高精度石英挠性加速度计闭环系统的设计与分析

探讨了石英挠性加速度计的分辨率影响因素,提出了一种对现有石英挠性加速度计的改进设计.根据重力梯度测量对加速度计分辨率的要求,推导出摆片的固有频率,然后使用有限元方法重新设计加速度计的摆片结构.另外,为了降低加速度计的机械热噪声,对表头抽真空,通过加入比例-微分环节对加速度计的控制回路进行阻尼补偿.计算出系统的开环传递函数,并对其进行动态性能仿真分析.分析结果表明:加速度计系统通过在系统前向通道添加比例微分环节能够补偿系统的阻尼,消除加速度计在固有频率处的振荡,使加速度计闭环后处于临界阻尼状态并保持系统的稳定性.改进后加速度计的系统带宽为515Hz,响应时间为3.7m s,分辨率达到10-10g,能够满足高精度测量的需要.

高精度石英挠性加速度计的温度场分析

利用有限元方法研究加速度计内部的温度分布,探讨了影响温度分布的因素,通过对温度误差的分析,阐述了提高加速度计力矩器标度因数稳定性的有效途径。结果表明:加速度计内部的温度传递以热传导为主,结构对称的两部分出现温度分布的不对称,导致变形也不对称;空气和辐射条件对反馈线圈的温度影响较大;外部电路和环境温度对壳体和磁路各组件影响较大,为高精度石英挠性加速度计的设计提供理论依据。

基于Wiener过程的高精度石英挠性加速度计贮存可靠性评估

如何利用历史的性能检测数据对高精度石英挠性加速度计的贮存可靠性进行评估是迫切需要解决的问题。本文建立了高精度石英挠性加速度计性能参数基于Wiener过程的可靠性评估模型,给出了模型参数的极大似然估计,并以某型高精度石英挠性加速度计为例进行了贮存可靠性评估,得到该型高精度石英挠性加速度计可靠度为0.9的贮存寿命为17年,验证了该方法的实用性。

一种高精度石英挠性加速度计自动测试系统设计

石英挠性加速度计(简称石英加表)作为惯性平台的核心器件,其精度、可靠性是国内外研究的重点。该文研发了一套加速度计自动测试系统,采用强制均温和半导体制冷片调温的温控仪实现了采样电阻的精确温控,可针对不同采样电阻对测试精度的影响,应用采样电阻补偿算法,有效提高了温度稳定性和采样测量精度。经试验验证,采样电阻最小误差为百万分之4.3,可控采样电阻温度变化小于0.02℃,输出最大温度漂移为0.01 V,满足实际工程需求。

石英挠性加速度计量程提高技术研究

为提高石英挠性加速度计的量程,分析了石英挠性加速度计量程受限机理,确认电磁反馈力与质量摆质心不重合是加速度计量程受限的主要原因。在此基础上,采用减小加工与装配误差和提高质量摆抗扭刚度的方法来提高石英挠性加速度计量程,并通过样机验证了该技术措施的有效性。

石英挠性加速度计摆片特性仿真研究

通过优化挠性梁的结构厚度来探究结构变化对石英挠性加速度计的摆性、固有频率、谐响应和过载特性的影响,利用有限元Ansys分析软件进行仿真,得出摆片关键约束因素挠性梁厚度在0.03 mm时,摆片灵敏度最高,一阶固有频率也就是工作频率为23.076 Hz,挠性梁端部最大形变为0.75398 mm,最大应力为23.978 MPa。该研究为后续的适用于重力梯度测量的超高灵敏度石英挠性加速度计的研究与优化改进奠定基础。

基于TEC的石英挠性加速度计组件一体化温控结构热设计

在高精度惯性导航系统和捷联惯导重力测量系统中,石英挠性加速度计组件的温控精度直接影响系统的导航和重力测量精度。为保证加速度计工作环境的温度稳定性,设计了基于半导体制冷器(Thermoelectric Cooler, TEC)的石英挠性加速度计一体化温度控制系统。对系统硬件结构和热特性进行了分析,完成了相关组件的热力学建模、仿真分析和结构优化,并设计了常温及变温环境下的温控实验。相关结果表明,一体化温控系统在2 h室温环境下,加速度计组件温度波动峰-峰值优于0.006℃;在最高10℃/h的快速变温环境下,系统3 h温度控制波动峰-峰值优于0.006℃,加速度计表头温度波动峰-峰值优于0.03℃。对比温控关闭状态下的实验结果,温控开启时,加表输出稳定性及输出精度分别得到了34.2倍和37.6倍的提升。相关结果表明系统有较好的鲁棒性和温控精度,可以满足多种应用环境下的加速度计组件温控应用需求。

