發(fā)布時間：2017-11-09 15:12

  本文關(guān)鍵詞：高精度全數(shù)字式超低頻石英撓性加速度計(jì)研制

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【摘要】：石英撓性加速度計(jì)以其高分辨力、高穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于低頻振動校準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航等涉及加速度的測控系統(tǒng)中。傳統(tǒng)石英撓性加速度計(jì)輸出模擬電流量,需要IV轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的配合才能在測控系統(tǒng)中有效發(fā)揮功能,而這些轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)會引入額外的誤差分量,造成了系統(tǒng)測量精度的損失;此外,模擬伺服回路控制器設(shè)計(jì)完成后無法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,而機(jī)械加工裝配誤差的存在不可避免的會使實(shí)際獲得的表頭特性與設(shè)計(jì)值不一致,這意味著按理論需求設(shè)計(jì)的模擬伺服回路控制器的參數(shù)無法與實(shí)際加工得到的加速度計(jì)表頭的特性良好匹配,也就是說,性能參數(shù)固定的伺服回路無法保證加速度計(jì)伺服系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo),在批量化生產(chǎn)過程中這一問題尤為顯著。本課題針對模擬石英撓性加速度計(jì)存在的上述問題,設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字式石英撓性加速度計(jì)。首先對表頭內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化,然后設(shè)計(jì)了全數(shù)字式伺服回路,通過系統(tǒng)模型辨識的方法獲得加速度計(jì)表頭的數(shù)學(xué)模型及特性參數(shù),然后再針對性地調(diào)整數(shù)字控制器的參數(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的校正補(bǔ)償,使得表頭和控制器之間獲得良好的參數(shù)匹配,最后對全數(shù)字式石英撓性加速度計(jì)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。課題主要完成以下幾部分工作:針對石英擺片二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)在加速度測量中引入交叉干擾影響加速度計(jì)穩(wěn)定性的問題,建立了石英擺片懸臂梁模型,分析了石英擺片結(jié)構(gòu)參數(shù)對加速度計(jì)性能的影響,并采用ANSYS模態(tài)和靜力學(xué)仿真對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而提高了加速度計(jì)的穩(wěn)定性。針對線圈工作氣隙內(nèi)磁場分布不均勻影響加速度計(jì)穩(wěn)定性的問題,建立了力矩器磁路模型,并且采用Maxwell仿真了力矩器磁路結(jié)構(gòu)內(nèi)磁場分布情況,根據(jù)線圈工作氣隙內(nèi)磁場分布情況,進(jìn)一步優(yōu)化了力矩器結(jié)構(gòu)。針對模擬伺服回路與數(shù)字測量系統(tǒng)兼容時轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生額外的精度損失問題,以及數(shù)字脈沖伺服回路由于器件的精度、穩(wěn)定性和對稱性的限制,性能難以提高的問題,設(shè)計(jì)了全數(shù)字伺服回路。其中,采用交流不平衡電橋?qū)崿F(xiàn)加速度計(jì)內(nèi)差動電容信號的檢測,減小了寄生電容的影響;通過相敏檢波的方法提取加速度信號,提高了信號的抗干擾能力;在伺服回路中增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制環(huán)節(jié)的全數(shù)字化,從而直接數(shù)字化測量加速度;最后,通過功率放大提高反饋電壓的驅(qū)動能力,提高了加速度計(jì)的量程。針對石英撓性加速度計(jì)伺服回路由于無法對每個加速度計(jì)表頭的系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行特定的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)而影響最終加速度測量系統(tǒng)動態(tài)特性的問題,采用電激勵法進(jìn)行了加速度計(jì)開環(huán)系統(tǒng)辨識實(shí)驗(yàn)并且獲得準(zhǔn)確的加速度計(jì)表頭傳遞函數(shù),之后根據(jù)加速度計(jì)動態(tài)特性設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)了數(shù)字補(bǔ)償控制器,從而改善加速度計(jì)的靜態(tài)和動態(tài)特性。完成了全數(shù)字石英撓性加速度計(jì)靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)的測試。通過重力場中標(biāo)定的方法建立了加速度計(jì)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,加速度計(jì)的測量分辨力達(dá)到20μg,穩(wěn)定性優(yōu)于100μg,非線性為0.37%,測量帶寬為198Hz。本文的研究成果改進(jìn)了傳統(tǒng)模擬石英撓性加速度計(jì)信號輸出和控制器的形式,解決了由機(jī)械加工裝配誤差和伺服回路參數(shù)不可調(diào)整而引起的表頭和伺服回路參數(shù)不能良好匹配的問題,針對每一個工作參數(shù)不同的加速度計(jì)表頭,通過系統(tǒng)模型辨識的方法實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高加速度計(jì)的靜態(tài)和動態(tài)性能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH824.4
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本文編號：1162404