磁流体动力学角速度传感器频域特性与噪声特性研究

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磁流体动力学(MagnetoHydroDynamics, MHD)角速度传感器是目前在轨测量微角振动信息的最有效可靠的仪器,能够同时满足宽频带和低噪声的技术指标。目前MHD角速度传感器的频域特性与噪声特性的研究尚不完善,现有的测试系统存在一定的缺陷与不足。因此,本文对MHD角速度传感器的频域特性与噪声特性展开研究,并在理论分析与仿真计算的基础上,完成了对MHD角速度传感器频域特性与噪声特性的高精度测试。
  首先,本文结合磁流体动力学,分析磁-电-流三个物理场的耦合过程,重新建立了MHD角速度传感器的理论模型。为了测试MHD角速度传感器的频域特性,设计了一种实验装置,创新性的提出采用激光干涉仪标定测量转台输出角速率。通过对比分析实验测试结果与模型数值仿真结果,验证了理论模型的正确性。
  其次,通过对MHD角速度传感器表头的噪声源的分析,从理论上对MHD角速度传感器噪声水平的数量级进行了评估。选用噪声功率谱密度来描述传感器的噪声,并对角速度传感器常见的随机噪声的功率谱密度进行了特征分析,为MHD角速度传感器噪声的分析与评价奠定了理论基础。
  最后,为了测量MHD角速度传感器亚nV√Hz量级的噪声,本文设计了一种噪声测量系统。通过使用噪声匹配变压器,将噪声匹配原理与双通路互谱测量原理相结合,优化了测量系统的噪声系数,有效抑制了测量过程中的通路噪声和耦合噪声。通过理论和仿真分析了测量系统的固有噪声,实验证明测量系统的等效输入电压噪声谱密度低至0.1nV√Hz。随后,采用该测量方法,精确测量出低至0.06nV√Hz的MHD角速度传感器的微弱噪声。并且在理论计算的基础上,通过实验验证了传感器内阻热噪声均方值与环境温度的关系。
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