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传感技术学报 2025年第4期38卷 571-578页

作者：朱占霞李醒飞刘帆夏赣民李嘉峰李建翔宋林珂闫慧敏天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072

频率特性是衡量mhd微角振动传感器动态性能的重要指标,该指标的准确评估对传感器研制与改进具有重要意义。针对传统的正弦扫频法测试mhd微角振动传感器频率特性效率低的问题,研究了基于多谐差相信号的最小二乘频率特性测试法。通过仿真... 详细信息

频率特性是衡量mhd微角振动传感器动态性能的重要指标,该指标的准确评估对传感器研制与改进具有重要意义。针对传统的正弦扫频法测试mhd微角振动传感器频率特性效率低的问题,研究了基于多谐差相信号的最小二乘频率特性测试法。通过仿真和对比实验,验证该方法的测试效果。实验结果表明,该方法的标度因数的相对误差小于±1.5%,其变异系数不超过1%,相位差的绝对误差不超过±0.50°,其变异系数不超过8%,非线性误差小于±2%;测试结果与正弦扫频法的测试结果相比,测试时间缩短了94.74%。基于多谐差相信号的最小二乘频率特性测试法可代替基于单频正弦信号的正弦扫频法,用于快速准确测试mhd微角振动传感器的频率特性。

关键词： mhd微角振动传感器频率特性测试多谐差相信号最小二乘

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mhd微角振动传感器动态校准系统的研究

MHD微角振动传感器动态校准系统的研究

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作者：武英杰天津大学

学位级别：硕士

在轨卫星的微角振动会对卫星平台与遥感系统等有效载荷高精度姿态指向造成严重影响,需要进行有效的测量和控制。磁流体动力学(mhd)微角振动传感器具有高带宽、低噪声和小体积等诸多性能优势,是一种空间应用的新型有效载荷微角振动测量元... 详细信息

在轨卫星的微角振动会对卫星平台与遥感系统等有效载荷高精度姿态指向造成严重影响,需要进行有效的测量和控制。磁流体动力学(mhd)微角振动传感器具有高带宽、低噪声和小体积等诸多性能优势,是一种空间应用的新型有效载荷微角振动测量元件,可用于测量具有微幅、宽频特点的卫星微角振动。mhd微角振动传感器的复灵敏度是衡量其动态性能的重要指标,为保证该传感器测量角振动信息的准确性,本文提出了一种基于激光干涉仪的绝对式动态校准方法,进行了如下研究:1.根据mhd微角振动传感器的微幅、宽频等特点和校准系统的小体积、高校准效率等需求,选取了具有高精度和宽频测量能力的绝对式校准方法。方法将零差式激光干涉仪与角度后向反射镜相结合,选择单频正弦角振动激励,并通过正弦逼近法完成动态校准,使用的双光束测量结构可以提升激光干涉的测量分辨力。2.分析了mhd微角振动传感器动态校准系统的原理误差,设计了总体方案及关键要素。为确保宽频角振动激励的准确性,避免整体结构谐振,设计了两种实验夹具并进行了结构的应力仿真。搭建了校准系统并编制了自动校准测试软件,有效提高了传感器的动态校准效率。3.完成了mhd微角振动传感器灵敏度幅值和相移的动态校准实验,结果表明搭建的激光干涉校准装置能够在小角度振动下和宽频率范围内对mhd微角振动传感器的复灵敏度实现校准。激光干涉动态校准装置可校准的角振动频率范围为25～1000Hz,可校准的角速度幅值为0.060～7590mrad/s,在25～500Hz频率范围达到幅值和相移的扩展不确定度分别为0.48%和1.48°,在500～1000Hz频率范围达到幅值和相移的扩展不确定度分别为2%和5.43°(k=2)。

关键词： mhd微角振动传感器灵敏度动态校准激光干涉安装误差

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mhd微角振动传感器内导电流体体积膨胀系数及性能影响研究

MHD微角振动传感器内导电流体体积膨胀系数及性能影响研究

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作者：徐鹏程天津大学

学位级别：硕士

随着航天技术的发展,高精度航天器的作用越来越突出,被广泛的运用在军事侦查、激光通讯和地球测绘等领域。航天器受到扰动时会轻微振动,严重影响了姿态和视轴稳定,因此需要进行有效的测量和控制。磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,mhd... 详细信息

