磁流體動(dòng)力學(xué)角速率傳感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

周海佳，李得天

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

磁流體動(dòng)力學(xué)角速率傳感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

周海佳，李得天

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

針對(duì)飛行器內(nèi)微幅、寬頻微角振動(dòng)測(cè)量的困難，美國(guó)ATA公司研制了基于磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）角速率傳感器。與光纖陀螺等器件相比，該傳感器具有測(cè)量精度高、頻譜范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在航空航天、地基武器、地震監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。從MHD角速率傳感技術(shù)的應(yīng)用背景出發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)描述高精度、低頻等五類MHD角速率傳感技術(shù)的基本原理、結(jié)構(gòu)組成、關(guān)鍵參數(shù)等內(nèi)容，梳理MHD角速率傳感器的發(fā)展脈絡(luò)，并探索性研究MHD角速率傳感技術(shù)未來(lái)發(fā)展可能所需突破的關(guān)鍵技術(shù)。

磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）；高帶寬姿態(tài)估計(jì)；本底噪聲；靈敏度

0 引言

導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度場(chǎng)與磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，從而在垂直于速度場(chǎng)與磁場(chǎng)的方向上建立電場(chǎng)，這就是基于磁流體動(dòng)力學(xué)（Magnetohydrody?namic，MHD）角速率傳感技術(shù)的基本原理[1]。MHD角速率傳感器的結(jié)構(gòu)主要由磁回路組件、電回路組件、內(nèi)置變壓器、調(diào)理電路等構(gòu)成，在指向穩(wěn)定度要求較高的衛(wèi)星遙感、激光通訊、半導(dǎo)體微印刷等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

由于大氣擾動(dòng)、機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)和冷熱交變等因素，空間飛行器平臺(tái)具有微幅、寬頻的微角振動(dòng)。其頻率從0到幾千赫茲，振幅不超過(guò)幾十微弧度。這種微角振動(dòng)雖然不會(huì)對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)造成大損傷，但是會(huì)影響與指向、瞄準(zhǔn)有關(guān)的有效載荷性能[2]。低頻微角振動(dòng)（0～10 Hz）可以由高精度三浮陀螺等實(shí)現(xiàn)測(cè)量，而十赫茲到幾千赫茲微角振動(dòng)的測(cè)量是制約高精度指向與瞄準(zhǔn)有效載荷性能的突出因素[3]。為了解決機(jī)載激光武器視軸穩(wěn)定問(wèn)題，20世紀(jì)80年代美國(guó)應(yīng)用技術(shù)聯(lián)合體（ATA公司）開發(fā)了MHD角速率傳感器[4]。與其他類型傳感器，例如光纖陀螺、高精度光學(xué)敏感器等相比，MHD角速率傳感器具有測(cè)量精度高、頻譜范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、無(wú)機(jī)械活動(dòng)件等特點(diǎn)[5-8]。

根據(jù)典型特點(diǎn)與應(yīng)用情況，將MHD角速率傳感器分為高精度、低頻、微型、復(fù)合式和特定用途等五種。通過(guò)不同類型MHD角速率傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和關(guān)鍵參數(shù)等研究與分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展情況，探索性分析MHD角速率傳感技術(shù)未來(lái)發(fā)展所需突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 高精度MHD角速率傳感技術(shù)

2006年，日本發(fā)射的先進(jìn)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星（ALOS）采用MHD ARS-12角速率傳感器，提出衛(wèi)星平臺(tái)的高帶寬姿態(tài)估計(jì)方法[9]。2011年，美國(guó)Ball Aerospace&Technologies公司提出了一種基于MHD ARS-15的機(jī)載成像設(shè)備視軸穩(wěn)定與后向掃描技術(shù)[10]。美國(guó)ATA公司采用ARS系列傳感器設(shè)計(jì)了慣性測(cè)量單元MIRU系列，可用于地面車輛瞄準(zhǔn)、空基與天基飛行器以及深空衛(wèi)星通訊的視軸顫振抑制[11-12]。美國(guó)海軍采用ARS-14傳感器設(shè)計(jì)了一種激光束控制系統(tǒng)，用于移動(dòng)目標(biāo)的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)[13-14]。ATA公司基于ARS-14和15研制了高精度尋北儀[15]。國(guó)內(nèi)的高精度MHD角速率傳感器基本處于原理樣機(jī)階段，主要是蘭州空間技術(shù)物理研究所和天津大學(xué)[16-17]。

