一种集成式石英谐振加速度计信号处理与融合方法

谐振式加速度计能够将加速度直接转化为稳定的频率信号,可以获得优良的性能。针对目前石英谐振加速度计灵敏度偏低,以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题,提出了一种基于多电极谐振器的集成式石英加速度计的信号处理与融合的方法。集成式石英加速度计输出多路谐振信号,形成差频信号,融合后可以得到高精度的数字信号,设计了基于FPGA的电路实现方案。通过实验测试结果,输出数据响应时间为125 ms的条件下,传感器标度因数从传统的100 Hz/g以下提升到1742.5 Hz/g,线性相关系数为R~2=0.9985。提出的信号处理与融合方法具有较高的信号处理实时性,显著提高了石英谐振加速度计的灵敏度,可以应用于集成式石英谐振加速度计数据信号处理以及实时测量系统中。     

陀螺监控中的旋转锁定回路技术

本文论述了陀螺监控中的旋转锁定回路技术的必要性、旋转锁定回路的组成及分析与设计方法，并提出了一种利用多极同步器实现锁定控制的方法。工程试验表明设计的旋转锁定回路其锁定精度的重复性优于１＂。     

旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因数实时反馈调整方法

旋转加速度计重力梯度仪在实际工作过程中,由于平台稳定性、旋转机构控制精度、敏感器安装误差、加速度计标度因数匹配性以及其他噪声源的存在,对高精度重力梯度测量构成严峻挑战。在诸多影响因素中,加速度计标度因数的不一致性对测量精度影响最大。本文提出一种旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因数实时反馈调整方法,旨在提高获取重力梯度信号的能力。该方法首先对相对两只加速度计的和输出信号以及重力梯度仪总输出信号分别进行带通滤波,然后对滤波器输出信号中含有加速度计标度因数不平衡信息信号进行幅值解调,对三组解调结果分别进行平滑处理,采用模糊PID控制算法实时反馈调整加速度计内部的电磁线圈力矩,达到调整加速度计标度因数的目的。实验测试分析表明,采用模糊PID反馈调整算法可以快速实现四只加速度计标度因数一致,相对两只加速度计标度因数调整量级可以达到10?7,两对加速度计标度因数的调整量级可以达到10?5,提高了获取重力梯度信息的能力。     

旋转加速度计重力梯度仪标度因子调整方法及误差补偿研究

在旋转加速度计重力梯度仪的重力梯度测量原理的基础上,本文提出了加速度计标度因子的在线调整方法。此方法对加速度计组合输出信号中的标度因子不平衡信息进行解调,通过反馈实现标度因子的调整,同时可实现对重力梯度仪系统误差的补偿。     

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。     

基于加速度计的单轴旋转自主式寻北方法

基于加速度计的无陀螺寻北方法是无陀螺惯性导航必须解决的关键问题。目前加速度计的分辨率无法直接敏感地球自转北向分量,文中设计了一种基于定轴旋转的自主式寻北模型。通过将地球自转北向分量加载在载体旋转角速度上,实现加速度计间接敏感地球自转北向分量,从而进行寻北的功能。该模型可以实现载体任意状态下的寻北功能,并精确解算载体姿态。分析了影响寻北精度和姿态解算精度的几个主要因素。仿真结果表明:加速度计的分辨率和信号采集精度是决定模型寻北精度和和姿态解算精度的关键要素。当加速度计分辨率为5×10-6g,信号采集精度为9mV时,其寻北和姿态解算精度可以达到0.20。     

捷联罗经的动基座自对准技术

在分析捷联罗经对准原理的基础上,改进了一种在航向和水平姿态完全未知条件下的捷联罗经对准方法,将对准方法划分为四个步骤:水平粗对准、航向估算、水平再对准和罗经航向对准,并给出了航向估算的公式.载体存在速度时会对罗经对准产生影响,因此提出了一种适用于捷联罗经的惯性传感器校正方法,推导了陀螺和加速度计信号校正的公式,将由于载体运动产生的陀螺和加速度计信号滤除,在此基础上结合上述的对准方法完成罗经自对准.对"匀速+晃动"、"加速+晃动"和"拐弯+晃动"三种情况下的罗经自对准进行了仿真,仿真结果证明该方法可以有效地实现运动基座下的罗经对准.     