随着航天技术的发展,高精度航天器的作用越来越突出,被广泛的运用在军事侦查、激光通讯和地球测绘等领域。航天器受到扰动时会轻微振动,严重影响了姿态和视轴稳定,因此需要进行有效的测量和控制。磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,mhd)微角振动传感器具有高带宽、低噪声和体积小等优点,使其成为高精度航天器中检测高频微角振动的最佳选择。目前国内对mhd微角振动传感器的研究主要集中在结构设计、噪声分析和低频拓展等方面,鲜有关于导电流体特性对传感器性能影响的研究。因此,需要完善导电流体的各项参数,如体积膨胀系数、气体溶解度等,以及分析各项参数对传感器输出特性的影响,为传感器的优化设计提供理论支撑。本论文针对目前mhd微角振动传感器所用的导电流体材料,从体积膨胀系数及其对传感器输出特性影响做了以下研究:1、根据mhd微角振动传感器的工作原理,分析了导电流体体积膨胀系数对传感器输出电势的影响,并推导建立了理论数学模型。基于传感器结构设计和导电流体特性,利用Fluent软件仿真分析了不同温度下体积膨胀系数变化对传感器输出电势的影响,量化给出了感应电势随体积膨胀系数变化的曲线。2、分析了现有流体体积膨胀系数常用测量方法的优缺点,针对导电流体特性,创新提出了基于无氧静力称量法测量导电流体体积膨胀系数的方法(已申报专利),并推导建立了理论数学模型。3、设计了导电流体体积膨胀系数测量系统的总体方案,搭建了具有温度可调的测量装置,利用LabVIEW和Python编程语言编写了数据采集处理程序。利用体积膨胀系数已知的蒸馏水对测量系统的精度进行了验证,在此基础上测量了导电流体体积膨胀系数,实现了较为精确的测量。并结合理论仿真,得出在实验条件下测得的导电流体的膨胀系数对传感器的输出电势的影响为0.0556%的结论,为后续传感器的设计优化提供理论依据。

关键词： mhd微角振动传感器导电流体体积膨胀系数仿真分析无氧静力称量法

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mhd微角振动传感器温度特性分析与补偿方法研究

MHD微角振动传感器温度特性分析与补偿方法研究

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作者：王岩岩天津大学

学位级别：硕士

高精度航天器在轨运行期间,自身运动部件和空间物理环境等因素极易诱发微角振动,严重影响有效载荷的指向精度、姿态稳定度和成像质量。基于磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,mhd)的微角振动传感器兼具宽频带、低噪声等优势,成为空间结... 详细信息

高精度航天器在轨运行期间,自身运动部件和空间物理环境等因素极易诱发微角振动,严重影响有效载荷的指向精度、姿态稳定度和成像质量。基于磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,mhd)的微角振动传感器兼具宽频带、低噪声等优势,成为空间结构微角振动测量的重要选择。mhd微角振动传感器的温度特性直接关系着传感器在轨测量的精度。为此,本文从理论建模、数值仿真和实验分析三个方面展开深入研究,具体工作如下: 1.根据mhd微角振动传感器的工作原理分析了温度对导电流体材料参数、流体通道内磁感应强度和流体通道结构尺寸等传感器关键参数的影响,建立了考虑温度影响的传感器简化输出模型。 2.基于Fluent软件的mhd模块建立了环形流体通道内的电磁流多物理场耦合仿真模型,仿真分析了导电流体材料参数温度系数、流体通道内磁感应强度温度系数和流体通道结构热变形对mhd微角振动传感器输出特性的影响。仿真结果表明,结构热变形对传感器的影响远小于另外二者。在低频段,传感器主要受导电流体材料参数的影响;在高频段,传感器主要受流体通道内磁感应强度的影响,200Hz时的标度因数温度系数为-0.136%/°C。 3.搭建了mhd微角振动传感器流体通道内磁感应强度的温度特性实验平台,基于四位置测试法得到磁感应强度随温度的变化规律;搭建了mhd微角振动传感器输出的温度特性实验平台,基于扫频法得到不同频率下标度因数随温度的变化规律。实验结果表明,磁感应强度温度系数为-0.134～-0.143%/°C,200Hz时传感器的标度因数温度系数为-0.120%/°C,证明流体通道内磁感应强度温度系数对传感器输出的影响最大。 4.为改善流体通道内磁感应强度的温度稳定性,提出了两种补偿方法:一是将热磁补偿合金应用于磁路作磁分流器,弥补永磁体的磁通损失;二是将两个海尔贝克环形阵列各自生成的磁场在相反方向上对齐,抵消温度的影响。利用Ansoft maxwell软件进行参数化求解确定结构尺寸,通过磁路仿真验证了两种补偿方法的有效性。