高精度MHD角速率傳感器多數(shù)采用徑向磁場(chǎng)[17]，其工作原理如圖1所示。當(dāng)導(dǎo)電液體與外殼產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體上、下兩端感生出電勢(shì)差Vz。該電勢(shì)差由變壓器放大，再通過(guò)電路放大、濾波轉(zhuǎn)化成檢測(cè)信號(hào)[18]。

圖1 高精度MHD傳感器的工作原理Fig.1 The operating principle of high-precision MHD sensor

假設(shè)相對(duì)角速度ω(t)不隨徑向和高度方向變化，電勢(shì)差可以表達(dá)為：

式中：Br為磁感應(yīng)強(qiáng)度；rrms為流體通道的均方根半徑；lz為上、下電極間距離；ω(t)為導(dǎo)電流體相對(duì)外殼的角速度；Vz(t)為變壓器前端電壓。

ATA公司研發(fā)了多款高精度MHD角速率傳感器[19]，包括ARS-12、14、15、24。其中，ARS-24的精度最高，其主要參數(shù)為：頻帶為1～675 Hz，本底噪聲為＜1×10-6rad/s，量程為± 0.005 rad/s，靈敏度為2120 V/rad/s，質(zhì)量為2 000 g。

MHD角速率傳感器的直接輸出量為角速率，通過(guò)信號(hào)的積分或者微分，還可以輸出角位移或角加速度[20]。

2 低頻MHD角速率傳感技術(shù)

美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理辦公室將ARS-06S低頻微角顫振傳感器用于汽車碰撞測(cè)量，用于評(píng)價(jià)頭部損傷緩沖系統(tǒng)[21]。在國(guó)內(nèi)天津大學(xué)對(duì)低頻MHD微角速率傳感技術(shù)進(jìn)行原理性研究[22]。為了進(jìn)行低頻角信號(hào)的測(cè)量，將傳感器內(nèi)的穩(wěn)恒磁場(chǎng)變?yōu)榻蛔兇艌?chǎng)，傳感器物理部分的輸出信號(hào)需要在后端電路上將該交變信號(hào)濾除。

低頻MHD傳感器多采用軸向磁場(chǎng)布局。當(dāng)環(huán)形通道相對(duì)于流體檢驗(yàn)質(zhì)量發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于MHD效應(yīng)在內(nèi)、外電極之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)[23-24]，其工作原理如圖2所示。

圖2 軸向磁場(chǎng)型MHD傳感器的工作原理Fig.2 The operational principle of axial-magnetic-field type MHD sensor

低頻角速率傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)表達(dá)為：式中：Bac為交變磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值；w、h、rrms分別為感應(yīng)通道的寬度、厚度和均方根半徑；Ur為徑向流速；M為哈特曼數(shù)；v為動(dòng)力學(xué)黏度系數(shù)；s為復(fù)頻率變量。

ATA公司開發(fā)的最新低頻MHD角速率傳感器主要是ARS-06和ARS-06S[19]。其中，ARS-06S的測(cè)量頻帶為0.38～1000 Hz，量程為±200 rad/s，本底噪聲為2.5×10-3rad/s，靈敏度為0.006 V/rad/s，質(zhì)量為＜35 g。

3 微型MHD角速率傳感技術(shù)

