静电加速度计标度因数和零偏误差标定

为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合非线性Batch估计算法,研究了静电加速度计标度因数和零偏误差标定。首先,充分考虑静电加速度计量测过程中可能出现的各种误差源并进行分析,建立了静电加速度计在动态设计良好并进入稳态后,卫星姿态稳定度优于0.01°/s,卫星质心保持精度优于2mm的情况下的量测模型。然后,将高精度地球引力场模型和静电加速度计量测数据代入非线性Batch估计算法的的动力学方程中,将GPS量测数据代入非线性Batch估计算法的量测方程中,建立了静电加速度计标定因数和零偏误差标定模型。最后,通过数学仿真验证了该方法的可行性,其标定精度可达到0.2%,具有一定工程应用参考价值。     

加速度计的离心加速度场翻滚校准方法

针对现有加速度计校准方法的不足,提出了一种在大于1g的离心大加速度激励下加速度计的多位置翻滚校准方法。建立了加速度计在离心加速度场翻滚校准的数学模型,研究了加速度计的离心加速度场翻滚校准方法,给出了离心加速度场翻滚校准步骤,并采用石英加速度计进行了离心加速度场的十二位置等多位置翻滚校准试验,获得了大g值激励下加速度计的安装误差、交叉耦合系数等模型方程系数。采用本方法进行校准,校准状态更接近加速度计实际使用状态,因而校准获得的模型方程系数用于修正后,将提高加速度计的测量精度。     

两位置法快速测定近钻头惯性测量模块的温漂模型

近钻头惯性测量模块(Near-bit Inertial Measurement,NIM)用于石油钻井中实时测量导向外套的姿态角,是导向钻进闭环控制中的重要组成部分。它采用三轴加速度计组合测量重力加速度实现姿态角测量。为了提高加速度计在工作温度范围内的测量精度,需对其进行温漂模型标定。针对三轴加速度计组合的传统12位置翻滚温度模型测定方法存在耗时长、操作效率低的局限性,提出一种新的加速度计三轴组合温度模型标定方法——两位置法,并通过实验验证了温度补偿的效果。在10℃~150℃的温度范围内,补偿后加速度的测量精度达5×10~(-4)g,完全满足NIM测量姿态角的要求。     

惯性测量组件整体标定技术

研究了惯性测量组件中陀螺与加表的标度系数、零偏、安装耦合误差等的标定问题。建立了陀螺与加表的输入输出模型,提出了在三轴摇摆转台上利用六位置试验法对加表标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法;提出了在三轴摇摆转台上利用正负对称的多组速率试验法以及最小二乘法对陀螺标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法,以及利用六位置试验对陀螺与g有关量进行标定的方法。详细介绍了组件输出参数的测量方法并推导误差计算公式。理论分析表明,该方法可在三轴转台上通过位置与速率试验一次性标定出测量元件的相关误差,具有一定的工程应用价值。     

一种冲击加速度计校准新方法

冲击加速度计校准的传统方法有绝对法、相对法和比较法。综合相对法和比较法的优点,提出了一种校准冲击加速度计的新方法类比法。其标准加速度传感器可采用绝对法直接溯源到国家基准,并在同条件冲击作用下通过标准加速度传感器和被校加速度传感器互换,根据冲击力或动应变测量结果对被校加速度传感器幅值灵敏度、线性度与频率响应等技术参数进行校准,从而弱化了冲击力或动应变测量结果对冲击加速度校准的影响,测量准确度高。     

基于遗传算法的加速度计免转台标定方法

针对现有的加速度计标定方法依赖于昂贵的仪器设备,导致标定成本高,提出一种低成本、操作简单的加速度计免转台标定方法。该方法通过对原始数据进行预处理,将标定问题转化为优化问题,采用遗传算法进行最优化求解得到补偿参数。通过对比试验得到:两种方法的标定相对误差在0.5%(标度因素)、3%(零偏);两种方法标定后通过加计姿态角提取的水平角误差在0.2°左右。结果表明,加速度计通过该方法经过补偿后,能够得到与传统转台标定方法相同数量级的测量精度,该方法可以有效替代传统标定方法,简化标定步骤,降低标定成本,具有重要的理论及使用价值。     

