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。

石英挠性加速度计磁路仿真分析与优化设计

力矩器工作气隙磁性能是石英挠性加速度计磁路设计的关键。利用有限元分析软件ANSYS,对采用稀土永磁材料的力矩器磁路磁通分布进行了仿真分析,并在此基础上进行了磁路结构的优化设计,提出了一种锥形磁钢结构。有限元分析结果表明,锥形磁钢的磁路结构使工作气隙磁场更均匀,可提高加速度计的线性度。

验证石英加速度计误差模型的火箭橇试验

火箭橇试验具有产生大过载、高速度、强振动和冲击等综合条件的能力,可以在综合环境条件下对惯性测量装置的误差模型进行验证。文中主要针对高精度捷联系统中的石英加速度计,利用3Km火箭橇轨道,根据误差模型的特点以及误差系数的可观性设计了过载曲线和安装方式。分析了雷达测速不能满足外测精度的要求,对遮光板测速精度和定位精度分别进行了分析。遮光板测速对布点之间的最小距离有严格的限制,而定位的优点是对最小距离没有要求。从仿真结果来看,在外测采用遮光板时,测距精度对石英加速度计的误差系数分离置信度大于测速精度。因此,利用火箭橇试验验证石英加速度计误差模型时,应该采用遮光板的位置信息,遮光板的布点之间距离应尽可能小。

基于小波降噪与最小二乘估计的石英挠性加速度计模型辨识

石英挠性加速度计在惯性导航系统中具有重要作用,其使用精度影响着整个系统的精度。为提高加速度计的使用精度,对其进行了重力场静态翻滚测试,采用融合小波降噪与最小二乘估计的方法实现加速度计模型参数辨识。利用拟合残差标准差和系数估计的不确定度来评价辨识的效果,对重力场静态测试时加速度计两种安装方式下的测量信号进行了实验测试,并通过仿真实验来验证所采用方法的有效性。实验结果表明,所采用的方法获得的加速度计模型系数具有较高精确度。

惯性器件加速贮存环境性能变化规律及失效机理

目的研究惯性器件的加速贮存环境性能退化规律,分析失效薄弱环节及其失效机理。方法开展惯性器件的加速贮存试验,进行惯性器件的零偏、标度因数的检测,用扫描电子显微镜、红外显微仪、气-质联用仪等分析仪器,监测微观组织、结构损伤情况。针对石英挠性加速度计在加速贮存试验过程中的变化行为,分析温度环境因素对其损伤的微观作用机制,解释宏观性能退化内在原因。结果惯导系统中,石英挠性加速度计在加速贮存试验4个周期后,其零偏超出阈值范围。结论惯导系统中的薄弱环节为石英挠性加速度计的粘结剂。在加速贮存试验过程中,粘结剂中的增塑剂邻苯二甲酸二异辛酯(DEHP)发生分解生成挥发物,环氧树脂胶618的双酚A也少量挥发。当石英挠性加速度计从高温冷却至室温,检测宏观性能时,两种挥发物沿摆片移动至摆片底部,与力矩器镜面形成粘连,使摆片无法进行有效的工作(摆动)。

基于石英挠性加速度计的卫星微振动测量控制单元的设计

卫星微振动高精度测量与控制是评价卫星平台与遥感系统等有效载荷成像质量和高精度姿态指向的关键因素,石英挠性加速度计作为高精度加速度敏感传感器可应用于卫星在轨微振动监测。针对石英挠性加速度计,设计了一种测量与控制电路,作为在轨微振动测量系统的核心组成单元,用于微加速度信号的检测与调理、抗混叠滤波、数据同步采集、处理、存储和状态控制。实际测试表明其信号测量精度高,数据采集同步性好,工作稳定可靠。

石英加速度计二次项误差系数显著性分析

在捷联系统中广泛使用的石英加速度计误差模型大多采用的是低阶误差模型,为进一步提高加速度计测量精度,需要完善石英加速度计的误差模型,在模型中引入高阶项系数。针对石英加速度计的二阶模型,分别采用试验室静态标定和3km火箭撬动态标定两种试验方法对其进行了误差标定试验,并对标定出的误差模型进行显著性分析,结果显示对于二次项系数,火箭撬动态标定的结果显著,而静态标定结果不显著。从而证明火箭撬试验对于分离误差模型高阶项系数的优越性。

三轴一体石英挠性加速度计标定数学建模与误差分析

为了提高加速度计标定精度,针对三轴一体石英挠性加速度计确定性误差特性和工程安装特点,基于笛卡尔空间坐标系之间的转换,推导加速度计坐标系与载体坐标系之间的转换矩阵,建立三种石英挠性加速度计线性标定数学模型。仿真和导航实验结果表明:三轴一体石英挠性加速度计标定数学模型误差引起捷联惯性导航系统速度误差、位置误差和姿态误差,且姿态误差和位置误差包含常值分量;所有误差均包含舒勒周期振荡和傅科周期振荡,傅科周期振荡调节舒勒周期振荡。

石英挠性加速度计的压膜阻尼分析

石英挠性加速度计是导航与制导系统中常用的一种惯性元件,其表头阻尼影响加速度计的动态性能但相关研究却鲜有报道,基于此提出一种适用于石英挠性加速度计的压膜阻尼分析方法。根据石英摆片的形状和转动规律建立雷诺方程,采用时域有限差分方法在摆片上的非规则区域内求解压强分布和阻尼力矩,进而得到阻尼系数为1.69×10-4Nms/rad,对应阻尼比为12.75。计算阻尼比与系统参数辨识实验得到的阻尼比11.57相近,证明提出的压膜阻尼分析方法有效可行,该方法可以为石英挠性加速度计及类似惯性传感器中的阻尼分析与设计提供指导。