石英挠性加速度计力矩器仿真建模与优化设计

石英挠性加速度计中磁场性能直接影响加速度计输出精度,而力矩器是影响加速度计内部磁场的关键。因此,以石英挠性加速度计中力矩器为研究对象,采用等效磁路方法建立含补偿环元件的力矩器工作气隙磁场数学模型,以此为基础分析工作气隙磁场均匀性和磁场强度等性能,并采用多参数优化方法对力矩器系统进行整体优化。仿真结果表明,优化模型有效提升力矩器工作气隙磁场均匀性,磁场轴向极差ΔB_(R)由386.3396 mT缩小至108.2755 mT,端点极差ΔB_(D)由217.8894 mT缩小至2.1934 mT,线圈位置气隙轴向磁场几乎保持对称,从而降低加速度计输出非线性,验证了优化方案的可行性。

基于卷积神经网络的冗余高精度加速度计导航系统研究

惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)是为各类运载体平台在GPS拒止环境下提供自主导航的关键技术。然而,现有的INS存在误差累积问题,影响其长期导航精度。为增强INS的准确性,本文通过引入高精度加速度计并利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)提出一种新型基于卷积神经网络的冗余高精度加速度计导航系统,该系统优化了误差预测和反演校正能力,显著提高了导航精度。实验结果证明,该系统在减少误差累积和提高长期导航稳定性方面优于传统INS方法。

基于高精度A/D的石英挠性加速度计数据采集的设计

主要针对捷联惯导系统中对加速度计信息处理的高精度要求,介绍了基于高精度A/D的对石英挠性加速度计数据进行采集的设计,完成了系统的软、硬件设计。设计采用了高精度A/D转换芯片AD7691和FPGA芯片XC3S500E来完成系统功能,在详细阐述硬件设计的基础上,对软件设计进行了相应的介绍。

高精度石英挠性加速度计力矩器磁路仿真分析

针对石英挠性加速度计标度因数非线性误差主要来源于力矩器磁路性能非线性及不同温度下加速度计参数随力矩器中永磁体磁性能变化产生漂移的问题,建立了力矩器的1/4二维有限元分析模型,对使用新型永磁体加速度计力矩器磁路进行计算,得到了不同结构下工作气隙磁密分布规律及不同温度下工作气隙磁密的温度系数。依据仿真结果,优化设计后的气隙磁密线性长度增加了72%,实测数据证明该方案加速度计的二阶非线性误差优于5×10^(-6),同时该方法为仿真计算加速度计标度因数的温度系数提供了新思路。

石英加速度计的高分辨率大量程I/F转换电路

针对石英挠性加速度计I/F转换电路存在高分辨率和大量程相互矛盾的问题,对影响I/F转换电路的分辨率和量程的主要原因进行了分析,提出了一种新型I/F转换电路的设计方法。该方法在电路结构上,额外增加2路比较器,对小电流信号的极性进行判断,通过设置时间内的积分电压是否达到门限电压来区分大、小电流,并对大、小电流分别执行不同的解算程序。结果表明:该方法解决了原有I/F转换电路存在的高分辨率和大量程相互矛盾的问题,提升了石英挠性加速度计I/F转换电路在小电流下的分辨率。

基于电容检测的高精度大量程MEMS加速度计设计

为满足系统在导航和倾角测量等领域对高精度、大量程加速度计的应用需求,设计了一种高精度、大量程微机电系统(MEMS)加速度计。加速度计敏感结构采用梳齿式结构,电容/电压(C/V)转换电路采用开关电容架构,通过斩波技术和相关双采样技术有效降低调理电路的1/f噪声。为提高系统线性度,模/数转换器(ADC)采用2阶1 bit Sigma-Delta架构,同时采用斩波技术降低ADC的失调及1/f噪声。本文设计采用0.18μm BCD工艺,调理电路面积为28 mm^(2)。测试结果表明:MEMS加速度计在±50 gn的量程下,零偏稳定性达到73.7μg,非线性度为69.3×10^(-6),总功耗110 mW。

一种高精度加速度计数字采集电路设计

针对高精度惯性导航装置的需求,设计了一种高精度加速度计数字采集电路。电路采用单恒流源技术降低了电路功耗,采用温度补偿技术提高电路性能,采用FPGA数字集成技术提升电路可靠性。通过对电路的稳定性、线性度、对称性、温度特性等指标的测试,电路稳定性不大于6×10^(-6),线性度和对称性均不大于15×10^(-6),温度系数小于0.5×10^(-6)/℃,该电路性能良好,可满足高精度惯性导航装置工程应用需求。