激光陀螺捷联惯导系统尺寸效应参数标定与优化补偿

提出一种捷联惯导系统尺寸效应标定补偿方法,先标定出捷联惯导系统中每个加速度计相对于三轴转台回转中心的杆臂参数,再基于尺寸效应误差最小原则,对载体坐标系原点位置进行优化,得出相应的尺寸效应参数。对于零偏稳定性优于2×10^-5g的加速度计,杆臂参数与尺寸效应参数标定重复性优于0.2mm。将载体坐标系原点置于三轴转台回转中心,以重力加速度g为基准验证标定补偿效果,转台匀速转动情况下,补偿后10min平均偏差小于2×10^-6g。根据激光陀螺角增量采样值求出角速度和角加速度,对惯导实验中的尺寸效应进行补偿,在转台角运动条件下纯惯性导航1h定位误差由尺寸效应补偿前的1600m减小到补偿后的300m以内。     

高精度加速度计分辨率的动态估算方法

高精度定位定向系统和重力测量系统需要高分辨率的加速度计,传统测试方法难以确定高精度加速度计的分辨率。对此,提出了一种使用双轴转台动态估算加速度计分辨率的方法,即匀速旋转调制法。将加速度计安装在双轴转台台面上,待转台调平,台面绕倾斜轴转过一个小角度后锁死,回转轴以一定的角速度旋转调制以对重力加速度分量进行细分,将加速度计的输出采样后进行FFT低通滤波,通过加速度计峰值与谷值处输出变化最大值的分析可以确定加速度计的分辨率。最后,对某型加速度计分辨率进行了实验验证,测试结果表明,当倾斜角度为0.001°,旋转调制角速率为10(°)/s,采样率为32 Hz时,输入的加速度最大变化为9.36×10-8g,加速度计敏感到的加速度变化量为1.05×10-7g。     

精密离心机主轴回转误差对加速度计输入精度的影响

介绍了用4个位移传感器法测试精密离心机主轴径向回转误差和倾角回转误差的方法，计算了主轴回转误差中一次谐波，它包括圆锥运动和一次谐振运动，对一次谐波如何影响精密离心机中的向心加速度及其在加速度计坐标系下的分配作了详细分析，同时对重力加速度分配的影响也作了详细的分析。最后得出了被测加速度计的输入加速度的平均值的补偿方法，进一步提高了加速度计的输入精度。通过对离心机主轴回转误差运动的检测和测试，定量分析了对加速度计输入精度的影响，有助于提高加速度计的标定精度。     

外场条件下激光捷联惯组多位置标定方法精度分析

从标定算法误差和位置编排对标定精度的影响两个方面对外场激光惯组多位置标定方法的标定精度进行了分析。证明多位置标定中由粗对准姿态角代替精确姿态角所产生的误差为二阶小量,而对加表等效天向误差和陀螺等效北向误差的估计误差会直接影响标定精度。数学仿真表明对于加表零偏10-4g,加表标度因数10-4和陀螺零偏10-2 deg/h数量级的激光惯组,该多位置标定方法的估计精度高于相应误差参数本身2个数量级,说明该方法具有较高精度。在优化位置和非优化位置条件下,多位置标定方法精度的仿真结果在同一个数量级,说明该多位置标定方法对位置编排不敏感。     

高g值加速度计的设计与冲击特性分析

针对特殊场合的测试需求,设计了四端全固支的高过载梁岛结构加速度计;利用Hopkinson杆冲击校准装置对该加速度计的动态特性进行了测试。测试结果表明,传感器的灵敏度为1.2V/g,线性度5%左右;结构受到2105g冲击后完好且输出信号正常,能有效满足高冲击、强烈振动场合的特殊测试要求,可以应用于侵彻系统。 更多还原     

