖（21）形成有下部开口的凹槽，所述的下永磁体（7）嵌入在所述的该凹槽内。

7.根据权利要求1所述的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，其特征在于，所述的上永磁体盖（20）形成有上部开口的凹槽，所述的上永磁体（6）嵌入在所述的该凹槽内。

8.根据权利要求1所述的适用于0-1KHz输入信号测量的磁流体陀螺，其特征在于，所述的端盖（17）通过螺钉（24、30、31、32）固定在所述金属壳体（16）上端口上。

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