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石英挠性加速度计温度特性模型辨识方法研究

张科备  
【摘要】:本文围绕石英挠性加速度计的输出随温度变化的特性,研究在空间微重力环境,温度变化剧烈,加速度计输入在±1g的背景下,加速度计的输出与外部环境温度变化的之间规律,建立适用于此背景下加速度计的输入输出模型。通过温度静态、动态实验,分别进行加速度计输入输出模型在静态、动态温度下的模型辨识方法的研究。在模型辨识的基础上,研究加速度计的温度补偿问题,以达到提高石英挠性加速度计输出精度的目的。补偿主要包括静态温度补偿和动态温度补偿。结合这两种补偿方法,给出加速度计在全温度工作环境下(-20℃~+50℃)补偿放方法及补偿对比效果。主要研究步骤如下: 1、通过对石英挠性加速度计结构特点的分析,在理论上研究石英挠性加速度计输出信号产生温漂误差的原因。通过温度静态实验,分析加速度计内表壳各个元器件节点的温度分布,结合元器件的温度系数,在理论上定量计算加速度计温差变化范围。 2、石英挠性加速度计温度特性实验的实施,包括静态、动态温度实验。实验方法采用在1g重力场下,加速度计等分点(2点、4点,12点等)翻滚实验方法。环境温度变化范围为-20℃~+50℃。实验上位机软件实时采集存储动加速度计的输出电压值和温箱内部温度值。下位机测量电路采用基于80C51F300系列的单片机最小电路。最小电路采用的24位A/D转化电路,分辨率为0.149μV,转化电路频率在1Hz~10Hz可调;选取DS18B20数字式温度传感器对加速度计所处的温箱内部温度进行采集。最小电路可以有效的完成数据实时采集与处理,为补偿方案的研究提供可靠的数据。 3、研究石英挠性加速度计的在静态温度特性实验中的模型辨识方法。静态温度模型研究加速度计在静态温度-20℃~+50℃范围内,各个等分点的输出特性,采用最小二乘法对温度模型进行辨识。在静态温度特性实验中,根据1g重力场下不同翻滚实验等分点数,分别进行两点法,四点法,多点法的温度特性模型辨识。 4、研究石英挠性加速度计在动态温度特性实验中的模型辨识方法及补偿问题。动态温度辨识模型解决加速度计在温度急剧变换过程中加速度计输出滞后性的问题。文中分别介绍了动态差分传导模型,动态加权均值模型和神经网络模型。并对每种模型系数进行补偿验证,求出最优模型参数。在最优模型参数的情况下,对比三种模型的补偿效果。 5、结合温度静、动态模型,进行模型对比。通过输出精度,指标的波动性,消耗硬件资源和补偿时间,这4项对模型算法进行对比。


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