一种磁流体陀螺.pdf

一种磁流体陀螺，要金属外壳的外底部形成有向内凹进的螺柱孔，金属外壳的内部设置有：永磁体，其底部连接在金属外壳的内底面上；密封套，其设置在永磁体上，并包裹住永磁体的外周边，密封套的外周边设置有密封圈；芯柱，其底端面连接在密封套上端面的中心部，在芯柱的上端面，沿轴向向内凹进的形成有内电极孔；压套，其轴向形成有贯通孔，并通过该贯通孔套在芯柱的外周，压套的底端面与密封套的上端面之间形成有流体通道，流体通道内设置有磁流体；螺纹压盖，嵌入在压套与金属外壳的内周边所形成的空间内，并与金属外壳的内周边螺纹连接，螺纹压盖上相对称的设置有两个外电极孔。本发明具有高可靠性、高强度、长寿命的特点，可在强冲击等恶劣的环境下稳定工作。

权利要求书
1.  一种磁流体陀螺，包括有金属外壳（1），其特征在于，所述的金属外壳（1）的外底部形成有向内凹进的螺柱孔（3），所述的金属外壳（1）的内部设置有：
永磁体（4），所述永磁体（4）的底部连接在金属外壳（1）的内底面上；
密封套（6），所述密封套（6）设置在永磁体（4）上，并包裹住所述永磁体（4）的外周边，所述密封套（6）的外周边设置有密封圈（7）；
芯柱（10），所述芯柱（10）的底端面连接在所述密封套（6）上端面的中心部，在所述芯柱（10）的上端面，沿轴向向内凹进的形成有内电极孔（11）；
压套（12），所述的压套（12）轴向形成有贯通孔，并通过该贯通孔套在所述的芯柱（10）的外周，所述的压套（12）的底端面与所述的密封套（6）的上端面之间形成有流体通道（8），所述的流体通道（8）内设置有磁流体（9）；
螺纹压盖（15），嵌入在所述的压套（12）与所述的金属外壳（1）的内周边所形成的空间内，并与所述的金属外壳（1）的内周边螺纹连接，所述螺纹压盖（15）上相对称的设置有两个外电极孔（16）。

2.  根据权利要求1所述的一种磁流体陀螺，其特征在于，所述的金属外壳（1）、螺柱孔（3）、永磁体（4）、密封套（6）、芯柱（10）、压套（12）和螺纹压盖（15）的轴线与该磁流体陀螺的敏感轴（5）在同一轴线上。

3.  根据权利要求1所述的一种磁流体陀螺，其特征在于，所述的金属外壳（1）的内周面上与所述的压套（12）和所述的螺纹压盖（15）相对应处，分别形成有金属外壳下孔肩（13）和金属外壳上孔肩（17），所述的压套（12）底端的外周边压在所述的金属外壳下孔肩（13）上，所述的螺纹压盖（15）的外周边压在所述的金属外壳上孔肩（17）上。

4.  根据权利要求1所述的一种磁流体陀螺，其特征在于，所述的密封套（6）为圆盘形结构，在该圆盘形结构的底部形成有凹槽，所述的永磁体（4）嵌入在该凹槽内，并与密封套（6）为过盈配合，在该圆盘形结构的侧周面上形成有向内凹进的一圈凹槽，所述的密封圈（7）嵌入在所述的该一圈凹槽内。

5.  根据权利要求1所述的一种磁流体陀螺，其特征在于，所述的芯柱（10）为二轴段的阶梯形结构的轴，即在芯柱（10）的外周面上形成有用于支撑压套（12）的芯柱轴肩（14）。

6.  根据权利要求1所述的一种磁流体陀螺，其特征在于，所述的压套（12）包括有底盘（121）和一体垂直的形成在底盘（121）中心的套柱（122），沿所述的底盘（121）和套柱（122）的轴向形成有上下贯通的用于套入芯柱（10）的贯通孔（123），所述底盘（121）底端的内周边压在形成在芯柱（10）外周面的芯柱轴肩（14）上，所述底盘（121）底端的外周边压在形成在金属外壳（1）的内周面上的金属外壳下孔肩（13）上。

7.  根据权利要求6所述的一种磁流体陀螺，其特征在于，所述的底盘（121）分别与芯柱轴肩（14）和金属外壳下孔肩（13）的接触位置设置有用于防止磁流体（9）外溢的环氧树脂胶。

