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。     

石英挠性加速度计温度建模和补偿

为降低环境温度对石英挠性加速度计测量精度的影响,从工程应用角度设计了加速度计温度建模试验环境和试验方法.为加速度计设计独立的温控装置,验证了加速度计温度特性具有重复性的基础上,在多个温度点下采用四位置翻滚试验对加速度计进行标定,利用线性拟合方法建立了加速度计零偏和标度因数的温度模型.应用该模型对加速度计进行温度补偿后,可使加速度计的测量稳定性精度提高5.55倍.将所建温度模型应用于捷联式惯性导航系统中,可有效提高系统的导航精度.     

外环干扰力矩对陀螺加速度计测试精度的影响

摆式积分陀螺加速度计的外环干扰力矩包括仪表外环轴的摩擦力矩和交叉轴加速度引起的交变力矩。作者分析了引起摆式积分陀螺加速度计外环干扰力矩的主要原因,提出一种在高精度三轴测试转台上分离摆式积分陀螺加速度计外环干扰力,测试摆式积分陀螺加速度计精度的试验方法。该试验采用三轴转台中环转动速度随动摆式积分陀螺加速度计外环进动角速度,同时摆式积分陀螺加速度计陀螺摆的输出轴在整个试验中保持水平,从而分离仪表外环干扰力的方案。通过对试验数据进行分析,得出外环干扰力的存在影响了摆式积分陀螺加速度计测试精度,为改善摆式陀螺加速度计工艺以提高摆式陀螺加速度计的测试精度提供了依据。     

重力梯度仪旋转加速度计标度因数匹配方法

旋转加速度计重力梯度仪为实现微弱梯度信号的测量,要求四个加速度计之间标度因数实时匹配。针对这一要求,在电磁加速度计工作原理的基础上,提出了标度因数外部粗调和在线调整的方法,设计了调整线圈并计算了不同位置相应的结果。仿真分析和实验结果表明,利用调整线圈可以实现加速度计之间的标度因数匹配。通过加速度计内部力平衡回路和外部反馈回路可以实现加速度计之间的标度因数在线实时匹配。     

一种基于双压电晶片的低噪声加速度计

针对航空矢量声纳浮标对低噪声、低成本、小体积惯性传感器的需求,研究了一种基于双压电晶片的双轴压差分式压电加速度计。首先从理论上分析了矢量水听器中加速度计的工作模式,基于压电加速度计自噪声模型,提出了利用双压电晶片与独立质量块结构实现低噪声加速度计的方法;通过有限元方法对加速度计的灵敏度和谐振频率开展优化设计,确定了加速度计各部件的结构参数;根据优化结果研制了一只加速度计样机及前置放大电路。样机测试结果表明,该压电加速度计整体尺寸为56 mm×56 mm×35 mm,一阶谐振频率约为7.4 kHz,两个轴向的灵敏度分别为1556 pC/g及1363 pC/g(100 Hz),横向灵敏度小于轴向灵敏度的2%。压电加速度计的自噪声为38 ng/Hz~(1/2)(1 kHz,等效噪声声压级为39 dB/Hz~(1/2)),低于零级海况下的海洋环境噪声。     

激光陀螺捷联系统高精度加速度计非线性模型参数标定

为克服激光陀螺捷联系统内减振变形引入的加速度计测量误差,建立以陀螺敏感轴为约束的IMU机体坐标系。针对零偏稳定性优于5×10?6g的高精度加速度计非线性项误差不可忽视的特点,提出加速度计非线性测量模型。基于角位置精度为5″的三轴转台,采取最小二乘分步辨识的思想,借助线性化方法,首先正交多位置转台转动辨识出加速度计的二次项系数,再倾斜转台多位置辨识出加速度计的交叉耦合项系数。实验结果表明,转台正交位置时,基于非线性模型的加速度计重力值测量误差的标准差减小至线性模型的9.38%,且3次实验得出的由模型二次项系数引入的测量误差的最大标准差为8.53×10?7g;转台倾斜位置时,基于非线性模型的加速度计重力值测量误差的标准差减小至线性模型的31.41%,且3次实验得出的由模型交叉耦合项系数引入的测量误差的最大标准差为1.14×10?6g,从而实现高精度加速度计的精确标定。     

旋转加速度计重力梯度仪误差分析

安装误差和加速度计标度系数的不匹配对旋转加速度计重力梯度仪的分辨率影响很大。为此,用线性微扰方法对旋转加速度计重力梯度仪的测量方程求取变分,得到重力梯度仪的误差方程;对误差方程进行分析,得到安装误差各项对重力梯度仪输出的影响;同时,给出含有加速度计性能参数的重力梯度仪的误差方程。以澳大利亚FALCON旋转加速度计重力梯度仪为例,具体给出径向距离误差、切向误差角等大小值。     

加速度计在精密离心机上的标定方法与误差分析

为了提高加速度计非线性误差系数在离心机上的标定精度,应对离心机的误差源进行准确地分析和有效地分离。首先,通过分析双轴离心机的误差源建立了相应的坐标系,利用齐次变换法推导了加速度计在离心机上的精确比力输入并建立了加速度计的标定模型。其次,分析了相应误差项对加速度计零偏、标度因子和非线性误差项系数的标定影响,设计了加速度计在离心机上标定时的误差分离方法。最后,通过实验对加速度计的误差模型系数进行了辨识。结果表明,该方法能够准确分离出失准角误差和偏心误差,非线性误差系数的标定不确定度量级为10~(-4),能够有效提高加速度计的标定精度。     