关键词： mhd微角振动传感器温度特性耦合仿真标度因数补偿方法

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mhd微角振动传感器液-固接触电阻特性研究

MHD微角振动传感器液-固接触电阻特性研究

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作者：陈进宇天津大学

学位级别：硕士

随着航天技术的快速发展,空间各类传感器是研究的热点,用于惯性导航的惯性元件对各项精度提出了更高的要求。基于磁流体动力学(Magneto-hydro-dynamic,简称mhd)的微角振动传感器是空间已经验证的有效传感器,具备宽频带、抗冲击、低噪声... 详细信息

随着航天技术的快速发展,空间各类传感器是研究的热点,用于惯性导航的惯性元件对各项精度提出了更高的要求。基于磁流体动力学(Magneto-hydro-dynamic,简称mhd)的微角振动传感器是空间已经验证的有效传感器,具备宽频带、抗冲击、低噪声和体积小等特性。噪声是mhd微角振动传感器的关键技术指标,其内的导电流体与流体环液-固接触电阻是噪声的主要来源,为提高传感器灵敏度降低噪声需开展液-固接触电阻特性的研究。本文通过传感器工作原理、噪声产生机理,对影响液-固接触电阻的因素进行了系统分析,推导建立了液-固接触电阻的理论模型,设计并搭建了一套液-固接触电阻的测量装置,利用该装置试验量化了各因素对液-固接触电阻的影响程度,对mhd传感器设计具有一定指导意义。具体工作如下:(1)理论分析了液-固接触电阻对传感器噪声的形成机理,借鉴Holm经典模型理论,推导建立了mhd微角振动传感器液-固接触电阻的理论模型,分析了接触电阻与接触面积、粗糙度、膜层、电阻率、导电斑点半径等的关系。(2)在分析总结现有接触电阻测试方法的基础上,提出了无氧条件下平均差值法测量液-固接触电阻的方法,能够消除或减少导电流体表面氧化、导线电阻和测试夹与测试电极接触电阻的影响。设计并搭建了一套液-固接触电阻测量装置,实现了精确测量。(3)利用测量装置,探究了接触面积、粗糙度、膜层和温度对液-固接触电阻的影响。结果表明:随着接触面积增大,液-固接触电阻明显降低且变得稳定;随着粗糙度增大,液-固接触电阻明显增大且变得不稳定;随着膜层厚度增加,液-固接触电阻明显增加;随着温度提高,导电流体粘度和电阻率同时被影响且相互叠加的结果使液-固接触电阻缓慢上升。试验结果和理论推导吻合。本文研究成果可为mhd微角振动传感器设计降低液-固接触电阻提供理论依据和数据参考。

关键词： mhd微角振动传感器液-固接触电阻导电流体流体环

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mhd微角振动传感器内导电流体气体溶解度及性能影响研究

MHD微角振动传感器内导电流体气体溶解度及性能影响研究

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作者：牛士佳天津大学

学位级别：硕士

基于磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,mhd)的微角振动传感器,能够敏感微振动频率和角速率,具有高的动态特性和宽的阻尼调节特性。相较于传统的角速率传感器(如陀螺仪)不存在机械磨损和摩擦阻尼,可靠性高,寿命长,广泛应用于航空航天领... 详细信息