硅微谐振加速度计交流检测信号解耦技术

硅微谐振加速度计以高精度的频率信号输出及潜在的敏感结构与处理电路实现一次集成的优势,成为硅微传感器研制的热点之一。针对交流检测信号耦合效应对硅微谐振加速度计性能的重要影响,在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构和电路两方面研究了交流检测信号耦合效应的来源,分析了耦合效应对检测电路和闭环控制精度的影响。采用双质量块结构方案和电路优化设计所研制的硅微谐振加速度计,基频为15 kHz,标度因数为36 Hz/g,量程为±30 g。试验证明耦合效应对仪表性能的影响降低到0.3 mg以内。     

陀螺寻北仪中测量信号的在线建模与滤波

针对光纤陀螺寻北仪中光纤陀螺(FOG)和加速度计的随机误差,采用改进型二阶自回归AR(2)模型,在线建立了光纤陀螺和加速度计随机误差模型。根据该模型,建立了FOG陀螺寻北仪的12阶Kalman滤波器,实现了两个FOG和两个加速度计测量信号在寻北过程中的实时滤波。仿真、Allan方差分析与寻北试验结果表明:FOG信号中随机游走、零偏不稳定性、变化率随机游走、变化率斜坡和量化噪声五项噪声源误差系数都小于滤波前的二分之一;在减小光纤陀螺和加速度计测量信号中的随机误差,提高其精度的同时,FOG寻北仪的寻北误差减小了0.3 mil。     

重力梯度仪加速度计控制回路分析与设计

加速度计是旋转加速度计重力梯度仪的核心元件,梯度信号测量要求其加速度计具有高分辨率和低的噪声水平,这就需要对现有石英加速度计进行改进,通过表头抽真空,提高控制回路增益来抑制噪声,提高分辨率.抽真空后表头近似为无阻尼状态,其控制回路中需增加阻尼补偿的环节,避免系统在工作频段附近出现振荡;并且,对控制回路中的校正环节也进行了重新设计,加入积分环节,使系统对位置信号的稳态误差为零,大幅度提高工作频段的系统开环增益,从而有效地提高了系统的动态测量精度.     

旋转重力梯度仪的加速度计动态调节方法与需求分析

适合陆基使用的旋转重力梯度仪采用多个加速度计的组合输出,能有效地抑制平台的共模噪声,实现对地球表面微小重力梯度变化信号的测量.其关键技术之一就是对多个加速度计进行动态匹配调节,通过实时反馈来降低多种噪声和误差,从而降低对研制单个加速度计的性能要求.本文结合旋转重力梯度仪中加速度计的匹配调节方法,以重力梯度测量分辨率达到1E为目标分析,结果表明对加速度计的标度因子一致性匹配需要达到10-11的量级,对二阶非线性因子调节同样需要达到～10-11g/g2的量级.     

加速度计相关误差模型辨识

本文讨论陀螺加速度计输出误差与陀螺加速度计各回路状态变量间的相关误差模型的辨识方法。陀螺加速度计各回路的状态变量包括:伺服回路引出的浮子的倾角,磁悬浮回路引出的浮子的轴向位移与径向位移信号、陀螺摆壳体组件内的热敏电阻引出的浮子的环境温度信号、以及陀螺马达的激磁电压等。文章首先介绍了辨识陀螺加速度计输出残差与各回路状态变量的相关误差模型ARMAX(n,m,p)的辅助变量法与相关估计法,然后进行了仿真实验,最后应用实际测量得到的陀螺加速度计输出与状态变量数据,给出了实验结果。实验结果表明,本文介绍的相关误差模型辨识方法是可行的。     

关于检测质量的4旋转加速度计信号叠加的频域分析

在旋转圆盘上对称安装4只高精度加速度计,加速度计信号两两相加再相减,再解调制就可以得到重力梯度值。针对上述的4旋转加速度计,研究检测质量对其信号叠加的输出频域特征,推导的频域表达式证明输出中含有高次谐波,相邻谐波的频差是圆盘旋转频率的4倍,即谐波频率分别为6倍频、10倍频、14倍频等。利用stirling公式给出了各次谐波分量幅值的近似计算方法,并进行了数值仿真,结果表明检测质量与圆盘之间的距离越近,谐波分量的幅值越大。     

