CN115840056A

CN115840056A - 一种磁流体动力学角速度传感器

Info

Publication number: CN115840056A
Application number: CN202211314787.XA
Authority: CN
Inventors: 赵伟; 苗育君; 毛俊程; 于海军; 王鹢; 雷军刚; 周颖; 李云鹏
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2022-10-25
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2023-03-24

Abstract

本申请涉及非电量计量测试技术领域，具体而言，涉及一种磁流体动力学角速度传感器，包括盖板、机壳和底座，其中：机壳为圆柱形壳体，内部包括第一腔体和第二腔体，盖板覆盖在第一腔体的上端，底座固定在第二腔体的下端；第一腔体内部设置有内置电路板和连接器，内置电路板通过连接器与外界连接，用于向外界输出信号；第二腔体内部设置有磁芯组件，磁芯组件与内置电路板连接，用于产生电流信号，并传输至内置电路板中。本申请结构简单、装配方便，具有测量精度高、频带宽、无机械饱和、可靠性高的特点，是解决航天器高宽带微角振动测量难题的关键部件。

Description

一种磁流体动力学角速度传感器

技术领域

本申请涉及非电量计量测试技术领域，具体而言，涉及一种磁流体动力学角速度传感器。

背景技术

磁流体动力学角速度传感器可用于直接测量航天器高频宽带微角振动，也可作为飞行器惯性测量单元和高精度快速寻北仪核心部件，可应用于对地观测遥感、激光通信、定向能武器以及导弹领域，为姿态稳定控制提供准确的姿态角变化数据，测量结果可以用于提高遥感卫星图像质量、提高激光通信卫星指向与定向能武器精度。

国内航天器传统的陀螺仪可以测量10Hz以下角速率，近年来用光纤陀螺和激光陀螺测量航天器微角振动，其带宽通常低于500Hz，尚没有测量高频微角振动传感器，磁流体动力学角速度传感器是实现高宽带(达到1000Hz)角振动测量的核心敏感部件，现有技术中未有成功搭载于卫星平台的磁流体动力学角速度传感器，也未有工程应用的磁流体动力学角速度传感器。

发明内容

本申请提供了一种磁流体动力学角速度传感器，结构简单、装配方便，具有测量精度高、频带宽、无机械饱和、可靠性高的特点，是解决航天器高宽带微角振动测量难题的关键部件。

为了实现上述目的，本申请提供了一种磁流体动力学角速度传感器，包括盖板、机壳和底座，其中：机壳为圆柱形壳体，内部包括第一腔体和第二腔体，盖板覆盖在第一腔体的上端，底座固定在第二腔体的下端；第一腔体内部设置有内置电路板和连接器，内置电路板通过连接器与外界连接，用于向外界输出信号；第二腔体内部设置有磁芯组件，磁芯组件与内置电路板连接，用于产生电流信号，并传输至内置电路板中。

进一步的，磁芯组件包括绝缘筒、导磁筒、电流互感器、电极柱、上电磁装置以及下电磁装置，其中：绝缘筒位于第二腔体的内部，通过螺钉与机壳和底座连接；电极柱设置在绝缘筒的中心，上端与上电磁装置连接，下端与下电磁装置连接；电流互感器环绕电极柱设置，通过信号线与内置电路板连接；导磁筒设置在绝缘筒的内部，环绕电流互感器设置，上端与上电磁装置粘接，下端与下电磁装置粘接。

进一步的，上电磁装置包括上电极板、上导磁体、上磁套以及上永磁体，其中：上电极板的中心通过螺钉与电极柱的上端面连接；上导磁体通过环氧树脂胶与上电极板粘接；上永磁体通过环氧树脂胶与上导磁体粘接；上磁套环绕上永磁体设置。

进一步的，下电磁装置包括下电极板、下导磁体、下磁套以及下永磁体，其中：下电极板的中心通过螺钉与电极柱的下端面连接；下导磁体通过环氧树脂胶与下电极板粘接；下永磁体通过环氧树脂胶与下导磁体粘接；下磁套环绕下永磁体设置。