微型MHD角速率傳感器的基本原理與軸向磁場(chǎng)型MHD角速率傳感器基本一致，不同之處在于微型MHD傳感器沒(méi)有變壓器的一級(jí)信號(hào)放大，如圖3所示。

微型MHD傳感器的傳遞函數(shù)表達(dá)為[25]：

式中：B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度；r、w為通道的半徑、寬度；s為復(fù)頻率變量；τ為時(shí)間常數(shù)。

微型MHD傳感器的測(cè)量頻帶為1～1000 Hz，本底噪聲2 °/s，靈敏度100 mV/rad/s，尺寸Φ12 mm×1.7 mm。

4 MHD角傳感/作動(dòng)復(fù)合器件技術(shù)

ATA公司設(shè)計(jì)了用于角位移測(cè)量與控制的雙功能MHD復(fù)合器件，并且通過(guò)模擬美國(guó)延遲反射鏡試驗(yàn)（RME）衛(wèi)星俯仰控制器進(jìn)行了分析[26]。MHD作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與軸向磁場(chǎng)型MHD傳感器基本一致，不同之處在于MHD作動(dòng)器的環(huán)形導(dǎo)電流體的內(nèi)、外徑施加電信號(hào)，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

由導(dǎo)電流體內(nèi)、外徑的電極施加電壓V，從而產(chǎn)生穿過(guò)流體的軸向電流i。磁場(chǎng)Br與電流i相互作用的結(jié)果是在導(dǎo)電流體與通道之間產(chǎn)生扭矩τρ，如圖4所示。所產(chǎn)生的扭矩以及扭矩引起的流體角加速度[27]，如式（4）～（5）：

式中：v為動(dòng)力學(xué)黏度系數(shù)；h、r、A分別為通道厚度、半徑、截面積；Br為磁感應(yīng)強(qiáng)度；θ″FL、θ′FL、θ′CA分別為流體角加速度、角速度和外殼角速度；JFL為流體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

MHD單元的尺寸約為Φ210 mm×30 mm，兩個(gè)MHD單元堆疊在一起構(gòu)成MHD角傳感/作動(dòng)復(fù)合器件。輸出扭矩為1.2 N·m，本底噪聲優(yōu)于0.008°/s，工作頻率為1～1 000 Hz，質(zhì)量為3.8 kg。

圖4 MHD作動(dòng)器的工作原理和MHD傳感/作動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)Fig.4 The operating principle of MHD actuator and the structure of MHD sensing and actuating elements

5 用于地震測(cè)量的MHD角速率傳感技術(shù)

美國(guó)能源部使用ARS-16和ARS-24傳感器通過(guò)對(duì)大地的微角震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試與分析，研究用于地震監(jiān)測(cè)和地?zé)衢_發(fā)的可行性[28]。用于地震測(cè)量的MHD傳感器（SMHD）的工作原理、結(jié)構(gòu)組成與高精度MHD傳感器基本相同，主要差別在于SMHD所要求的噪聲更低，所使用的材料需要滿足高溫地質(zhì)環(huán)境要求。

ATA研制了用于地震微角信號(hào)測(cè)量的ARS-16。其頻帶范圍為1～1 000 Hz，靈敏度為500 V/rad/s，本底噪聲不大于15 μ·rad/s（1～300 Hz）。ATA還研制了一種新的SMHD原理樣機(jī)，采用了Ga-In-Ti共熔體作為導(dǎo)電流體[28]。

6 結(jié)論

磁流體動(dòng)力學(xué)角速率測(cè)量技術(shù)，突破了導(dǎo)電流體封裝、微弱電流信號(hào)原位放大等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，具有精度高、頻帶寬、無(wú)機(jī)械活動(dòng)部件等特點(diǎn)，能夠一定程度地滿足對(duì)地觀測(cè)、激光瞄準(zhǔn)等指向與瞄準(zhǔn)領(lǐng)域和地?zé)衢_發(fā)等其他領(lǐng)域的需求。

