加速度计数据采集与温度补偿技术研究

论文摘要

本文以高精度惯导系统的研制开发为应用背景,基于测试计量技术与仪器精度理论,对惯导系统中关键元件加速度计的测量精度及其数据采集系统中的相关问题进行了研究。首先,基于欧拉角,分析了加速度计静态误差数学模型;基于反馈回路原理,分析了输出加速度误差模型。同时,还分析了石英挠性加速度计基本原理。以此为理论基础,研究了加速度计输出信号中误差的成因。通过对加速度计输出信号特征的研究并基于数据采集基本理论,设计完成加速度计数据采集系统,此系统由硬件电路与相应软件程序两部分组成。惯导系统是测量载体运动姿态与速度的一种高精度测量仪器,任何温度波动都会对其工作状态产生影响,致使系统测量结果带有由温度引起的误差,进而导致系统测量精度下降。本文研究了温度变化引起放大电路和ADC中误差漂移的相关问题,采用可以有效抑制温度漂移的失调电压校正解决方法。通过分析存在于采集电路系统各个电路单元的电路噪声和温度变化引起的温度漂移,提出对数据采集电路进行整体温度误差补偿的解决方法。分析了加速度计工作时的自加热效应及由此产生的温度场对加速度计输出精度的影响。将温度变量引入到加速度计的静态误差数学模型中,使其成为能够对应于温度变化的温度误差数学模型。在此基础上,设计了用于对温度模型中的参数进行估计的具体测试与数据处理方案。结合测试技术与数据处理基本理论,对试验数据加以详尽分析,探讨了仪器测量精度与测量误差等相关问题。对比分析了线性补偿方法和基于正交多项式补偿的非线性补偿方法的温度补偿效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 课题所涉及关键技术
• 1.2.1 加速度计
• 1.2.2 数据采集与Sigma-Delta数据转换技术
• 1.2.3 温度补偿技术
• 1.3 课题意义
• 1.4 课题研究主要内容
• 第2章 加速度计输出误差模型
• 2.1 惯性元件的误差模型综述
• 2.2 加速度计的静态误差数学模型
• 2.2.1 欧拉角
• 2.2.2 加速度计的静态误差数学模型
• 2.3 挠性加速度计基本原理
• 2.3.1 组成和原理
• 2.3.2 基于反馈回路的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 数据采集电路硬件设计与性能分析
• 3.1 数据采集系统工作原理
• 3.2 数据采集系统各单元电路设计
• 3.2.1 放大及滤波设计
• 3.2.2 模数转换电路设计
• 3.2.3 并串转换电路设计
• 3.3 数据采集系统软件设计
• 3.4 电路性能分析
• 3.4.1 放大器输入误差分析
• 3.4.2 ADC性能分析
• 3.4.3 电源与电压参考源
• 3.5 本章小结
• 第4章 加速度计温度误差补偿方法研究
• 4.1 石英挠性加速度计的误差源
• 4.2 石英挠性加速度计温度效应
• 4.2.1 石英挠性加速度计自加热
• 4.2.2 由自加热和对流产生的温度梯度场
• 4.3 石英挠性加速度计温度补偿结构的设计
• 4.3.1 力矩器热敏磁分路补偿法
• 4.3.2 电路补偿法
• 4.3.3 改善加速度计工作环境温度
• 4.4 温度模型的建立
• 4.4.1 单温度点的系数估计
• 4.4.2 多温度点的系数估计
• 4.5 正交多项式拟合
• 4.6 本章小结
• 第5章 测试与试验数据分析
• 5.1 测试与数据处理基本方法
• 5.1.1 测量方法误差
• 5.1.2 插值法
• 5.1.3 数据拟合法
• 5.2 仪器使用与系统标定
• 5.2.1 仪器使用几点考虑
• 5.2.2 数据采集系统的标定
• 5.3 测试数据分析
• 5.3.1 放大电路温度试验
• 5.3.2 硬件电路温度补偿
• 5.3.3 加速度计温度漂移测试与温度误差补偿
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