8.  根据权利要求1所述的一种磁流体陀螺，其特征在于，所述的螺纹压盖（15）为圆 盘形结构，在中心部形成有用于套入压套（12）的贯通孔，在外侧周面上形成有与所述的金属外壳（1）的内螺纹（2）连接的外螺纹，所述的圆盘形结构的上表面上相对称的形成有便于装配的两个夹盘孔（18）。

说明书一种磁流体陀螺
技术领域
本发明涉及一种陀螺。特别是涉及一种基于磁流体的角振动传感器的对振动加速度和交轴角速度不敏感的磁流体陀螺。
背景技术
目前，航天大国都在竞相发展高分辨率对地观测、高精度指向等卫星平台与应用技术。卫星微角振动测量与控制是实现卫星平台与遥感系统等有效载荷高精度姿态指向的前提与基础。
提供卫星微角振动信息的陀螺须兼具带宽大（接近1KHz）、体积小、重量轻、寿命长、抗冲击等特性，而目前无论是传统机械陀螺还是光纤陀螺、MEMS陀螺都不能兼具这些特性。因此，实有必要提出一种新型陀螺以满足微角振动测量的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高可靠性、高强度、长寿命、带宽大、功耗小、体积小、重量轻、成本低以及对振动加速度和交轴角速度不敏感的磁流体陀螺。
本发明所采用的技术方案是：一种磁流体陀螺，包括有金属外壳，其特征在于，所述的金属外壳的外底部形成有向内凹进的螺柱孔，所述的金属外壳的内部设置有：
永磁体，所述永磁体的底部连接在金属外壳的内底面上；
密封套，所述密封套设置在永磁体上，并包裹住所述永磁体的外周边，所述密封套的外周边设置有密封圈；
芯柱，所述芯柱的底端面连接在所述密封套上端面的中心部，在所述芯柱的上端面，沿轴向向内凹进的形成有内电极孔；
压套，所述的压套轴向形成有贯通孔，并通过该贯通孔套在所述的芯柱的外周，所述的压套的底端面与所述的密封套的上端面之间形成有流体通道，所述的流体通道内设置有磁流体；
螺纹压盖，嵌入在所述的压套与所述的金属外壳的内周边所形成的空间内，并与所述的金属外壳的内周边螺纹连接，所述螺纹压盖上相对称的设置有两个外电极孔。
所述的金属外壳、螺柱孔、永磁体、密封套、芯柱、压套和螺纹压盖的轴线与该磁流体陀螺的敏感轴在同一轴线上。
所述的金属外壳的内周面上与所述的压套和所述的螺纹压盖相对应处，分别形成有金属外壳下孔肩和金属外壳上孔肩，所述的压套底端的外周边压在所述的金属外壳下孔肩上，所述的螺纹压盖的外周边压在所述的金属外壳上孔肩上。
所述的密封套为圆盘形结构，在该圆盘形结构的底部形成有凹槽，所述的永磁体嵌入在该凹槽内，并与密封套为过盈配合，在该圆盘形结构的侧周面上形成有向内凹进的一圈凹槽，所述的密封圈嵌入在所述的该一圈凹槽内。
所述的芯柱为二轴段的阶梯形结构的轴，即在芯柱的外周面上形成有用于支撑压套的芯柱轴肩。
所述的压套包括有底盘和一体垂直的形成在底盘中心的套柱，沿所述的底盘和套柱的轴向形成有上下贯通的用于套入芯柱的贯通孔，所述底盘底端的内周边压在形成在芯柱外周面的芯柱轴肩上，所述底盘底端的外周边压在形成在金属外壳的内周面上的金属外壳下孔肩上。
所述的底盘分别与芯柱轴肩和金属外壳下孔肩的接触位置设置有用于防止磁流体外溢的环氧树脂胶。
所述的螺纹压盖为圆盘形结构，在中心部形成有用于套入压套的贯通孔，在外侧周面上形成有与所述的金属外壳的内螺纹连接的外螺纹，所述的圆盘形结构的上表面上相对称的形成有便于装配的两个夹盘孔。
本发明的一种磁流体陀螺，将磁流体充满一内外壁导电上下壁绝缘的流体通道，流体通道处于方向与输入敏感轴方向相同的强磁场中。当外界有与敏感轴同轴的角速度输入时，磁流体与流体通道产生相对运动，在磁场作用下流体通道内外壁上产生电势差，由检测系统处理后得到与输入角速度相关的信号。本发明基于新原理，结构新颖，没有固体移动部件，不存在机械磨损，因此具有高可靠性、高强度、长寿命的特点；环形结构设计极大降低了对振动加速度和交轴角速度的敏感，因此可以在强冲击等极其恶劣的环境下稳定工作；相对运动的工作原理使前级传感器带宽理论上没有上限，整个系统带宽上限仅由信号处理电路滤波环节决定，因此带宽很大（可超过1KHz）；前级传感器本身无需电源，只有信号处理电路需要供电，因此功耗小；此外该结构可以做到小体积、小重量、低成本。综上所述，该发明具备微角振动测量所需的特性。本发明的优点和有益效果具体如下：
