一种低精度惯性测量单元的精确标定技术

低精度惯性测量单元的温度特性和非线性严重，为补偿光纤陀螺的温度特性和非线性，通过高低温、多速率的标定实验研究了光纤陀螺输出电压与温度、转速的关系，采用零偏和标度因数统一标定的思想提出了光纤陀螺分段模型；为补偿MEMS加速度计的温度特^陛，通过高低温位置实验研究了加速度计输出电压与温度、输入加速度的关系，提出了加速度计分段模型。采用逐步线性回归对以上模型进行了简化。实时补偿效果表明，当温度从-30℃到60℃变化时，在±60（°）／s转速内角速度误差基本小于0．02（°）／s，加速度误差小于0．005g．     

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。     

隧道加速度计零偏漂移的动态补偿

信号处理电路及反馈控制电路能极大的提高隧道加速度计的灵敏度和分辨率,但工作在闭环状态存在明显的零点漂移,需要进一步在结构设计和电路设计上进行改进。在分析静电驱动力和反馈力的基础上,提出了一种动态补偿零点漂移的方法,它通过拟合其零点漂移趋势来调整反馈电路的反馈参数。此方法相对简单,且能有效改善漂移现象,不致于输出饱和,使其能长时间工作。     

微机械加速度计自动测试系统

为了精确、高效地测量微机械加速度计的各项性能指标,并尽可能地降低地线干扰,系统采用DAQ-2213数据采集卡采集加速度计输出电压,使用多个独立电源及差模接法来降低地线干扰;温度敏感元件采用Pt100,电阻到电压变换电路采用三线制接法,选择PCI-(A)9114数据采集卡采集变换电路输出的电压值;采用Labview7.0接口函数实时显示加速度计输出电压和温度值,并输出有图表的Word文档.系统经过标定,输出电压精度为40 μV,温度精度为0.277℃.实验表明,系统能实时测量微机械加速度计的输出电压和温度值,而采用独立电源和差模输入可有效减少各路信号之间的干扰.     

加速度计I/F变换电路数字补偿方法

石英挠性加速度计的输出I/F变换电路存在分辨率与线性度互为矛盾的现象,也是目前困扰国内惯导产品精度提升的普遍问题。文中通过对现有I/F变换电路的电路原理、影响输出分辨率和线性度的主要原因、电路中元器件的参数特性等进行了详细分析,提出了一种全新的数字补偿算法,可以在不改变现有硬件的基础上,用软件实现线性度的算法补偿,并给出了完整的数字补偿计算公式和各参数的获取方法。经过惯导产品的试验验证,该算法可以使I/F变换电路的线性度提高一个数量级。I/F变换电路数字补偿算法不仅有效解决了电路分辨率与线性度互为矛盾的问题,且易于实现,同时还可以大大简化生产中繁琐的硬件调试过程,具有较高的工程应用价值。     

陀螺加速度计高速闭环动态测角系统设计

从运载火箭惯性导航系统的核心仪表-陀螺加速度计对测角系统的技术要求出发,设计一种新型的陀螺加速度计高速闭环动态测角系统。它选择变磁阻多级旋转变压器进行角位置测量,并采用两相绕组激磁、一相绕组输出的脉冲调宽型鉴幅的运行方式;在分析其工作原理的基础上,从放大器、控制器、数字函数发生器、输出接口四个方面给出了测角系统的具体设计方法,最后进行了误差测试与跟踪转速测试验证。实测结果表明,采用传感器误差为1.5′的测角系统,分辨率为0.84375′,综合误差约为2.5′,最大跟踪转速为538(°)/s。该系统满足使用要求,设计方案有效可行。     

一种电容式微加速度计标度因数温漂抑制方法

电容式硅微机械加速度计作为一种惯性传感器件广泛运用于导航系统,但其温度特性较差,制约其综合性能的提高。为进一步提高闭环电容式微机械加速度计的标度因数稳定性,针对标度因数的温度漂移问题,提出了一种标度因数温漂抑制方法。通过调节预载电压来抑制标度因数温度漂移,根据测温电路输出对预载电压进行调节。实验结果表明,在-30℃~60℃的温度范围内,加速度计的标度因数温度系数由补偿前的213.7′10~(-6)/℃降低至42.7′10~(-6)/℃。所提出的抑制方法使标度因数温度性能得以显著提高。     

