CN109696181B - Mhd角振动传感器的等效检测电路及其频带特性的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MHD角振动传感器的等效检测电路及其频带特性的修正方法，所述等效检测电路包含：MHD角振动传感器的等效电路以及与MHD角振动传感器的等效电路并联的频带特性补偿电路；MHD角振动传感器的等效电路包括等效初级回路和等效次级回路；等效初级回路在预设的角速率激励下形成交变的感生电流，等效次级回路耦合所述等效初级回路中交变的感生电流的磁场而输出电压信号，频带特性补偿电路对所述电压信号的频率特性平直性进行修正。本发明实现了对MHD角振动传感器进行角振动速率的测量，提高频率响应平直性。

Description

MHD角振动传感器的等效检测电路及其频带特性的修正方法

技术领域

本发明涉及宽频微角振动速率传感器的检测技术领域，特别涉及一种MHD角振动传感器的等效检测电路及其频带特性的修正方法。

背景技术

导电液体作为惯性质量单元与固定在外壳中的磁场发生切割运动的时候，在垂直于磁场的方向会产生电动势，该电动势与切割运动的速度变化唯一相关，这就是磁流体动力学(MagneticHydraulicDynamics，MHD)效应。由于这种惯性器件可动部分为液体，因此无磨损、低漂移，因此已经成为微角振动监测的主要技术手段，在高精度卫星平台指向控制、高精度加工平台稳定性控制中作为传感获取反馈多有应用。

目前基本使用短接导电流体两级形成电流回路，并通过高精度的电流互感器将感应信号取出的办法。但是，这种微角振动信号是一种宽频带信号，可以看做为带通滤波器。电流互感器一般具有一定的频率响应特性，但是由于互感器的电气参数例如电感、磁芯的工作点、寄生电容等都是随频率变化的，因此很难得到一种理想的带通特性，即在输入相同强度而在一定频率范围内变化的激励信号，得到平直的输出。在没有平直输出的前提下，信号输出既是激励角振动信号强度的函数，又是激励信号频率的函数，因此无法进行角振动速率的测量,需要通过后续电路的补偿予以纠正。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MHD角振动传感器的等效检测电路及其频带特性的修正方法，实现对MHD角振动传感器进行角振动速率的测量，提高频率响应平直性的目的。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现，

一种MHD角振动传感器的等效检测电路，包含：MHD角振动传感器的等效电路以及与所述MHD角振动传感器的等效电路并联的频带特性补偿电路；所述MHD角振动传感器的等效电路包括等效初级回路和等效次级回路；所述等效初级回路在预设的角速率激励下形成交变的感生电流，所述等效次级回路耦合所述等效初级回路中交变的感生电流的磁场而输出电压信号，所述频带特性补偿电路对所述电压信号的频率特性平直性进行修正。

进一步的，所述等效初级回路由信号源V_z、感生电流回路铜损电阻R₁、感生电流回路电感L₁串联形成；所述等效次级回路由电流互感器线圈电感L₂，电流互感器线圈的铜损电阻R₂，电流互感器线圈的并联寄生电容C串联形成；通过互感L实现所述等效初级回路与等效次级回路的能量耦合。

进一步的，所述频带特性补偿电路通过补偿电阻R₃、补偿电容C₁串联后与所述等效次级回路的输出端并联后形成，其输出信号V_o由所述补偿电容C₁两端取出。

进一步的，MHD角振动传感器包括：导电液体、电流互感器线圈、导电柱和电极；所述导电柱的两端分别连接所述电极，所述电流互感器线圈套置在所述导电柱上，所述导电液体位于所述电流互感器线圈外侧。

另一方面，一种基于如上文所述的MHD角振动传感器的等效检测电路的频带特性的修正方法，包含以下过程：根据基尔霍夫定律，所述MHD角振动传感器的等效检测电路方程为：

R₁I₁+sL₁I₁-sLI₂＝V_z

式中，R₃为补偿电阻、C₁为补偿电容，s为复变量，I₃为自定义的等效初级回路和等效次级回路连接后的回路电流，I₄为自定义的等效初级回路和等效次级回路以及连接频带特性补偿电路后的回路电流，R₁为感生电流回路铜损电阻，R₂为电流互感器线圈的铜损电阻，I₁为自定义的等效初级回路在一定角速率激励下形成交变的感生电流，I₂为自定义的等效次级回路的耦合电流，L₁为感生电流回路电感，L₂为电流互感器线圈的电感，L为互感，C为电流互感器线圈的并联寄生电容；

