一种微型矢量水听器姿态测量系统

矢量水听器姿态校正的通常做法是将姿态测量系统捷联安装在声纳平台上,这种方案无法准确测量矢量水听器的姿态变化。针对这个问题,设计了一种微型姿态测量系统,并将其捷联封装在矢量水听器内部。系统采用MEMS陀螺测量角速度,用毕卡迭代算法解四元数姿态更新方程。用MEMS加速度计和磁力计分别测量重力方向和磁北方向,再使用扩展卡尔曼滤波对解算姿态角进行实时校正。经测试,该系统横滚角和俯仰角的静态误差小于0.2°,航向角的静态误差小于0.8°。摇摆实验中,横滚角和俯仰角的动态相对误差小于2.9%,航向角的动态相对误差小于3.6%。海上试验结果证明该姿态测量系统应用于矢量水听器可明显提高目标方位估计的精度。     

基于MEMS电容加速度计的声矢量传感器小型化设计

针对传统压电型声矢量传感器无法兼顾小体积与高灵敏度的问题,利用MEMS电容加速度计作为拾振器,实现矢量传感器的小型化设计。首先采用机电类比分析的方法得到内置加速度计的刚硬球体的声致振动响应;然后进行硅微电容加速度计选型和参数分析、设定,并设计制作了一只二维球形矢量传感器样机;最后对样机进行了参数测试,结果表明两矢量通道均具有良好的方向性,声压灵敏度分别为?185 d B和-186 d B(1 k Hz,0 d B ref 1 V/μPa),通道间相位差与理论值保持一致,验证了利用MEMS电容加速度计设计矢量传感器的可行性。     

基于磁/惯性传感器旋转弹体定姿的Kalman滤波器设计

微惯性传感器精度较低,其漂移会引起很大的姿态误差,不能提供长时间稳定姿态;磁传感器组合的姿态角误差不随时间累积但姿态角更新速度慢。针对这一问题提出了利用磁/惯性传感器构建低成本姿态探测系统的方案,设计了Kalman滤波器融合二者信息——以磁传感器解算的姿态角和等效旋转矢量法解算的姿态角之差作为观测量,以惯性传感器的漂移和姿态误差角作为状态变量,整个解算过程无需使用地磁场强度。仿真结果表明了该算法的有效性,二者组合定姿可实现高精度的姿态测量。     

姿态检测地磁传感器误差分析与补偿方法

针对磁环境下的地磁传感器测量精度不足的问题,为了补偿地磁传感器存在的各种误差,在分析地磁传感器的自身误差和环境干扰误差的基础上,建立了地磁传感器误差校正模型,利用最大似然估计法将误差校正模型转化成多项式最小二乘拟合的基本方程形式,提出了基于QR因子分解法的补偿系数快速解算方法。分别求取仿真误差模型和实验误差模型的补偿系数,然后对地磁场矢量进行校正。结果表明,校正后的磁场强度和实际磁场强度基本一致,滚转角精度提高了近5倍,能够满足相关需求。     

基于低成本磁场和MEMS惯性传感器的姿态测定系统

在机器人、小型无人自主飞行器等严格限制成本、体积、功耗的应用场合,一套合适的姿态测定系统显的尤为重要。为此,提出了一种低成本的实时姿态决定系统,该系统由传感器模块和数字信号处理器(DSP)组成。传感器模块由一个三轴的磁罗盘和一个基于MEMS技术的惯性测量单元构成,文中对系统的软硬件设计进行了详细的论述。在此嵌入式平台上面,开发了一套基于四元数和扩展卡尔曼滤波的姿态估计算法,对算法的原理进行了详细介绍。最后给出的实验结果显示此系统具有相当高的性能,姿态角误差的方差在0.02°以下。     

基于MEMS技术的微型流量传感器的研究进展

流量测量是工业生产和科研工作的重要的检测参数.近年来,随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展,传统的工业和流体力学研究的流量传感器向高集成度,微型化,高精度,高可靠性方向发展,同时生命科学的发展大大促进了用于微流体,生物学、医学、卫生、食物等学科研究新型微型流量传感器的研究开发, 微型流量传感器已成为MEMS的重要研究方向.本文对基于MEMS技术的流量传感器技术的原理、分类作了简要介绍,归纳和评述了各种基于MEMS技术的流量传感器(热式型,差压型,升力型,流体振动型, 科里奥利型及仿生型微型流量传感器等)的生产工艺和应用特点,并对基于MEMS技术的微型流量传感器的校正方法做了总结归纳.介绍了国内在微型流量传感器方面的研制工作.最后总结归纳出基于MEMS技术的流量传感器发展不同阶段并阐述了各个阶段的发展特点,并对基于MEMS技术的流量传感器新的发展趋势进行了展望.      