加速度计高阶误差模型系数的标定方法

为了在精密离心机上准确标定加速度计的高阶误差模型系数,必须获得精确的比力输入。在分析了精密离心机动静态位姿误差对作用在加速度计输入轴上的向心加速度和重力加速度影响的基础上,采用坐标变换的方法精确计算了加速度计三个轴上的实际比力输入。加速度计在离心机上采用正倒置2位置安装方法,由离心机产生三个不同的比力输入,根据测量得到的加速度计输出数据,给出了加速度计高阶项误差模型系数的标定方法。此方法在加速度计误差模型标定中,补偿了离心机动态半径误差、动态失准角误差以及哥氏加速度对比力的影响,提高了加速度计高阶项误差模型系数的标定精度。对于其它项误差模型系数,可以采用改变安装方式的方法进行标定。     

静电悬浮加速度计反馈引起闭环点漂移机理及抑制方法

静电悬浮加速度计的检测质量闭环点位置偏离电极框中心时会造成系统非线性误差,调整检测电路输出电压可调整检测质量闭环点,而在调整过程中发现反馈电压变化会引起电容检测电路输出电压漂移,从而影响闭环点调节精度。为解决此问题,研究了闭环点位置与检测电路输出电压变化的关系,推导了检测电路传递函数,初步确定了反馈电压对检测电路输出电压影响的原因是隔直电容选取不恰当,通过实验对比了材料为C0G、Y5P、X7R及SL的多层陶瓷电容作为隔直电容时输出电压与反馈电压关系。实验结果表明:采用低温漂、耐高压和受频率影响小的C0G电容作为隔直电容能够消除反馈对检测电路引起的输出电压漂移,从而消除调节闭环点过程中闭环点位置的漂移,并且能提高检测电路稳定性。     

载体运动对双轴连续旋转调制式惯导方案误差的影响

引入系统级旋转自补偿技术可以提高惯性导航系统的精度,该技术是指对整个IMU施加旋转运动从而改变元器件的工作方式,使元件误差得到调制,在进行积分时调制后的误差在一个周期内得到抵消.在捷联式惯导系统中,当载体处于动态时,标度因数误差和安装误差与惯性传感器的输出产生耦合,旋转调制对系统的补偿效果将受到影响.改进的途径一是提高元件标度因数稳定性,减小系统安装误差角;二是隔离载体运动,即减小陀螺仪和加速度计的输出值.本文通过对比分析在静态和动态条件下双轴连续旋转调制式惯导的误差方程,解释了载体运动对旋转调制效果的影响机理,并通过数字仿真验证了载体运动对系统补偿效果的影响.分析和仿真发现,在静态和动态条件下旋转调制都可以提高系统的精度,而在静态条件下或者在通过环架结构隔离了载体运动后旋转调制的效果相对于动态下有较为明显的提高.     

大动态光纤陀螺标度因数双线性插值补偿模型

标度因数的温度特性和非线性是影响大动态光纤陀螺精度的重要因素,在航空、航天等对动态精度要求较高的应用场合需要对标度因数的温度特性和非线性误差进行补偿。通过对大动态光纤陀螺标度因数的误差分析,得出环境温度和输入角速率是影响标度因数误差的主要因素。建立了一种基于双线性插值的补偿模型,对大动态光纤陀螺的标度因数的温度特性和非线性进行综合补偿。在温度范围为-40℃~+60℃、角速率范围为0~7200(°)/s的条件下,标度因数误差由补偿前超过1.3′10~(-3)降低为小于5′10~(-6),标度因数精度提升了两个数量级,验证了补偿模型的有效性。补偿算法复杂度低,易于工程实现。     

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.     

基于迭代估计的三轴加速度计温度模型参数外场标定方法

为补偿加速度计标度因数和零偏的热漂移误差,设计了一种可估计内场恒温环境下参数变化量的加速度计温度参数模型,并提出了基于迭代估计的温度模型参数外场标定方法。该方法不依赖精密的惯性测量设备和温箱,仅在重力场内对加速度计进行连续多组位置观测,充分利用加速度计冷启动过程产生的热漂移误差进行模型参数辨识,解决了加速度计温度误差特性和启动温度点相关的问题。针对加速度计测量信号为高斯白噪声的特点,建立了关于温度模型参数矢量和多组位置倾斜矢量的非线性准则函数,提出了两步迭代估计方法实现两组参数矢量的分离估计。根据不同位置下三轴加速度计输出信号粗略提取倾斜矢量,解决了迭代估计算法的初值问题。重力场内通过优化分析加速度计温度模型参数对重力值的灵敏度,设计了6组位置观测编排。实验结果表明,温度误差补偿前的重力值测量最大误差为3.62×10-4g,而温度误差补偿后重力值测量误差小于1×10-5g;同时,温度误差补偿前系统3 h纯惯性导航最大定位误差为1186 m,而温度误差补偿后最大定位误差小于600 m,从而表明提出的外场标定方法的有效性。     