静电加速度计悬浮质量块质心偏移量在轨标定

高精度静电加速度计已广泛地应用于航天任务中,用于测量作用于航天器的非引力加速度。如果静电加速度计悬浮质量块的质心与航天器的质心安装有偏差时,重力梯度力、姿态耦合产生的干扰加速度,静电加速度计控制系统引入的干扰加速度等干扰力会夹杂在测量数据中。针对这一问题,研究了航天器小质量特性变化情况下,当静电加速度计处于动态设计良好并进入稳态后,利用静电加速度计、陀螺仪和磁强计作为敏感元件,基于非线性卡尔曼滤波理论的静电加速度计悬浮质量块质心偏移量的在轨标定。仿真结果表明,该方案的精度J向可以达到0．1mm,Y和Z向能达到0．04mm。     

On the directional approach in constitutive modelling: A general thermomechanical framework and exact solutions for Mooney–Rivlin type elasticity in each direction

In order to represent process-induced anisotropies in continuum mechanics or to transfer one-dimensional material models to three spatial dimensions the directional approach is a helpful technique. Since the essential equations are defined in the orientation space it is also denoted as microsphere approach. In the current article, the relation for the directional stress tensor of the second Piola–Kirchhoff type is motivated using the volumetric/isochoric split of the deformation gradient and the Clausius–Duhem inequality. Owing to inherent nonlinearities, numerical discretisation techniques are usually applied to calculate the total stress by averaging the directional stress tensors over the unit sphere. In order to investigate the accuracy of such simulations, the availability of exact solutions in closed form is essential. To this end, the tension/compression behaviour which belongs to a certain direction in the orientation space is modelled by an elasticity relation of the Mooney Rivlin type. The exact solutions are calculated, visualized and discussed for uniaxial tension and compression as well as for equibiaxial tension.     

翘翘板摆式MEMS加速度计振动整流误差

MEMS加速度计凭借其体积小、成本低、可靠性高及可批量生产等优势,已经在战术级精度的武器领域得到了广泛应用。但是,在振动环境下的输出误差(振动整流误差)成为其向导航级精度发展的主要指标瓶颈。为了减小MEMS加速度计的振动整流误差,对传感器芯片结构不对称性和电路零位误差引起的力矩器结构非线性进行了理论分析,然后按照振动法测非线性的方式对上述误差源引起的系统级误差模型进行了仿真试验验证,确定了各误差源与加速度计非线性系数间的影响关系。最后,对主要误差源(电路零位)优化前后的MEMS加速度计振动整流误差和非线性系数进行了测试对比,结果表明:优化后,在50~1500 Hz频率范围内MEMS加速度计二阶非线性的最大值可由1E-4g/g~2降至5E-6g/g~2。     

三维机织复合材料的弹性性能预报模型

建立了基于等效响应比拟技术的三维机织复合材料弹性性能预报模型．首先将三维机织物的结构单元分解为4个子元(经纱、纬纱、填充纱和接结纱),用几何模型去估算这些子元的体积分数．然后依据不同的外载形式,将复合材料的应力-应变关系等效地表达为3组诸子元所组成的三维弹簧网络．根据刚度系数的物理意义,采用不同的弹簧网络连接形式,并按体积平均化方法获得材料总体刚度矩阵中相应的刚度系数,进而计算得到三维机织复合材料的9个弹性系数．该模型考虑了层内交织经纱、层间交织接结纱的弯曲以及材料内部纯树脂区对三维机织复合材料弹性性能的影响．试验结果与模型的理论预测值进行比较,表明这个模型是有效的。     