從20世紀(jì)80年代開始，美國(guó)ATA公司從MHD傳感器的機(jī)理研究與樣機(jī)研發(fā)開始，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用研究與產(chǎn)品驗(yàn)證，已推出多款成熟產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)蘭州空間技術(shù)物理研究所和天津大學(xué)在MHD傳感器研制方面也做了一些基礎(chǔ)性的工作。目前的MHD傳感器可以基本滿足距離約500 km以下高精度瞄準(zhǔn)與指向有效載荷方面的需求，但是對(duì)更遠(yuǎn)距離，如同步軌道（36 000 km），月地激光通訊（380 000 km）乃至更遠(yuǎn)距離的星際通訊則需要開發(fā)精度更高的MHD傳感器。未來(lái)MHD傳感器技術(shù)的發(fā)展，可以借助數(shù)值仿真分析軟件和納米技術(shù)，在傳感器精度、器件尺寸等方面進(jìn)行研究，可能需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）MHD傳感器的基礎(chǔ)理論研究。目前已經(jīng)建立初步的磁流體動(dòng)力學(xué)耦合理論，但是要實(shí)現(xiàn)提高傳感器精度與縮小體積等目標(biāo)，需要借助數(shù)值仿真軟件建立包含MHD傳感器更多細(xì)節(jié)，包括空腔表面粗糙度、電極表面電阻、氣泡等的全物理模型，為傳感器發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)；

（2）MHD傳感器的低頻極限拓展研究。目前，低頻MHD傳感器的低頻只能做到0.38 Hz，極大地限制了傳感器的應(yīng)用。通過(guò)開展磁流體動(dòng)力學(xué)耦合低頻信號(hào)濾波方法研究，主動(dòng)式MHD流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究等，分析MHD傳感器低頻的限制因素；

（3）新型導(dǎo)電流體的研發(fā)。導(dǎo)電流體的電阻是導(dǎo)致耦合磁流體電流變小的重要因素。降低導(dǎo)電流體內(nèi)阻，可以提高耦合磁流體的輸出功率，減小內(nèi)置變壓器體積或者取消變壓器，從而減小傳感器體積。目前導(dǎo)電流體主要采用汞，電阻率比較高。研發(fā)新型導(dǎo)電流體，降低傳感器內(nèi)阻是減小傳感器體積的關(guān)鍵；

（4）對(duì)特殊應(yīng)用的適應(yīng)性研究。在地?zé)衢_發(fā)的應(yīng)用中，MHD傳感器需要適應(yīng)地下的高溫環(huán)境，需要對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)和電路進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。

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RESEARCH OF MAGNETOHYDRODYNAMIC ANGULAR RATE SENSING TECHNOLOGY

ZHOU Hai-jia，LI De-tian
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Aimed at the difficulty about measurement of the high bandwidth and small magnitude micro-angular vibration in the aircraft，ATA corporation in USA designed the type of angular rate sensing device based on the magnetohydrodynamic effect（MHD）.In comparison to other devices，such as fibre-optic gyroscope，the sensors have properties of high-precision，high-bandwidth and simple in construction，so they can be used in many areas，such as aeronautics and space，ground based weapons，and seismic monitoring.It reviews the background of MHD angular rate sensing technology.Through the systematic depiction about some devices including high-precision MHD angular rate sensor，low-frequency MHD angular rate sensor and so on，which concerns the fundamental principles，structural constitutions and key parameters，it sorts out the routine of the development of MHD angular rate sensing technology.It also trially studies the fundamental technical elements which may hinder the advancement of this technology.

Magneto Hydro Dynamic（MHD）；high-bandwidth attitude estimation；noise floor；sensitivity

O361

A

1006-7086（2017）05-0249-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.001

2017-05-12

周海佳（1983-），男，山西壽陽(yáng)人，博士研究生，從事航天器微振動(dòng)測(cè)量與抑制研究工作。E-mail：zhouhj2001@163.com。