1、本发明基于磁流体动力学效应(MHD)，是区别于机械陀螺（动力调谐陀螺，液浮陀螺，静电陀螺等）、光学陀螺（激光陀螺，光纤陀螺）、MEMS陀螺的的新型陀螺，是陀螺原理上的创新；
2、本发明结构新颖，没有固体移动部件，不存在机械磨损，因此具有高可靠性、高强度、长寿命的特点；
3、本发明中采用的环形流体通道结构极大降低了对振动加速度和交轴角速度的敏感，因此可以在强冲击等极其恶劣的环境下稳定工作；
4、本发明中采用的原理使前级传感器带宽理论上没有上限，整个系统带宽上限仅由信号处理电路滤波环节决定，因此带宽很大（可超过1KHz）；
5、本发明中前级传感器本身无需电源，只有信号处理电路需要供电，因此功耗小；
6、本发明中流体通道有效宽度只需mm量级就可以得到足够的输出信号，因此本发明可以做到小体积、小重量。此外，本发明相比其它类型的陀螺（除MEMS陀螺外）均有明显的成本优势。
附图说明
图1是本发明的一种磁流体陀螺的主视图；
图2是本发明的一种磁流体陀螺的俯视图；
图3是本发明的一种磁流体陀螺中的压套的结构示意图；
图4是本发明所述的一种磁流体陀螺的工作原理示意图；
图5是本发明所述的一种磁流体陀螺的幅频曲线及相频曲线。
图中：
1：金属外壳                      2：内螺纹
3：螺柱孔                        4：永磁体
5：敏感轴                        6：密封套
7：密封圈                        8：流体通道
9：磁流体                        10：芯柱
11：内电极孔                     12：压套
13：金属外壳下孔肩               14：芯柱轴肩
15：螺纹压盖                     16：外电极孔
17：金属外壳上孔肩               18：夹盘孔
19：磁感线
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种磁流体陀螺做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的一种磁流体陀螺，包括有金属外壳1，所述的金属外壳1的外底部形成有向内凹进的螺柱孔3，方便将磁流体陀螺100固定在被测载体上，螺柱孔轴线与磁流体陀螺100的敏感轴5重合。所述的金属外壳1外形为圆柱体，在该金属外壳1的内周面上与下面所述的压套12和所述的螺纹压盖15相对应处，分别形成有金属外壳下孔肩13和金属外壳上孔肩17，下面所述的压套12底端的外周边压在所述的金属外壳下孔肩13上，下面所述的螺纹压盖15的外周边压在所述的金属外壳上孔肩17上。所述的金属外壳1材料应选用具有高饱和磁通密度的软磁材料，可选择铁钴合金（尤其钒铁钴合金）或铁镍合金，这样可以避免壳体内部传感部分受到外界电磁干扰影响，同时又可以配合永磁体4构成闭合磁路。
所述的金属外壳1的内部设置有：
永磁体4，所述永磁体4的底部连接在金属外壳1的内底面上。永磁体4的材料应选用可以提供强磁场的永磁材料，作为一种优选实施方式选用钕铁硼。永磁体4的形状为圆盘形，可以北极面紧贴金属壳体1的底部也可以南极面紧贴金属壳体1的底部，这只会影响输出信号的极性。
密封套6，所述密封套6设置在永磁体4上，并包裹住所述永磁体4的外周边，所述密封套6的外周边设置有密封圈7；如图1所示，所述的密封套6为圆盘形结构，在该圆盘形结构的底部形成有凹槽，所述的永磁体4嵌入在该凹槽内，并与密封套6为过盈配合，在该圆盘形结构的侧周面上形成有向内凹进的一圈凹槽，所述的密封圈7嵌入在所述的该一圈凹槽内，防止磁流体9流入缝隙与永磁体4接触。密封套6的材料应选用抗冲击、高硬度且化学性质稳定的绝缘材料，作为一种优选实施方式选用聚碳酸酯。