卫星姿态测量系统中模糊神经网络的应用

为了提高卫星姿态测量系统的姿态估计精度，研究设计了一个模糊神经网络，对各姿态传感器的输出信号进行综合处理。研究表明：此方法可以使测量精度得以很大提高。     

基于阵列MEMS磁传感器的测量与标定方法

针对MEMS磁传感器存在测量噪声大的问题,利用MEMS磁传感器体积小的特点,设计了阵列形式的MEMS磁传感器测量模块,减小了测量噪声对标定结果的影响。通过合理的硬件设计,实现同一时刻采集32个MEMS磁传感器信号。在硬件设计基础上,通过对阵列MEMS磁传感器建模与分析,设计了基于阵列MEMS磁传感器的标定方法。通过仿真及实物系统实验,验证了所提出方法的有效性。系统实验结果表明,采用阵列MEMS磁传感器标定结果的归一化模值标准差较单个磁传感器减小了70%。     

基于扩展卡尔曼滤波算法的船舶姿态监测预报系统设计（英文）

为提高船舶姿态监测预报系统的测量精度,设计加速度传感器和陀螺仪捷联的惯性导航系统,利用互补处理和反馈调节对传感器输出参数进行校正。为得到精度较高的预估数据,通过广义最小二乘法进行系统辨识建立船舶状态模型和矫正的传感器测量模型,由扩展的卡尔曼滤波器得到最优估计状态。同时设计闭环系统,进一步提高系统的测量精度和预估精度。此外,针对当前监测预报系统普遍存在的软件界面差、交互困难等缺点,设计姿态监测预报友好型界面,可3D动画实时显示船舶当前的运动姿态,并具有数据存储、分析、操作处理等功能。最后,通过实验对不同倾角变化率下实际姿态、测量姿态和预估姿态进行对比,结果表明所设计的姿态监测预报系统具有较高的监测精度和预估精度。     

异质传感器数据的最优线性融合

研究了异质传感器对参数矢量进行的测量，测量数据基于线性均方估计的最优融合算法。提出和证明了异质传感器数据的最优线性融合定理，并得出“精度再差的传感器参与数据融合后都有利于提高系统的测量精度”这一结论。     

敏感器正常和故障模式下微小卫星的姿态确定方法

围绕某日-地空间环境组网探测系统中微小卫星定姿系统的设计需求,基于MEMS陀螺、小型CMOS太阳敏感器、微磁强计,研究了该微小卫星各敏感器正常工作模式以及敏感器故障模式下的系统建模和姿态确定方法。各敏感器正常工作模式下,用陀螺、太阳敏感器和磁强计进行组合定姿;陀螺故障时,用太阳敏感器和磁强计进行组合定姿;太阳敏感器故障时,用陀螺和磁强计进行组合定姿;陀螺/太阳敏感器同时故障时,用磁强计进行定姿。仿真结果表明,本文定姿方法的姿态确定精度满足该系统中微小卫星在轨运行时的定姿精度要求,为该微小卫星的半物理仿真系统的研究及其在轨运行时的姿态确定提供了依据。     

静电陀螺仪用光纤传感器实验研究

以静电陀螺仪用光纤传感器原理样机为基础，开展了信号拾取的实验研究。基于球形模拟转子的实验表明，该光纤传感器能够满足静电陀螺仪极轴信号拾取的灵敏度要求。文中分析了影响光纤传感器信号拾取性能的相关因素，设计了光纤准直器的有关参数，提出了光纤传感器小型化的设想，为光纤传感器的实用提供了参考。     

短路匝式传感器干扰力矩分析

短路匝式传感器带来的干扰力矩是引起陀螺仪随机漂移的重要因素之一,减小该项干扰力矩对提高陀螺精度能够起到重要的作用。本文利用电磁感应定律和磁路分析法对干扰力矩进行了推导,并通过Ansoft maxwell软件对短路匝传感器不同参数情况下的干扰力矩进行仿真分析,得出了转子转角、激磁电压和激磁频率对干扰力矩的影响关系曲线,最后合理选择参数以保证干扰力矩在精度允许范围内。该分析结果对减小短路匝传感器的干扰力矩和减小陀螺仪的随机漂移都具有一定参考价值。     

微悬臂梁生化传感系统的性能分析

在基于光杠杆原理检测微悬臂梁变形的生化传感实验系统中,液体折射率的变化会导致PSD上光斑的位移,从而影响系统的检测信号。本文从理论上分析了在不同检测光束的入射角度、微梁的放置角度等参数条件下,液体折射率的变化对系统检测信号的影响。结果表明：在传统的光路下,液体折射率改变10-3引起的光斑位移与一般的生化反应引起的位移相当,即液体折射率的改变严重影响系统的检测信号。通过理论分析还发现在适合的参数配置下,可以忽略折射率变化对系统检测信号的影响。同时,参数的改变不影响系统的检测灵敏度。理论分析的结果得到了实验验证。     

