MHD角速度傳感器磁場設(shè)計(jì)研究

霍紅慶，周海佳，馬勉軍，邱家穩(wěn)

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州730000;2.中國空間技術(shù)研究院，北京100086)

1 引言

隨著空間對(duì)地觀測、激光通訊、空間攻防等技術(shù)發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星和載荷的定位、跟蹤和指向要求不斷提高，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)穩(wěn)定性控制也不斷提高。衛(wèi)星微角顫振高精度測量與控制是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)與遙感系統(tǒng)等有效載荷高精度姿態(tài)指向的基礎(chǔ)。為了獲得高分辨率圖像，對(duì)地觀測衛(wèi)星平臺(tái)指向精度一般要求小于10 μrad;而光學(xué)與微波等遙感系統(tǒng)的指向精度一般要求小于 1 μrad，甚至要求達(dá)到 0.05 μrad［1，2］。

一般對(duì)于頻率低于1 Hz的指向和角振動(dòng)測控，航天器主要采用陀螺儀或光學(xué)系統(tǒng)作為參照來實(shí)現(xiàn)測控;而對(duì)于頻率高于1 Hz的指向和微角振動(dòng)測控與分析，目前的航天器則主要依賴于角度傳感器(角位移、角速度和角加速度)，其測控精度通常要求小于1 μrad［3］。

MHD角速度傳感器是目前衛(wèi)星平臺(tái)用以測量微角顫振比較成熟的傳感器，已經(jīng)在國外多項(xiàng)任務(wù)中得到應(yīng)用。磁場設(shè)計(jì)和分析是MHD角速度傳感器研究的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。作者主要研究和設(shè)計(jì)了適用于高精度MHD角速度傳感器的一種徑向磁場。

2 MHD角速度傳感器介紹

2.1 MHD角速度傳感器的原理

MHD－ARS慣性角速度傳感器工作原理基于磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)［5］(Magneto－Hydro－Dynamics，簡稱MHD)。根據(jù)其磁場方式不同，可分為徑向磁場方式和軸向磁場方式。

圖1 MHD角速度傳感器工作原理示意

以徑向磁場方式為例，如圖1中所示，環(huán)形導(dǎo)電流體作為慣性體，其運(yùn)動(dòng)方式為繞敏感軸方向旋轉(zhuǎn);磁感應(yīng)強(qiáng)度方向?yàn)檠卮怪泵舾休S的半徑方向。當(dāng)有相對(duì)于傳感器敏感軸的角速度產(chǎn)生時(shí)，由于導(dǎo)電流體的相對(duì)慣性大(可認(rèn)為其相對(duì)靜止)，流體與磁體及固定框架部分之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

由法拉第感生電勢定律，導(dǎo)電液體垂直徑向磁場B以U運(yùn)動(dòng)，則其兩端產(chǎn)生電壓E為

式中 Uφ為慣性導(dǎo)電液體與外殼的相對(duì)速度;Br為慣性導(dǎo)電液體處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

又

式中 ω(t)為相對(duì)角速率;rrms為慣性液體的均方根半徑。則總電壓為上下兩極板間產(chǎn)生的總電壓和

這樣，考慮導(dǎo)電液體為均勻液體，其沿Z軸向速度一致，且對(duì)稱，則可表示為角速度的函數(shù)

式中 lz為上下電極間距離。

可見，此電勢差Vz(t)與輸入角速度成比例，經(jīng)過后續(xù)電路放大處理可以被檢測采集。

軸向磁場方式，如圖2中所示，同樣環(huán)形導(dǎo)電流體作為慣性體，其運(yùn)動(dòng)方式為繞敏感軸方向旋轉(zhuǎn);但磁感應(yīng)強(qiáng)度方向?yàn)檠孛舾休S方向。

圖2 軸向磁場MHD角速度傳感器原理示意

當(dāng)導(dǎo)電流體沿旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，在流體內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生感生電勢，電勢值與旋轉(zhuǎn)角速度成正比

式中 B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;h為導(dǎo)電流體環(huán)沿徑向的間隙寬;Rrms為慣性液體的均方根半徑。

同樣，電勢差與輸入角速度成比例，可以被檢測。

2.2 2種磁場方式MHD傳感器介紹

美國ATA公司(Applied Technology Associates，U.S.A，簡稱ATA)應(yīng)用2種原理，研制成功不同系列的角速度傳感器，2種磁場方式典型傳感器的性能指標(biāo)見表1所列［6，7］。