进一步的，上电极板、下电极板、导磁筒以及绝缘筒通过环氧树脂胶粘接在一起，形成环柱形空腔。

进一步的，环柱形空腔的高度≥25mm，厚度≥3mm。

进一步的，环柱形空腔的内部灌注有导电流体，导电流体分别与上电极板和下电极板接触，导电流体的材料为汞。

进一步的，机壳的材料为软磁合金，与上永磁体、下永磁铁、导磁筒以及绝缘筒形成环形径向稳恒磁场。

进一步的，电流互感器线圈的范围为1000～10000匝。

进一步的，内置电路板包括共模抑制电路、信号放大电路和低通滤波电路，用于输出信号的调理，使得输出信号的噪声＜300uV。

本发明提供的一种磁流体动力学角速度传感器，具有以下有益效果：

本申请能够实现微角振动检测功能，并具有频带宽、精度高、可靠性高的特点，结构简单，无机械饱和，输出的信号噪声小，线性度好，测量精度高，可以用于直接测量航天器高频宽带微角振动，也可以作为飞行器惯性测量单元和高精度快速寻北仪的核心部件。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的磁流体动力学角速度传感器的结构示意图；

图2是根据本申请实施例提供的磁流体动力学角速度传感器进行带宽测试的结果图；

图3是根据本申请实施例提供的磁流体动力学角速度传感器进行噪声测试的结果图；

图4是根据本申请实施例提供的磁流体动力学角速度传感器进行线性度测试的结果图；

图中：1-盖板、2-机壳、21-第一腔体、22-第二腔体、3-底座、4-内置电路板、5-连接器、61-绝缘筒、62-导磁筒、63-电流互感器、64-电极柱、71-上电极板、72-上导磁体、73-上磁套、74-上永磁体、81-下电极板、82-下导磁体、83-下磁套、84-下永磁体、9-导电流体。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请提供了一种磁流体动力学角速度传感器，包括盖板1、机壳2和底座3，其中：机壳2为圆柱形壳体，内部包括第一腔体21和第二腔体22，盖板1覆盖在第一腔体21的上端，底座3固定在第二腔体22的下端；第一腔体21内部设置有内置电路板4和连接器5，内置电路板4通过连接器5与外界连接，用于向外界输出信号；第二腔体22内部设置有磁芯组件，磁芯组件与内置电路板4连接，用于产生电流信号，并传输至内置电路板4中。

具体的，本申请实施例提供的磁流体动力学角速度传感器主要解决了现有航天器高宽带微角振动测量的工程问题，可以直接测量航天器高频宽带微角振动，也可以作为飞行器惯性测量单元和高精度快速寻北仪的核心部件，还可以应用于对地观测遥感、激光通信、定向能武器、导弹和地震监测等领域，为姿态稳定控制提供准确的姿态角变化数据，测量数据可以用于提高遥感卫星图像质量、提高激光通信卫星与定向能武器指向精度。在本申请实施中，第二腔体22内的机壳2与磁芯组件之间构成环形径向稳恒磁场，测量时，磁芯组件内部的导电流体9在稳恒磁场中进行惯性运动(即角振动)感生电动势，并将感生电动势通过内部的电极板和电极柱64形成初级回路，产生电流信号，电流信号经过电流互感器63放大后输出至第一腔体21内的内置电路板4上，内置电路板4对电流信号进行检测调理，然后通过连接器5输出至外界。