加速度计贮存寿命与可靠性的步进应力加速退化试验评估方法

针对加速度计长期贮存环境下贮存可靠性无法准确快速评估的难题,应用步进应力加速退化试验方法快速评估某加速度计的贮存可靠性。首先对加速度计实施故障模式影响及危害性分析和故障树分析,确定敏感应力为温度应力,加速模型为阿伦尼斯模型。其次,对其实施步进应力加速退化试验,并建立数学模型拟合其在各温度应力下性能退化曲线,结合失效阀值求解各样本的伪寿命。通过对各应力水平下样本的伪寿命进行分布假设检验,确定其贮存寿命服从威布尔分布,最终利用加速模型外推正常温度下的寿命分布参数,进行正常温度下贮存期寿命和可靠性指标的评估,得到加速度计在贮存140 160 h(16 a)时的可靠度为0.988。     

Remodeling of biological tissue: Mechanically induced reorientation of a transversely isotropic chain network

A new class of micromechanically motivated chain network models for soft biological tissues is presented. On the microlevel, it is based on the statistics of long chain molecules. A wormlike chain model is applied to capture the behavior of the collagen microfibrils. On the macrolevel, the network of collagen chains is represented by a transversely isotropic eight chain unit cell introducing one characteristic material axis. Biomechanically induced remodeling is captured by allowing for a continuous reorientation of the predominant unit cell axis driven by a biomechanical stimulus. To this end, we adopt the gradual alignment of the unit cell axis with the direction of maximum principal strain. The evolution of the unit cell axis’ orientation is governed by a first-order rate equation. For the temporal discretization of the remodeling rate equation, we suggest an exponential update scheme of Euler-Rodrigues type. For the spatial discretization, a finite element strategy is applied which introduces the current individual cell orientation as an internal variable on the integration point level. Selected model problems are analyzed to illustrate the basic features of the new model. Finally, the presented approach is applied to the biomechanically relevant boundary value problem of an in vitro engineered functional tendon construct.     

A Study of the Influence of Calibration Uncertainty on the Global Uncertainty for Digital Image Correlation Using a Monte Carlo Approach

Stereo digital image correlation (DIC) is now a standard measurement technique. It is, therefore, important to quantify the measurement uncertainties when using it for experiments. Because of the complexity of the DIC measurement process, a Monte Carlo approach is presented as a method to discover the magnitude of the stereo-DIC calibration uncertainty. Then, the calibration errors, along with an assumed sensor position error, are propagated through the stereo-triangulation process to find the uncertainty in three-dimensional position and object motion. Details on the statistical results of the calibration parameters are presented, with estimated errors for different calibration targets and calibration image quality. A sensitivity study was done to look at the influence of the different calibration error sources. Details on the best approach for propagating the errors from a statistical perspective are discussed, including the importance of using a “boot-strap” approach for error propagation because of the covariance of many of the calibration parameters. The calibration and error propagation results are then interpreted to provide some best-practices guidelines for DIC.     

安装误差角引起的加速度计旋转误差建模

在导航过程中惯性平台绕方位轴旋转能够有效地调制陀螺的常值漂移,但加速度计安装坐标系和陀螺安装坐标系的不重合会导致加速度计零偏也被调制为一个变化量,因此需要建立其旋转误差模型进行补偿。针对平台惯导台体绕方位轴旋转时加速度计误差补偿的实际需要,建立加速度计由初始安装误差角引起的旋转误差模型。模型主要针对旋转过程中由初始安装误差角导致的加速度计和水平面之间的不重合度,模型包括角度叠加模型和单位矢量旋转模型。通过对两种模型仿真分析,表明角度叠加模型计算量小,并且能够满足实际误差补偿需要。     

A “telescopic” system in the calibration problem for strapdown inertial navigation systems

An algorithm for the bench calibration of strapdown inertial navigation systems is studied. This algorithm was developed at the Moscow Institute of Electromechanics and Automatics. A mathematical model for the calibration process is constructed. A method for representing the original calibration problem in the form of a standard estimation problem is proposed with the aid of a so-called “telescopic” system. On the basis of the original algorithm, a new calibration algorithm is constructed; this new algorithm allows one to improve the estimation accuracy for the parameters of accelerometer and gyroscope units. The maximum attainable estimation accuracy for these parameters is determined.