芯柱10，所述芯柱10的底端面连接在所述密封套6上端面的中心部，即紧压在密封套6正上方，在所述芯柱10的上端面，沿轴向向内凹进的形成有内电极孔11；如图1所示，所述的芯柱10为二轴段的阶梯形结构的轴，即在芯柱10的外周面上形成有用于支撑下面所述的压套12的芯柱轴肩14。芯柱10的材料与金属外壳1的材料相同，芯柱10上的内电极孔11，用于取出流体通道8内壁的电位信号。
压套12，所述的压套12轴向形成有贯通孔，并通过该贯通孔套在所述的芯柱10的外周，所述的压套12的底端面与所述的密封套6的上端面之间形成有流体通道8，所述的流体通道8内设置有磁流体9；如图1、图3所示，所述的压套12包括有底盘121和一体垂直的形成在底盘121中心的套柱122，沿所述的底盘121和套柱122的轴向形成有上下贯通的用于套入芯柱10的贯通孔123，所述底盘121底端的内周边压在形成在芯柱10外周面的芯柱轴肩14上，所述底盘121底端的外周边压在形成在金属外壳1的内周面上的金属外壳下孔肩13上。压套12是用于阻隔芯柱10与螺纹压盖15，防止流体通道8的内外壁短接，其材料与密封套6相同。在压套12与芯柱10和金属外壳1的接触位置（芯柱轴肩14、金属外壳1的金属外壳下孔肩13）涂抹环氧树脂胶防止磁流体9外溢。
流体通道8为一环形通道，其中心轴线与磁流体陀螺100的敏感轴5重合。流体通道8的外壁为金属壳体1，下壁为密封套6，内壁为芯柱10，上壁为压套12。流体通道8内部充满小粘度、高电阻率的磁流体9，作为一种优选实施方式，磁流体9选用水银。
螺纹压盖15，嵌入在所述的压套12与所述的金属外壳1的内周边所形成的空间内，并与所述的金属外壳1的内周边螺纹连接，所述螺纹压盖15上相对称的设置有两个外电极孔16。如图1所示，所述的螺纹压盖15为圆盘形结构，在中心部形成有用于套入压套12的贯通孔，在外侧周面上形成有与所述的金属外壳1的内周边螺纹连接的外螺纹，所述的圆盘形结构的上表面上相对称的形成有便于装配的两个夹盘孔18。螺纹压盖15紧压在压套12与金属外壳上孔肩17上，并与金属外壳1的内螺纹2配合完成整个装置的密封。螺纹压盖15与金属外壳1的材料相同，两者由于螺纹配合具有相同的电位。螺纹压盖15上的外电极孔16，用于取出流体通道8外壁的电位信号。
所述的金属外壳1、螺柱孔3、永磁体4、密封套6、芯柱10、压套12和螺纹压盖15的轴线与该磁流体陀螺的敏感轴5在同一轴线上。
本发明的一种磁流体陀螺的工作原理如下：
磁流体陀螺工作原理基于磁流体动力学效应(MHD)，即导电流体速度场与磁场的耦合效应。如图4所示，当外界在磁流体陀螺100的敏感轴5方向有角速度ω输入时，永磁体4及流体通道8相对惯性空间产生角位移，而小粘度磁流体9惯性大，因此相对于惯性空间几乎静止，这样磁流体9和永磁体4产生的磁场间产生一个相对速度vq，磁流体9切割磁感线19在金属外壳1和芯柱10之间产生与ω成线性关系的动生电动势E，通过检测E就可以得到当前输入角速度ω。
在理想状态下，磁流体陀螺前级传感器传递函数为
E(s)ω(s)=BWrss+υ(1+H2)/h2]]>
其中：B为外磁场磁感应强度(T)；W为流体通道有效宽度，即W=ro-ri(m)；r为半径均方根，即υ为磁流体运动粘度(m2/s)；h为流体通道高度(m)；H为Hartmann常数，(无量纲)；ρ为磁流体密度(kg/m3)；η为磁流体电阻率(Ω·m)。
磁流体陀螺幅频和相频曲线如图5所示，磁流体陀螺前级传感器传递函数类似高通滤波器，理论上没有带宽上限，因此整个磁流体陀螺的带宽上限仅由信号处理电路的低通滤波环节决定，这也取决于整个信号处理电路的噪声抑制程度。为了获取尽可能高的带宽上限，磁流体陀螺信号处理电路前级放大应采用分立元件搭建，采用集成运放完成第二级放大，低通滤波将电路噪声限制在相对所需分辨率可接受的范围内。