多方向振动测试的石英挠性加速度计高阶误差系数辨识

高精度的误差系数可准确评价加速度计的精度与性能,从石英挠性加速度计误差模型入手,对其进行多方向振动测试试验,利用总体最小二乘(TLS)算法辨识加速度计模型方程中的高阶误差系数,建立较高精度的加速度计数学误差模型。为验证算法的有效性及所实施试验的可靠性,和传统重力场多点测试辨识加速度计参数方法作对比,同时,提出误差系数和决定系数两个指标来评价振动测试的辨识效果。结果表明:采用多方向振动测试结合总体最小二乘算法方案所辨识出加速度计高阶误系数精度较高,在实践中具有较好的借鉴意义。

石英挠性加速度计阻尼参数闭环检测方法

石英挠性加速度计作为一种高精度惯性测量传感器,被广泛用于航天器姿态控制及惯性导航中。在石英挠性加速度计设计时,摆组件在腔体内的阻尼系数是一项重要的参数。与摆组件的转动惯量及挠性梁刚度等参数不同,阻尼系数与摆片的表面积、摆组件工作间隙、大气压强等多种因素相关。为了获取石英挠性加速度计正常工作状态下阻尼特性参数,研究了一种基于系统闭环频率响应的阻尼系数测量方法。利用水平振动台获取石英挠性加速度计幅频特性曲线,采用最小二乘参数拟合的方法对石英挠性加速度计阻尼特性参数进行辨识。利用辨识得到的阻尼系数进行仿真,并绘制幅频特性曲线与实际采样输出比对,验证了基于系统频率响应的闭环测量方法有效可行。

石英挠性加速度计单表测试的创新与实践

从石英挠性加速度计的单表测试方法展开,对石英挠性加速度计单表的偏值(零偏)、标度因数(刻度因子)、二阶非线性系数、非线性、不对称性等进行测试计算。上述测试都是基于1g重力场试验,对测试方法进行优化和提炼,对理论公式加以验证。组合导航系统是卫星导航和惯性导航相结合的产物,而组合导航系统中的核心器件主要是加速度计和陀螺,随着国内外惯性器件研发、制造技术的不断进步,各种新材料、新技术、新工艺层出不穷,其中市场上加速度的种类繁多,选择适合的加速度计型号也变得格外重要。下面主要对加速度计的石英加速度计的温度补偿模型做适当探究。

高精度单晶硅挠性摆式加速度计组件的工程化实现

针对单晶硅挠性摆式加速度计的高精度工程化应用需求,设计了加速度计组件及温控系统。针对大多数温控系统工作时的瞬时电流较大问题,设计了一种带抽头的加热片,将温控分为粗温控和精温控两个阶段,不同阶段采用不同的加热电阻。测试结果表明,设定目标温度为60℃,当外界环境温度从5℃到55℃变化时,温控系统到温时间小于15 min,控温精度小于±0.1℃,精温控时的最大电流为粗温控时的33.4%。连续15天通电实验表明,该组件的加速度计刻度系数K1稳定性小于10×10^(-6),偏值K0稳定性小于10μg,满足各类高精度、工程化的应用需求。

高精度石英挠性加速度测量装置的结构设计与研究

加速度测量设备是现代水下航行器操纵控制系统中不可缺少的关键器件之一,其性能的好坏在整个系统中起着关键性的作用。本文首先介绍了石英挠性加速度测量装置的工作原理,然后针对磁场和温度变化影响石英挠性加速度计标度因数和零偏的稳定性问题,提出屏蔽结构设计和温度控制结构设计优化方案,并对优化效果进行预估计算。结果表明,经结构优化后加速度测量装置的测量精度明显提升。

高精度石英加速度计自适应采集系统设计

为了保证高精度石英加速度计输出精度,采用将加速度计输出分段的方式设计了一个高精度数据采集电路;首先,通过切换采样电阻对不同输出段信号进行采样;其次,设计了低通滤波器进行滤波;然后,进行了包括跨阻放大、低通滤波器、电源的详细电路设计以及关键元器件的选择;最后,进行仿真实验验证;结果显示该方法既充分利用A/D芯片的量程,保证精度,又能满足宽量程要求;采集电路最低精度在±8×10-5g以内,最高精度在±10-5g以内,满足高精度惯性导航的需要。