进行补偿后的输出信号V_o与信号源V_z之间的传递函数为：

D₄＝R₃CC₁(L₁L₂-L²)

D₃＝R₁R₃CC₁L₂+L₁(R₂R₃CC₁+CL₂+C₁L₂)-L²(C+C₁)

D₂＝R₁(R₂R₃CC₁+CL₂+C₁L₂)+L₁(R₂C+R₃C₁+R₂C₁)

D₁＝R₁(R₂C+R₃C₁+R₂C₁)+L

D₀＝R₁

根据所述传递函数，通过任意匹配补偿电阻R₃和补偿电容C₁的值进行频带特性的修正。

本发明具有以下技术效果：

本发明的所述等效电流回路省略了寄生电容，重点考虑了铜损、并联寄生电容等重要参数，并通过频带特性补偿电路对频率平稳性在参数理论设计上予以修正，实现了对MHD角振动传感器进行角振动速率的测量，提高频率响应平直性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的MHD角振动传感器的等效检测电路的基本结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本实施例提供的MHD角振动传感器的等效检测电路，包含：MHD角振动传感器10的等效电路和频带特性补偿电路30，所述导电液体100、电流互感器线圈110、导电柱120和电极130形成MHD角振动传感器10，所述导电柱120的两端分别连接所述电极130，所述电流互感器线圈110套置在所述导电柱120上，所述导电液体100位于所述电流互感器线圈110外侧。所述MHD角振动传感器的等效电路包括等效初级回路10’和等效次级回路20；

所述等效初级回路10’通过信号源V_z、感生电流回路铜损电阻R₁、感生电流回路电感L₁串联形成。

所述等效次级回路20通过电流互感器线圈电感L₂，电流互感器线圈的铜损电阻R₂，电流互感器线圈的并联寄生电容C串联形成。

通过互感L实现所述等效初级回路10’与等效次级回路20的能量耦合。

所述频带特性补偿电路30通过补偿电阻R₃、补偿电容C₁串联后与所述等效次级回路20的输出端AB并联后形成，其输出信号V_o由所述补偿电容C₁两端CD取出。

所述MHD角振动传感器的等效电路中的电气参数由所述MHD角振动传感器10中所述导电液体100、电流互感器线圈110、导电柱120和电极130的物性参数唯一确定，而所述补偿电阻R₃、补偿电容C₁可以任意选择，为了获得平直的频率特性而进行匹配。

所述等效电路中的等效初级回路10’因为只有一匝绕线，因此忽略了回路中可能存在的并联寄生电容，以化简模型，而重点考虑所述感生电流回路铜损电阻和所述感生电流回路电感。

所述等效初级回路10’在一定角速率激励下形成交变的感生电流I₁，所述等效次级回路20耦合等效初级回路10’中交变的感生电流I₁的磁场而输出电压信号V，进而通过频带特性补偿电路30对频率特性的平稳性或平直性进行补偿或修正。

基于上述的MHD角振动传感器的等效检测电路，本发明还提供一种MHD角振动传感器的频带特性的修正方法，包含以下过程：

在没有引入频带特性补偿电路30之前，根据基尔霍夫定律，所述MHD角振动传感器的等效检测电路方程为：

式中，R₁为感生电流回路铜损电阻，L₁为感生电流回路电感，L为互感，L₂为电流互感器线圈的电感，R₂为电流互感器线圈的铜损电阻，C为电流互感器线圈的并联寄生电容，I₁为等效初级回路10’在一定角速率激励下形成交变的感生电流，I₂为等效次级回路20耦合电流，s为复变量，V_z为信号源。