對(duì)比2種方式傳感器原理:軸向磁場方式，從式(4)可以看出，要增加信號(hào)強(qiáng)度，需要增大傳感器直徑，使體積增加因子增大，因而測量精度相對(duì)較差，不易提高;徑向磁場方式，從式(5)可以看出，要增加信號(hào)強(qiáng)度，既可以增大傳感器直徑，也可以增加傳感器高度，因而可以得到更高的測量精度。對(duì)比2種方式的傳感器性能指標(biāo)也顯示在相近的體積條件下徑向磁場傳感器的測量精度更高。

由MHD角速度傳感器的原理，磁場對(duì)2種方式的傳感器都是主要影響因素，軸向磁場方式，磁場可以由永磁體直接產(chǎn)生，相對(duì)結(jié)構(gòu)簡單;而徑向磁場方式，由于柱形永磁體(或環(huán)形永磁體)在徑向產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度非常弱，所以不能直接由永磁體產(chǎn)生，磁場設(shè)計(jì)也成為其關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，隨著我國衛(wèi)星平臺(tái)穩(wěn)定性技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)需要研究高精度分辨率水平(優(yōu)于100 μrad/s)的測量傳感器，所以，徑向磁場方式的傳感器更成為迫切的研究對(duì)象。

3 高精度MHD角速度傳感器的徑向磁場設(shè)計(jì)分析

本文徑向磁場設(shè)計(jì)假設(shè)MHD傳感器需要導(dǎo)電流體間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T。

根據(jù)徑向磁場方式MHD角速度傳感器原理，徑向磁場可以由永磁體產(chǎn)生磁場，進(jìn)行導(dǎo)磁獲得。設(shè)計(jì)磁路包括外導(dǎo)磁筒、外導(dǎo)磁體、永磁體、內(nèi)導(dǎo)磁體、內(nèi)導(dǎo)磁筒組成。磁場設(shè)計(jì)為上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩反向極性磁場制造了充分零偶極矩的傳感器。因此，傳感器不對(duì)外產(chǎn)生任何外磁場，不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生磁影響［8］。設(shè)計(jì)磁路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

磁路結(jié)構(gòu)中，上下兩部分存在微小氣隙差別:在下導(dǎo)磁路部分，下導(dǎo)磁體與外導(dǎo)磁筒為一體設(shè)計(jì);在上導(dǎo)磁路部分，上導(dǎo)磁體與外導(dǎo)磁筒為分體設(shè)計(jì)，在二者之間存在非常小的氣隙，氣隙小于10 μm，可以忽略其影響。所以理論分析此設(shè)計(jì)磁路結(jié)構(gòu)為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以看成2個(gè)完全獨(dú)立的磁路。分析以下半部分磁路作為研究對(duì)象，忽略兩者之間的相互影響。其磁路如圖4所示(圖中細(xì)箭頭線表示漏磁線路)。

根據(jù)圖4所示的磁通關(guān)系構(gòu)建磁路圖，得到等效磁路圖［9］，如圖5所示。

根據(jù)等效磁路分析結(jié)果，永磁體設(shè)計(jì)選擇釹鐵硼(NdFeB)。永磁體磁性參數(shù)為Br＞1.44 T，BHc＞8.36×105A/m。

圖3 設(shè)計(jì)的磁場結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 設(shè)計(jì)磁場磁路示意圖

圖5 等效磁路圖

對(duì)設(shè)計(jì)磁場結(jié)構(gòu)利用ANSYS模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)磁場ANSYS分析模擬

為驗(yàn)證分析設(shè)計(jì)結(jié)果，作者在傳感器結(jié)構(gòu)加工組裝后，利用數(shù)字特斯拉計(jì)對(duì)磁場進(jìn)行了試驗(yàn)測量，與設(shè)計(jì)模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，模擬結(jié)果與測量結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 導(dǎo)電流體間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

從測試結(jié)果與分析結(jié)果對(duì)比，設(shè)計(jì)導(dǎo)電流體間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T，模擬結(jié)果顯示在中心高度18 mm區(qū)域內(nèi)磁場穩(wěn)定，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.195 T;實(shí)測結(jié)果顯示在中心高度15 mm區(qū)域內(nèi)磁場穩(wěn)定，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.191 T;測試結(jié)果與設(shè)計(jì)模擬結(jié)果基本相符。

4 結(jié)論

根據(jù)MHD角速度傳感器研究需要，設(shè)計(jì)了一種獲得徑向磁場的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)包含薄柱形永磁體、導(dǎo)磁塊、內(nèi)外2個(gè)筒形導(dǎo)體，得到了MHD角速度傳感器需要的徑向磁場。在設(shè)計(jì)的導(dǎo)電流體間隙處，磁感應(yīng)強(qiáng)度測試結(jié)果與設(shè)計(jì)模擬結(jié)果一致。

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［6］ARS－01 ＆ 01S MHD Angular Rate Sensor［EB/DL］.2009－06－10 www.atasensors.com.

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