进一步的，磁芯组件包括绝缘筒61、导磁筒62、电流互感器63、电极柱64、上电磁装置以及下电磁装置，其中：绝缘筒61位于第二腔体22的内部，通过螺钉与机壳2和底座3连接；电极柱64设置在绝缘筒61的中心，上端与上电磁装置连接，下端与下电磁装置连接；电流互感器63环绕电极柱64设置，通过信号线与内置电路板4连接；导磁筒62设置在绝缘筒61的内部，环绕电流互感器63设置，上端与上电磁装置粘接，下端与下电磁装置粘接；磁芯组件为整体传感器的核心结构，设置在第二腔体22的内部，整体通过螺钉与机壳2和底座3进行连接装配，从外到内依次为绝缘筒61、导磁筒62、电流互感器63以及电极柱64，电极柱64设置在电流互感器63的正中间，上端面通过螺钉与上电磁装置连接，下端面通过螺钉与下电磁装置连接，保证导通良好；绝缘筒61作为封装导电流体9的容腔外壳，主要为了避免导电流体9感生的电信号泄露至机壳2；导磁筒62优选采用高饱和磁导率的软磁合金，表面需要进行绝缘化处理，即在其表面涂覆环氧树脂绝缘涂层，涂层的厚度≤30um，绝缘阻抗≥20MΩ。

进一步的，上电磁装置包括上电极板71、上导磁体72、上磁套73以及上永磁体74，其中：上电极板71的中心通过螺钉与电极柱64的上端面连接；上导磁体72通过环氧树脂胶与上电极板71粘接；上永磁体74通过环氧树脂胶与上导磁体72粘接；上磁套73环绕上永磁体74设置。上电磁装置从上到下包括依次粘接的上永磁体74、上导磁体72以及上电极板71，其中，上磁套73环绕上永磁体74设置，上电极板71的中心与电极柱64的上端面连接，用于形成初级感生回路，上电极板71与电极柱64连接体的阻值≤1mΩ。

进一步的，下电磁装置包括下电极板81、下导磁体82、下磁套83以及下永磁体84，其中：下电极板81的中心通过螺钉与电极柱64的下端面连接；下导磁体82通过环氧树脂胶与下电极板81粘接；下永磁体84通过环氧树脂胶与下导磁体82粘接；下磁套83环绕下永磁体84设置。下电磁装置从下到上包括依次粘接的下永磁体84、下导磁体82以及下电极板81，其中，下磁套83环绕下永磁体84设置，下电极板81的中心与电极柱64的下端面连接，用于形成初级感生回路，下电极板81与电极柱64连接体的阻值≤1mΩ。

进一步的，上电极板71、下电极板81、导磁筒62以及绝缘筒61通过环氧树脂胶粘接在一起，形成环柱形空腔。粘接的部位需要确保没有漏孔，即粘接部位的漏率≤1.0×10^- ⁴Pa·L/s，环柱形空腔主要用于封装导电流体9。

进一步的，环柱形空腔的高度≥25mm，厚度≥3mm。环柱形空腔的高度及厚度根据实际设计情况进行选择。

进一步的，环柱形空腔的内部灌注有导电流体9，导电流体9分别与上电极板71和下电极板81接触，导电流体9的材料为汞。导电流体9主要用于敏感角振动的惯性质量单元，材料优选为汞，导电流体9腔体的磁场强度≥0.1T，导电流体9与上电极板71、下电极板81、电极柱64之间形成初级感生回路。当进行角速度测量时，有角振动发生，导电流体9在磁场的作用下会感生电动势(纳伏级)，然后感生电动势在初级感生回路的作用下会产生电流信号。

进一步的，机壳2的材料为软磁合金，与上永磁体74、下永磁铁、导磁筒62以及绝缘筒61形成环形径向稳恒磁场。上永磁体74和下永磁铁优选采用温度系数较小的钐钴类磁铁，上永磁体74、下永磁铁、导磁筒62以及绝缘筒61形成的环形径向稳恒磁场主要用于在进行角振动时，使得导电流体9产生感生电动势。

进一步的，电流互感器63线圈的范围为1000～10000匝。电流互感器63主要用于对初级感生回路产生的电流信号进行放大，放大的倍数与电流互感器63线圈的匝数成正比，具体匝数根据实际测量情况进行设计，电流互感器63的输出信号为毫伏级。