陀螺加速度计线振动台进动整周测试方法

为了提高陀螺加速度计在线振动条件下的标定精度,提出了陀螺加速度计在线振动台上的进动整周期的测试方法。该方法将陀螺加速度计正倒置安装后,在静态和线振动状态下分别测量陀螺加速度计进动整周期中的相关时间数据,计算出陀螺加速度计进动整周期的平均角速率,通过平均角速率与陀螺加速度计模型输出间的积分关系,推导出了陀螺加速度计在线振动台上的标定误差模型,辨识出了加速度计的零偏、标度因子、二次项系数和三次项系数。该方法抑制了陀螺加速度计输出的平均角速率误差,能够提高陀螺加速度计在线振动台上测试的精度。最后进行了算法验证,验证了该方法能够准确的辨识出加速度计的各项误差模型系数,辨识精度达到10?7,提高了陀螺加速度计在线振动台上的标定精度。     

基于顺序统计量的加速度计恒加寿命试验优化设计

针对模型参数先验信息未知下的加速度计恒加寿命试验优化设计方法缺乏的问题,提出了一种加速度计恒加寿命试验的优化设计方法。首先,分析了加速度计的加速寿命预实验结果,并初步制定加速度计的加速寿命试验方案;而后,基于顺序统计量和整体线性无偏估计理论,以每个应力水平下的样本分配为设计变量,同时以加速度计在正常应力水平下中位寿命估计值的方差最小和模型参数的协方差阵行列式最小为优化目标,建立加速度计定数截尾恒加寿命试验优化设计的数学模型。模型计算结果表明,两种优化目标的求解结果一致,确定加速度计的试验方案为(8|4, 2, 2),即8个样本在应力水平S 1、 S 2、 S3下分配的样本量分别为4、2、2,验证了所提出方法的可靠性。     

Active notch filters for extending frequency response of accelerometers

The useable frequency range of lightly damped accelerometers is limited to 0.2 of their mounted natural frequency for amplitude distortions of less than 5 percent, while phase distortion is not a major problem until near resonance. There have been situations where the measured motion contains unforeseen high-frequency components which are distorted due to the accelerometer transfer function. There are several ways to overcome amplitude distortion of the higher-than-anticipated frequency components: (1) change instrumentation to an accelerometer which has a higher natural frequency, (2) establish data-analysis techniques which will account for the amplitude distortion, or (3) set up a notch filter circuit which has a transfer function that is the reciprocal of the accelerometer transfer function. The objective of this paper is to present several such circuits and to discuss what happens when the transfer functions are mismatched as to natural frequency of the accelerometer vs. the center frequency of the filter and accelerometer damping vs. filter damping. The results show that the useful frequency range of the accelerometer can be extended to near resonance if (a) the accelerometer-mounted natural frequency and the filter center frequency are matched within ±2 percent and (b) the damping ratios are matched within a factor of two.     

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。     

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。     

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。     

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。     

模态分析在高精度加速度计结构设计中的应用

石英振梁式加速度计是一种频率输出的高精度加速度计。石英谐振器是石英振梁式加速度计的关键部件。由于高动态性能要求，在结构设计阶段，必须对其进行模态分析。用模态分析理论和有限元软件工具，进行结构模态分析和谐响应分析，揭示其结构的静、动态性能。理论分析和计算机仿真结果表明所设计的结构能满足使用要求，同时为改善优化设计时的效率和质量提供依据和方法。     

Effect of accelerometer mass on the flexural motion of plates

When the flexural acceleration of a plate is measured by an accelerometer, the mass of the accelerometer tends to reduce the magnitude of the acceleration.This study establishes a simple analytical relation between the accelerometer mass and the corresponding reduction of acceleration. This has been done by studying an idealized diffraction problem for the plate flexural waves.The complex frequency response depends upon the accelerometer mass, the frequency of the flexural wave, the plate thickness and the material parameters of the plate.A numerical filtering method is used to bring an experimental result and a corresponding numerical prediction closer together.     

采用GRIN透镜的数字式光纤加速度计系统设计

为使测量加速度计的传感器小型化，且不受电磁干扰，根据GRIN透镜在1／4波节处具有入射光线与出射光线成中心对称的特性^[1]，首次提出并研制了采用GRIN透镜制成的微型光纤加速度计。闭环负反馈电路设计技术被应用于该加速度计中，使之成为一个具有调宽脉冲再平衡性能的新颖加速度测量系统。对该系统进行的数字仿真和精度定量分析表明：该光纤加速度计具有测量线性范围宽，精度高的特点，可广泛应用于惯性测控系统中。     

静电力平衡式微型硅加速度计方案分析

静电力平衡式微型硅加速度计是一种新型加速度计。本文对这种加速度计的３种典型方案进行了分析，导出静电力（力矩）、静电力平衡回路刚度（角刚度）及加速度测量范围的表达式。有关结果可为这种加速度计参数设计提供理论依据。