用A/D和FPGA实现的加速度计数据读出系统

加速度计是惯性导航系统的核心部件，通常加速度计输出为模拟电流信号，为便于导航计算机的数字处理，需经过A／D、I／F或V／F转换。针对应用背景实时、高精度、宽动态范围的要求，文中采用高分辨率模数转换器和嵌入式现场可编程门阵列组成石英挠性加速度计串行数据读出系统，设计了系统的硬件和软件。系统解决的几项关键技术，如数据采集逻辑电路设计、高分辨率A／D的接口电路设计等，可为其它要求宽动态范围的传感器接口系统所利用。     

光纤陀螺启动过程标度因数补偿方法

针对光纤陀螺启动过程标度因数变化大、稳定时间长的问题,提出标度因数补偿方案。分析了光纤陀螺启动过程中标度因数误差及超辐射发光二极管平均波长随温度变化误差产生的物理机制,建立了启动过程中标度因数误差的数学模型。进一步提出了一种通过测量温控电桥电路THERMIN端电压实时补偿启动过程标度因数的方案。试验结果表明,启动过程中(2 s内)光纤陀螺标度因数误差峰峰值从约25 000×10~(-6)降低到小于300×10~(-6),大幅提高了启动过程标度因数性能,满足了武器系统的快速启动需求。     

超高灵敏度加速度计温度模型测试方案与实验

超高灵敏度加速度计广泛应用于空间探测和地球重力场测量等领域,评估温度对其的影响并将之扣除,对提高加速度计的精度有着重要意义。针对此类加速度计零偏和标度因数的温度模型测试方案,详细分析了测试过程中可能产生的误差项及作用机制,确认了重力场升降温测试中对称位置法依然可以有效消除温度变化相关的安装面变形误差,从而提升了测试精度。基于此分析,利用带温箱的二轴转台进行了小角度倾斜多位置旋转实验,验证了分析的正确性以及方法的有效性。对自研的ng分辨率MEMS加速度计的测试结果表明,零偏的温度系数测试不确定度达0.5μg/℃(95%置信区间),标度因数的温度系数测试不确定度达4 ppm/℃(95%置信区间);此外,对星载试验的实测数据,经地面所测模型补偿后可将温度效应降低至补偿前的3.5%。     

电流比较仪电桥在静电陀螺转子位移测量中的应用

用耦合电感原理研究了电流比较仪电桥非平衡测量的原理及特性,导出了在不同激励信号(电压或电流)和不同输出信号(电压或电流)情况下电桥测量输出的表达式,并据此提出了现有静电陀螺转子位移测量电路的改进措施.研究表明,采用电流输出模式时,变压器的电感大小对检测结果没有影响,且能消除后续电路输入端寄生电容的影响;电流激励、电流输出模式具有最好的综合性能,但高精度交流恒流源的实现较为困难;电压激励、电流输出模式兼具两者的优点,是比较仪电桥较为理想的工作模式.     

精密线振动特性离心机的误差分析

精密线振动是实现高阶误差项测试的有效方法,误差分析则是保证其测试方案完善、测试精度提高的关键。在高精度加速度计测试中,微小的设备误差对测试结果的影响往往无法忽略,为进一步提高测试精度,需要对测试设备的误差进行分析。我们首先给出了具有精密线振动特性离心机的工作原理和输出特性;然后建立包含安装误差和设备误差的离心机模型,并根据动态加速度合成定理,采用矢量方法推导出离心机输出加速度表达式;最后分析了在加速度计坐标系下,双轴离心机产生正弦加速度时,每个非独立误差源对加速度计输入比力的影响,为解决精密线振动试验方案设计和误差补偿研究提供了理论参考。     

高精度硅微谐振加速度计频率测量输出电路

硅微谐振加速度计是一种频率输出的MEMS仪表,针对其差动频率输出的特点和对静态与动态高精度测试精度的要求,设计并实现了一种高精度频率输出电路,实现了差动频率的实时相减和静态与动态频率信号输出。对电路及仪表的精度进行了测试,测试结果表明,该电路稳定性可达到1×10-9,全温范围内(-40⁺70℃)非线性优于1×10-7,频率分辨率可达到1×10-5,测试精度满足仪表系统精度要求,使仪表更满足工程应用的条件。根据实际工程应用要求,还对该电路提出了抗干扰设计,进一步提高了该电路的工程应用可靠性。     

光纤陀螺捷联式惯性系统的研究与设计

介绍了基于光纤陀螺的捷联式惯性系统的总体设计,设计了加速度计再平衡回路数字读出电路及光纤陀螺信号输出电路。采用PC104工控机作为导航计算机,构成捷联式惯性系统原理样机。在此基础上,设计了系统的误差补偿方案、初始对准方案和机械编排方案。样机的初步测试结果表明:该样机达到了设计指标要求(航向精度:<1°;水平姿态精度:<0.5°)。