低频振动标准套组的研制

介绍了石英挠性伺服加速度计和研制的低频振动适调器组成了低频振动标准套组，在0．1～100Hz的振动频率范围内，能够把微弱、噪声较重的加速度信号，调理成信噪比较强、较稳定的信号。为低频振动加速度的量值复现、基标准装置的稳定性考核和量值溯源等提供了有力的保证，此标准套组还可广泛应用于其它低频振动测量领域。

石英挠性加速度计测量航天器微振动的方法

利用高精度石英挠性加速度计可以测量航天器低频微振动,同时也可实现航天器在轨微角振动的间接测量。针对航天器特点,结合石英挠性加速度计工作特性,提出用高精度石英挠性加速度计测量航天器微振动的方法,给出微振动加速度、角加速度、角速度和角位移的不确定度分析,根据测量原理给出了各影响因素对测量合成不确定度的计算方法和分析结果。针对卫星敏感载荷的刚体平面测试环境,设计8个加速度计测点布局,开展了整星试验。试验数据分析表明:石英挠性加速度计可准确测量航天器的低频微振动(200 Hz以内),其直接测量和间接测量结果满足测量应用需求,线加速度测量分辨率为5μg,角位移测量分辨率为0.015″。

石英挠性加速度计温度补偿算法

石英挠性加速度是惯性导航系统核心的惯性器件之一,其输出精度受到温度变化的影响,为了降低温度对石英挠性加速度计精度的影响,在研究石英挠性加速度计数学模型的系数随温度变化规律的基础上,设计了加速度计温度模型辨识试验方法,利用数据拟合方法建立了加速度计温度模型。应用该模型提出了石英挠性加速度温度补偿算法,针对该算法的有效性,进行了实验验证,结果表明应用该温度补偿算法,可使加速度计的测量精度提高一个数量级,补偿效果明显。该温度补偿算法可有效地应用于捷联式惯性导航系统等领域中。

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。

加速度计信号奇异值分解滤波与参数辨识

针对石英挠性加速度计模型参数辨识的噪声影响问题,采用奇异值分解技术实现测量信号的滤波降噪处理,再结合总体最小二乘算法实现模型参数的高质量辨识。以重力场下的多齿分度台为测试分析平台,利用样本熵和统计参数定量评价辨识效果。试验结果表明,奇异值分解技术能有效去除信号中的噪声干扰,且通过降噪信号获得的模型系数稳定性较好。所采用方法有效地实现了加速度计参数辨识分析,可用于其性能质量评价。

石英挠性加速度计抗恶劣环境能力的分析

采用机电分析动力学的研究方法，通过建立加速度计的机电系统拉格朗日－麦克斯韦方程，得到了反映机电耦合关系的电磁刚度和电磁阻尼．在此基础上，根据结构的有限元应力分析结果，讨论了加速度计抵抗外界振动。

加速度计信号的小波形态滤波与样本熵分析

针对石英挠性加速度计的测量精度会受到噪声的影响而降低的问题,采用融合小波分析和数学形态学的方法对测量信号进行降噪处理。在采用统计参数的同时,提出了将样本熵复杂度指标用于降噪效果的评价参数,并分别在重力场静态条件和离心机动态条件下进行试验测试。试验结果表明,所采用的方法能有效去除加速度信号中的噪声,同时较好地保留了原始信号的主要特征,且样本熵能够有效描述加速度信号的复杂度和稳定性。

基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法

针对温度变化引起的惯导系统中石英挠性加速度计测量误差,提出了一种基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法。首先,建立包含温变速率影响的温度误差模型,利用标定惯导系统加速度计参数时的温度作为标定参数温度基准。其次,借助不带转台的温箱对惯导系统进行全温测试,通过同一方位前后时间段加速度计输出的差分消除未知的比力真值,只保留由于温度改变引起的标度因数与零偏变化,通过多位置观测对这两项参数进行最小二乘拟合估计,获得对应温度系数。该方法不需要温箱具备高精度定位基准,能够实现全温范围与快速变温工作条件下温度误差的精确建模。试验结果表明,应用该补偿方法可使加速度计测量精度在全温范围内保持在10μg量级。

加速度计参数长期稳定性多尺度混合建模与预测

针对温度、振动等环境载荷导致石英挠性加速度计参数随着时间发生非线性变化,难以进行准确描述的问题,提出一种加速度计参数长期稳定性多尺度混合建模方法,并利用所建模型对参数变化进行预测。首先,采用经验模态分解对参数长期变化序列进行多尺度分解,使其平稳化以降低其复杂度,为多尺度混合建模奠定基础;然后,在单核向量机的基础上,应用多核最小二乘支持向量机数据拟合算法,以提高多尺度混合建模算法的准确性与适应性;而且为了提升多核向量机的性能,设计一种自适应人工鱼群寻优算法对多核向量机的相关参数进行寻优;最后,建立石英挠性加速度计参数长期稳定性模型,并通过实例进行模型适用性验证与预测性能验证。结果表明,所提出的建模方法相比于传统最小二乘方法,模型更加精确,预测精度更高,零偏K0与标度因数K1的预测均方根误差分别降低了88.65%、86.49%。