基于磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,mhd)的微角振动传感器,能够敏感微振动频率和角速率,具有高的动态特性和宽的阻尼调节特性。相较于传统的角速率传感器(如陀螺仪)不存在机械磨损和摩擦阻尼,可靠性高,寿命长,广泛应用于航空航天领域。目前mhd微角振动传感器的研究主要集中在流体环结构、磁路结构、低频拓展及信号降噪等,对内部导电流体参数及对传感器性能影响的研究鲜有报道,如导电流体气体溶解度随温变化对传感器的影响,导电流体膨胀系数随温变化对传感器的影响等。受温度影响,导电流体膨胀或收缩,气体的浸入或释放,或装配过程中引入气体,形成气液两相流,影响导电流体的流速和输出电势,进而影响传感器的精度。本文针对目前mhd微角振动传感器所用的导电流体材料,从气体溶解度参数及对传感器性能影响做了如下研究:首先,阐述了mhd微角振动传感器的工作原理,分析了气体与导电流体形成的两相流对传感器输出精度的影响。利用CFD仿真软件,对传感器内部流体环的流场磁场进行了耦合仿真,理论分析了导电流体单相流、导电流体气液两相流的流速、输出电势分布特性与气体含量的关系。说明气体含量大小对传感器性能影响是不相同的。其次,对导电流体的气体溶解度进行研究,即在理想状态下,导电流体浸入的气体是否对传感器产生影响。调研分析了现有溶解度测定方法,在此基础上创新提出了静态法与双体积压力衰减法结合的测定方法(已申报专利)并制定了实验方案。设计并搭建了实验装置,利用Python语言及Qt库编写了上位机数据采集及处理软件,系统联调稳定可靠。最后,利用设计的实验装置依据实验方案,完成了导电流体气体溶解度测定实验。实验表明,在常压范围内导电流体的气体溶解度随温度升高呈非线性递减。结合理论仿真,得出在实验条件下测得的导电流体气体溶解度对传感器输出电势的影响小于0.03%。为后续传感器的设计奠定理论基础。

关键词： mhd微角振动传感器导电流体流体环仿真分析气体溶解度

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磁流体动力学微角振动传感器自动标定系统设计

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仪表技术与传感器 2021年第9期 6-10页

作者：侯小婷李醒飞刘帆天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072

基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,mhd)微角振动传感器研制过程中,需要对其频响特性及输出线性度等指标进行测试,这便需要宽频带(3 Hz~1 kHz)内的恒定角速率激励装置及高精度角振动检测装置。基于105-AVT角振动台和XL-80激光干涉... 详细信息

基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,mhd)微角振动传感器研制过程中,需要对其频响特性及输出线性度等指标进行测试,这便需要宽频带(3 Hz~1 kHz)内的恒定角速率激励装置及高精度角振动检测装置。基于105-AVT角振动台和XL-80激光干涉仪搭建了适用于mhd微角振动传感器的自动标定系统,鉴于105-AVT角振动台无法提供恒定角速率激励,建立了角振动台输入电压与输出角速度间的对应关系,并将其移植到LabVIEW软件中,实现了105-AVT角振动台的恒定角速率激励。利用激光干涉仪XL-80输出信号作为测量角速度基准,对mhd微角振动传感器特性进行了实验测试。结果表明,可实现带宽高于1 kHz,0.004~0.12 rad/s的恒定角速率激励,实现自动标定。

关键词： mhd微角振动传感器标定系统 105-AVT角振动台激光干涉仪

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气体对磁流体动力学传感器影响机理的探讨

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仪器仪表学报 2023年第4期44卷 238-248页

作者：夏赣民李醒飞刘帆天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室天津300072

由于气体和导电流体性质上的差异,导电流体中气体的存在将对磁流体动力学(mhd)传感器的输出特性产生影响。基于电磁感应理论和两相流理论,文章推导并建立了导电流体中含气体的mhd传感器VOF模型。通过ANSYS Fluent对含气体的mhd传感器输... 详细信息

由于气体和导电流体性质上的差异,导电流体中气体的存在将对磁流体动力学(mhd)传感器的输出特性产生影响。基于电磁感应理论和两相流理论,文章推导并建立了导电流体中含气体的mhd传感器VOF模型。通过ANSYS Fluent对含气体的mhd传感器输出特性进行仿真分析,同时搭建试验平台对不同气体含量mhd传感器进行试验验证。结果表明,导电流体中的气泡在低频时容易被拉伸撕裂成小气泡并随着角振动分散,同时使得流体环流场和电场产生偏移和畸变,角振动频率越低,此现象越明显;当导电流体中不含气体时角振动频率和幅值、重力加速度及偏心等外部因素对mhd传感器的输出特性无影响;当导电流体中含有气体时,mhd传感器的输出特性畸变等随气体含量、重力加速度和偏心的增大而增大,随角振动频率和幅值的增大而减小。文章研究成果能够为mhd传感器导电流体灌装工艺控制提供指导,有助于mhd传感器精度和稳定性的提升。

关键词： mhd微角振动传感器导电流体气液两相流偏心分析

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基于Allan方差解耦自适应滤波的mhd/MEMS信号融合方法