压电质量传感器检测灵敏度分析

压电质量传感器是一种利用压电谐振器对质量的敏感性,通过谐振器吸附待测物后频率的变化实现对被测物质进行检测的传感器。由于附着物质引起的质量变化很小,因此测试精度将强烈依赖于结构频率对质量变化的敏感程度,而敏感程度与传感器感知部分的几何尺寸密切相关。本文主要研究压电材料悬臂梁式质量传感器的检测敏感度分析问题,推导传感器自振频率变化对质量变化的灵敏度与传感器各部分结构几何尺寸设计参数依赖关系的计算格式,并讨论了结构尺寸、截面形状以及谐振模态对传感器检测灵敏度的影响。     

基于MEMS加速度传感器的步态识别

针对最小采集约束条件和经历长时间跨度下识别率低的问题,提出一种基于MEMS加速度传感器的步态识别算法。该算法以右髋部位置采集加速度信号构造多个高斯差分尺度空间,利用局部关键点生成稀疏表示的步态特征位置模板,并采用模板融合来有效转换稀疏性步态周期特征,最后利用最近邻算法和投票机制对步态特征进行识别。在公开的含175名测试者的步态加速度数据集上进行测试,实验结果显示识别率为98.67%和认证率为99.89%,并进一步研究了测试集和训练集样本数目对识别效果的影响,验证了特征提取的有效性和稳定性。     

小型自准直式光电传感器性能测试系统

为标定小型实心转子静电陀螺仪用自准直式光电传感器的性能，设计了一个专用的性能测试系统。传感器性能测试表明，被测小型自准直式光电传感器的分辨率优于1^#，传感器性能测试系统满足使用要求。     

A fiber optic sensor for transverse strain measurement

A fiber optic sensor capable of measuring two independent components of transverse strain is described. The sensor consists of a single Bragg grating written into high-birefringent, polarization-maintaining optical fiber. When light from a broadband source is used to illuminate the sensor, the spectra of light reflected from the Bragg grating contain two peaks corresponding to the two orthogonal polarization modes of the fiber. Two independent components of transverse strain in the core of the fiber can be computed from the changes in wavelength of the two peaks if axial strain and temperature changes in the fiber are zero or known. Experiments were performed to determine the response of the sensor by loading an uncoated sensor in diametral compression over a range of fiber orientations relative to the loading. The results of these experiments were used with a finite element model to determine a calibration matrix relating the transverse strain in the sensor to the wavelength shifts of the Bragg peaks. The performance of the sensor was then verified by measuring the transverse strains produced by loading the fiber in a V-groove fixture.     

Static and dynamic response of a multiplexed-array piezoresistive contact sensor

Multiplexed piezoresistive sensor arrays hold great potential for measuring contact stress distributions for orthopedic research applications. However, their acceptance has been handicapped by output drift and the fact that their dynamic response has not been well characterized. In this report, the static and dynamic responses of one device of this class (the K-Scan piezoresistive contact stress sensor) are formally characterized using a specially made pressure vessel that provides spatially homogeneous contact stress. Drift was predominant early in static loading, reaching relationtive errors of approximately 30 percent over a 10-min period. During loading, first-order dynamic analysis showed that the time constant (and time lag) was nearly zero and there was little attenuation of the output up to 20 Hz. A deconvolution algorithm proved capable of compensating for the great majority of static drift.     

基于免疫猴群算法的传感器优化布置方法研究

将生物界中的免疫机制引入到猴群算法中,提出了一种用于传感器优化布置的免疫猴群算法。采用双重编码的方式,克服了原猴群算法只能解决连续变量优化问题的缺陷;采用混沌搜索的方式初始化猴群位置,以保证猴子能够均匀分布,提高了算法的全局搜索能力;通过在爬过程中引入深度爬的方式,增强了算法的局部搜索能力;在爬过程结束后加入基于浓度选择的机制对猴群进行初次选择,并对位置最优的猴子进行免疫克隆操作,以此保证猴群的多样性;在望过程结束后加入基于适应度的二次选择,并对位置较差的猴子进行免疫疫苗注射,以此提高算法的收敛能力。文末以大连世贸大厦为例,进行了参数敏感性分析以及传感器优化布置方案的选择,结果表明,免疫猴群算法的搜索效率较原猴群算法有了大幅提高,能较好地解决传感器优化布置问题。