基于石英挠性加速度计的微重力测量系统设计

在空间科学探测中,通常采用静电悬浮加速度计测量低频准稳态微重力信号,但其体积较大、成本较高。高精度石英挠性加速度计体积小,技术成熟,但用于微重力信号测量时,高频噪声抑制不充分将导致频谱混叠、微重力低频测量精度降低。提出了一种将石英挠性加速度计改造为小量程、高精度的微重力加速度测量系统方案,其核心指标是噪声抑制和抗混叠性能。通过电路建模、仿真,验证了频谱混叠对低频微重力测量的影响以及抗混叠滤波器和过采样技术的有效性。测试实验结果表明,该加速度测量系统的低频噪声水平可以达到10■-7,分辨率0.12μg,低频至0.001 Hz,显示出了石英挠性加速度计用于微重力测量的精度潜力。     

基于双微机电惯性测量单元的船用自主水平姿态估计算法

针对船载自主水平姿态基准系统需求,提出了一种基于双微机电惯性测量单元的方案。其中一套固联船体,另一套为转位方式,以两套微机电惯性测量单元间相对速度、位置、姿态为观测约束,基于状态变换卡尔曼滤波实现不依靠外界辅助信息的自主式水平姿态测量算法,减弱了陀螺、加速度计零偏误差对水平姿态精度的影响。通过采用三轴角运动模拟转台进行了海况模拟实验验证。无舰船主惯导提供舰船运动信息情况下,虽然船的质心水平机动会影响水平姿态的绝对精度,但不会影响船上不同位置点之间的相对姿态测量精度;而当舰船上有高精度主惯导系统可提供速度参考时,即使有常值速度偏差和舒勒周期速度误差,仍可实现绝对姿态测量精度优于0.02°(1σ)。所提出的姿态测量方案可以在海况恶劣且无外界参考信息的情况下建立高性价比的全船统一姿态参考基准。     

PIGA自动化实时测试系统的设计与实现

本文介绍一种针对摆式积分陀螺加速度计（ＰＩＧＡ）的输出与回路状态变量进行实时测试的自动化测试系统。根据对测试系统的测试要求和多路待测试的信号特点，设计了一套集外中断计时、ＧＰ—ＩＢ总线接口、实时数据与图象动态显示、完美的用户界面于一体的测试软、硬件，并对采样数据的处理进行了研究，该实时测试系统在工程实际应用中精度较高，取得了较为满意的效果     

间接稳定平台误差补偿

－本文为一类以惯性导航系统为水平基准的导航设备提供一种补偿由于间接稳定平台失调引起的测量误差的方法。这类导航设备有如星光导航系统或者建立在复示平台上的准几何式静电陀螺监控系统。补偿方法将通过装在复示平台上的水平加速度计与基准惯性平台上的水平加速度计输出之差值求取复示平台的水平失调角，并以此为依据修正基于复示平台的导航设备对有关角度的测量值。     

基于物联网的MEMS加速度计测试分析系统设计

加速度计性能远距离测试及对测试数据同时进行自动保存和自动分析处理是经常遇到的工程问题。针对这一问题,提出了基于物联网的加速度计测试分析方法。应用物联网技术设计了加速度计数据远程自动采集系统,并实现了测试数据网络共享功能。应用线振动试验法实现了单轴MEMS加速度计的性能自动测试,应用多项式拟合方法建立了加速度计的二阶误差修正模型。应用虚拟仪器软件和工程数据库技术设计了网络环境下的测试系统软件,并实现了对实验数据的自动储存、显示、查询、删除、实验报表打印与自动分析处理功能。实验结果表明测试系统实现了远程加速度计性能测试及实验数据自动保存和自动分析功能。     

蝶翼式MEMS加速度计温度稳定性提升方法

环境温度变化造成的热应力是影响MEMS加速度计性能的关键因素。为了提升MEMS加速度计温度稳定性，以蝶翼式MEMS加速度计为研究对象，分别在敏感芯片上设计应力释放结构和敏感芯片与陶瓷基底之间设计应力隔离结构。利用有限元分析工具COMSOL对有无应力释放和隔离结构的情况进行了对比仿真，结果表明敏感单元上的敏感梁应用应力释放结构只有原结构最大应力水平的0.3%，封装时采用应力隔离结构间接连接比原直接连接方式最大应力下降一个数量级。采用微机械加工技术和微电子工艺技术结合的MEMS加工工艺实现含应力隔离结构的加速度计原理样机制作。对样机进行温度测试，试验结果表明有应力释放与隔离结构在-40?°C~60?°C区间的漂移量比无应力释放与隔离结构提升约3.5倍，验证了应力释放与隔离结构对温度稳定性提升的有效性，研究结果可以为加速度计在高性能、恶劣环境下的应用提供参考。     

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。