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中国惯性技术学报 2020年第2期28卷 237-241页

作者：李醒飞韩佳辰刘帆天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072

为满足卫星平台对宽频带角速率测量需求,补偿磁流体动力学(mhd)微角振动传感器低频误差,提出了一种基于Allan方差的解耦自适应Kalman滤波方法,实现了mhd微角振动传感器与MEMS陀螺仪的组合测量。该方法使用Allan方差计算量测噪声的方差,... 详细信息

为满足卫星平台对宽频带角速率测量需求,补偿磁流体动力学(mhd)微角振动传感器低频误差,提出了一种基于Allan方差的解耦自适应Kalman滤波方法,实现了mhd微角振动传感器与MEMS陀螺仪的组合测量。该方法使用Allan方差计算量测噪声的方差,克服了标准Kalman滤波对模型参数精确性要求较高的缺点,同时避免了自适应Kalman噪声参数耦合易滤波发散的问题。实验证明解耦自适应Kalman对单频和混频信号均实现较好融合效果,均方误差降低至融合前的30%,信噪比改善超过10 dB。融合后的输出信号满足卫星千赫兹带宽的测量需求,可用于惯性测量单元中。

关键词： mhd微角振动传感器信号融合自适应Kalman Allan方差

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基于小波变换多传感器融合的mhd传感器低频拓展技术研究

基于小波变换多传感器融合的MHD传感器低频拓展技术研究

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作者：闫俊全天津大学

学位级别：硕士

在轨航天器会受到各种微角振动的干扰,这种微角振动严重影响着航天器上有效载荷的正常工作,需要对其进行准确测量。基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,mhd)的微角振动传感器(以下简称mhd传感器)能够测量高达1k Hz的角振动,但是由... 详细信息

在轨航天器会受到各种微角振动的干扰,这种微角振动严重影响着航天器上有效载荷的正常工作,需要对其进行准确测量。基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,mhd)的微角振动传感器(以下简称mhd传感器)能够测量高达1k Hz的角振动,但是由于原理上的限制,其对低频(<2Hz)振动的响应性能不佳,存在较为严重的幅值衰减以及输出信噪比减小现象,无法满足0.1～1k Hz全频段振动测量的要求。本文针对mhd传感器的低频拓展,对其与MEMS陀螺仪的融合方法进行了如下研究:1、依据mhd传感器的工作原理,理论推导出了传感器的传递函数模型,绘制了理论幅频曲线和相频曲线。分析了几种降低传感器低频截止频率方法的可行性,确定了通过MEMS陀螺仪与mhd传感器进行信号融合的方案。通过扫频实验绘制并分析了两个传感器实际的幅频曲线和相频曲线,利用经典功率谱估计法对两个传感器的静态噪声进行了分析。2、对比分析了常用多传感器融合方法的优劣性,创新提出了基于小波方差加权的mhd传感器和MEMS陀螺仪去噪融合算法。该算法以表示信号平均能量的小波方差特征作为评价传感器幅值衰减程度的指标,以此设计了小波系数加权融合规则。针对mhd传感器在低频振动时输出信噪比过低的问题,在融合算法中引入了小波阈值去噪算法对mhd传感器的细节系数进行阈值处理。详述了去噪融合算法的时域迭代形式和具体实施方案。3、设计并搭建了mhd传感器和MEMS陀螺仪信号融合系统,分别利用Lab VIEW和MATLAB软件编写了双传感器自动化数据采集程序及去噪融合处理程序。通过0.1～120Hz的扫频实验表明,去噪融合处理后信号的幅频特性曲线和相频特性曲线均比较平坦,在0.1～120Hz内,最大幅值衰减为0.66d B,均方根误差小于0.69°/s,相位波动在±6°以内。噪声对比实验表明:在<2Hz的低频振动下,去噪融合处理后的信号波形光滑,信噪比与mhd传感器信号相比提升至少一倍以上;在mhd传感器工作带宽内,等效噪声角速率减小95%以上。初步验证了基于小波方差加权的去噪融合算法对于补偿mhd传感器低频幅值衰减及提升低频输出信噪比的有效性,且未影响mhd传感器的高频特性,实现了对mhd传感器的低频带宽的有效拓展,拓展后的传感器具备0.1～1k Hz的振动测量能力。

关键词： mhd微角振动传感器低频拓展信号融合小波方差加权

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