消去I₁和I₂，可以得到等效次级回路20输出信号V与信号源V_z之间的传递函数：

在该传递函数中，分母中所有的系数在互感器线圈的绕制过程中就是固定的，而且有些系数例如并联寄生电容C、互感L等都受到绕线工艺、磁芯性能差异的影响，因此很难保证该系统在宽频2000Hz以内具有平稳的频率响应特性。为此，在互感器线圈的输出端进行电阻和电容补偿，进行频率特性调整，引入了所述频带特性补偿电路30后，

根据基尔霍夫定律，所述MHD角振动传感器的等效检测电路方程为：

式中，R₃为补偿电阻、C₁为补偿电容，I₃为自定义的等效初级回路10’和等效次级回路20连接后的回路电流，I₄为自定义的等效初级回路10’和等效次级回路20以及连接频带特性补偿电路30后的回路电流。

显然I₂＝I₃+I₄，带入消去I₂后得到：

把I₃和I₁表示成I₄，

并把V_z表示成I₄为：

由此得到：

则进行补偿后的传递函数为：

在该传递函数中，可以看到在D₁-D₄的四个系数中，可以使用任意匹配补偿电阻R₃和补偿电容C₁的方法来进行系数的修正，从而使得传递函数获得满意的频率响应的平直性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种MHD角振动传感器的等效检测电路，其特征在于，包含：

MHD角振动传感器的等效电路以及与所述MHD角振动传感器的等效电路并联的频带特性补偿电路；

所述MHD角振动传感器的等效电路包括等效初级回路和等效次级回路；

所述等效初级回路在预设的角速率激励下形成交变的感生电流，所述等效次级回路耦合所述等效初级回路中交变的感生电流的磁场而输出电压信号，所述频带特性补偿电路对所述电压信号的频率特性平直性进行修正。

2.如权利要求1所述的MHD角振动传感器的等效检测电路，其特征在于，所述等效初级回路由信号源V_z、感生电流回路铜损电阻R₁、感生电流回路电感L₁串联形成；

所述等效次级回路由电流互感器线圈电感L₂，电流互感器线圈的铜损电阻R₂，电流互感器线圈的并联寄生电容C串联形成；

通过互感L实现所述等效初级回路与等效次级回路的能量耦合。

3.如权利要求2所述的MHD角振动传感器的等效检测电路，其特征在于，所述频带特性补偿电路通过补偿电阻R₃、补偿电容C₁串联后与所述等效次级回路的输出端并联后形成，其输出信号V_o由所述补偿电容C₁两端取出。

4.如权利要求3所述的MHD角振动传感器的等效检测电路，其特征在于，MHD角振动传感器包括：导电液体、电流互感器线圈、导电柱和电极；所述导电柱的两端分别连接所述电极，所述电流互感器线圈套置在所述导电柱上，所述导电液体位于所述电流互感器线圈外侧。

5.一种基于如权利要求1～4任意一项所述的MHD角振动传感器的等效检测电路的频带特性的修正方法，其特征在于，包含以下过程：

根据基尔霍夫定律，所述MHD角振动传感器的等效检测电路方程为：

R₁I₁+sL₁I₁-sLI₂＝V_z

式中，R₃为补偿电阻、C₁为补偿电容，s为复变量，I₃为自定义的等效初级回路和等效次级回路连接后的回路电流，I₄为自定义的等效初级回路和等效次级回路以及连接频带特性补偿电路后的回路电流，R₁为感生电流回路铜损电阻，R₂为电流互感器线圈的铜损电阻，I₁为自定义的等效初级回路在一定角速率激励下形成交变的感生电流，I₂为自定义的等效次级回路的耦合电流，L₁为感生电流回路电感，L₂为电流互感器线圈的电感，L为互感，C为电流互感器线圈的并联寄生电容；

进行补偿后的输出信号V_o与信号源V_z之间的传递函数为：

D₄＝R₃CC₁(L₁L₂-L²)

D₃＝R₁R₃CC₁L₂+L₁(R₂R₃CC₁+CL₂+C₁L₂)-L²(C+C₁)

D₂＝R₁(R₂R₃CC₁+CL₂+C₁L₂)+L₁(R₂C+R₃C₁+R₂C₁)

D₁＝R₁(R₂C+R₃C₁+R₂C₁)+L

D₀＝R₁

根据所述传递函数，通过任意匹配补偿电阻R₃和补偿电容C₁的值进行频带特性的修正。

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