进一步的，如图2-图4所示，内置电路板4包括共模抑制电路、信号放大电路和低通滤波电路，用于输出信号的调理，使得输出信号的噪声＜300uV。内直电路板设置在第一腔体21内部，主要用于对电流互感器63放大后的信号进行调理测试，并通过连接器5向外界输出。内置电路板4主要用于对放大后的信号进行共模噪声抑制、二次放大和低通滤波，放大倍数可根据实际需要设定，优选设置为1000倍，低通滤波器截止频率为1000Hz，内置电路板4的供电采用±12V直流供电，输出信号幅值范围为-10V～+10V电压模拟信号，与角振动大小成正比，幅值经标定后得到灵敏度因子及线性度。在本申请实施例中，通过内置电路板4的调理，使得输出信号的噪声＜300uV，即角速率等效噪声≤5.0×10^-6rad/s，等效角位移噪声≤5.0×10^-8rad，-3dB带宽为2Hz～1000Hz，非线性误差优于0.25％。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，包括盖板、机壳和底座，其中：

所述机壳为圆柱形壳体，内部包括第一腔体和第二腔体，所述盖板覆盖在所述第一腔体的上端，所述底座固定在所述第二腔体的下端；

所述第一腔体内部设置有内置电路板和连接器，所述内置电路板通过所述连接器与外界连接，用于向外界输出信号；

所述第二腔体内部设置有磁芯组件，所述磁芯组件与所述内置电路板连接，用于产生电流信号，并传输至所述内置电路板中。

2.根据权利要求1所述的磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，所述磁芯组件包括绝缘筒、导磁筒、电流互感器、电极柱、上电磁装置以及下电磁装置，其中：

所述绝缘筒位于所述第二腔体的内部，通过螺钉与所述机壳和所述底座连接；

所述电极柱设置在所述绝缘筒的中心，上端与所述上电磁装置连接，下端与所述下电磁装置连接；

所述电流互感器环绕所述电极柱设置，通过信号线与所述内置电路板连接；

所述导磁筒设置在所述绝缘筒的内部，环绕所述电流互感器设置，上端与上电磁装置粘接，下端与下电磁装置粘接。

3.根据权利要求2所述的磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，所述上电磁装置包括上电极板、上导磁体、上磁套以及上永磁体，其中：

所述上电极板的中心通过螺钉与所述电极柱的上端面连接；

所述上导磁体通过环氧树脂胶与所述上电极板粘接；

所述上永磁体通过环氧树脂胶与所述上导磁体粘接；

所述上磁套环绕所述上永磁体设置。

4.根据权利要求3所述的磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，所述下电磁装置包括下电极板、下导磁体、下磁套以及下永磁体，其中：

所述下电极板的中心通过螺钉与所述电极柱的下端面连接；

所述下导磁体通过环氧树脂胶与所述下电极板粘接；

所述下永磁体通过环氧树脂胶与所述下导磁体粘接；

所述下磁套环绕所述下永磁体设置。

5.根据权利要求4所述的磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，所述上电极板、所述下电极板、所述导磁筒以及所述绝缘筒通过环氧树脂胶粘接在一起，形成环柱形空腔。

6.根据权利要求5所述的磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，所述环柱形空腔的高度≥25mm，厚度≥3mm。

7.根据权利要求6所述的磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，所述环柱形空腔的内部灌注有导电流体，所述导电流体分别与所述上电极板和所述下电极板接触，所述导电流体的材料为汞。

8.根据权利要求4所述的磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，所述机壳的材料为软磁合金，与所述上永磁体、所述下永磁铁、所述导磁筒以及所述绝缘筒形成环形径向稳恒磁场。

9.根据权利要求2所述的磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，所述电流互感器线圈的范围为1000～10000匝。

10.根据权利要求2所述的磁流体动力学角速度传感器，其特征在于，所述内置电路板包括共模抑制电路、信号放大电路和低通滤波电路，用于输出信号的调理，使得输出信号的噪声＜300uV。