Kuvars Esnek İvme Ölçer Dijital Kapalı Döngü Algılama Devresinin Gürültüsü Üzerine Araştırma
Zhang Shengyan, Liu Dong, Feng Zhongwei, Chen Yukun
(Araştırma ve Geliştirme Merkezi, Çin Fırlatma Aracı Teknolojisi Akademisi, Pekin 100076)
Mevcut dijital kapalı döngü kuvars esnek ivmeölçeri (Dijital Kapalı Döngü kuvars esnek İvmeölçer, DCLA) gerçek ölçüm doğruluğunu ve bir büyüklük sırası probleminin teorik sınır doğruluğunu çözmek için, DCLA kapalı döngü algılama devresi gürültü analizi. Bir kapalı döngü sistem hata modeli oluşturun, adım adım gürültü algılama yöntemini benimseyin, gürültü ayrımına dayalı bir açık döngü gürültü testi platformu oluşturun ve diferansiyel kapasite algılama bağlantısının (C / V) sistem doğruluğunu etkileyen ana faktör olduğunu belirleyin. Bu temelde, geliştirilmiş test prototipi üzerinde sıfır yanlılık stabilite testi gerçekleştirildi ve test sonuçları üzerinde Allan varyans analizi gerçekleştirildi. Deneysel sonuçlar, iyileştirilmiş DCLA sisteminin doğruluğunun 65,49 g'den 12,24 g'ye yükseltildiğini göstermektedir ki bu temelde teorik doğruluk ile tutarlıdır.Teorik analiz yönteminin doğruluğunu tamamen doğrular ve dijital kapalı döngü ivmeölçer sistemini daha da iyileştirmek ve optimize etmek için rehberlik ve temel sağlar.
Dijital kapalı döngü; kuvars ivmeölçer; algılama devresi; gürültü analizi
Kuvars esnek ivmeölçer, yüksek doğruluk, iyi uzun vadeli kararlılık, küçük boyut, basit yapı vb. Avantajlara sahiptir ve çeşitli eylemsiz navigasyon, kılavuzluk, ölçüm ve kontrol alanlarında [1-2] önemli bir rol oynar. Geleneksel kuvars esnek ivmeölçerler genellikle analog servo devreleri ve çıkış analog sinyalleri kullanır. Navigasyon bilgisayarı için dijital bilgi sağlamak için bir açık döngülü analogdan dijitale dönüştürme devresi gereklidir. Şu anda, yerli bilim adamlarının kuvars esnek ivmeölçerler üzerine araştırmaları esas olarak sayaç kafası bileşenlerinin ve analogdan dijitale dönüşüm devrelerinin (I / F, V / F, A / D) iyileştirilmesine odaklanmıştır. I / F ve V / F şemaları, frekans ölçüm yongalarının kullanılması nedeniyle yüksek dönüşüm doğruluğu elde edebilmesine rağmen, sistemin dönüştürme oranı çok hızlı olamaz ve maliyeti yüksektir; A / D dönüştürme şeması için, sistem dönüştürme doğruluğu Çip sayısıyla sınırlı, özellikle küçük sinyaller durumunda, sistem dönüştürme hatası nispeten büyüktür [3]. Analog kuvars esnek ivmeölçerin kullanılan cihazlara oldukça bağımlı olduğu ve doğruluk kaybı problemini çözmenin zor olduğu görülebilir.
Bu yazıda önerilen dijital kapalı döngü çözümüne dayanan kuvars esnek ivmeölçer, dijital büyüklükleri doğrudan çıkarabilir.Teoride, açık döngü analogdan dijitale dönüşümün neden olduğu doğruluk kaybı yoktur ve analog akım geri beslemesinin kullanılması nedeniyle, darbelerin artışını önleyebilir. Sayaç başlığının [4] yorulma problemi, güçlü anti-parazit yeteneği, yüksek güvenilirlik ve güçlü kontrol edilebilirlik avantajlarına sahiptir ve çok çeşitli uygulama olanaklarına sahiptir.
Yüksek hassasiyetli atalet navigasyon sistemlerinin sürekli gelişmesiyle birlikte, ivmeölçerler için doğruluk gereksinimleri gittikçe artmaktadır ve gürültü, dijital ivme ölçer sisteminin doğruluğunu sınırlayan önemli bir faktördür.Bu nedenle, dijital ivmeölçerin ölçüm doğruluğunu iyileştirmek için sistem gürültüsünü kontrol etmek gerekir. Özelliklerin derinlemesine incelenmesi. Mevcut kuvars esnek sarkaç ivmeölçerin dijital kapalı döngü algılama şemasına dayanan bu makale, kapalı döngü sistemindeki çeşitli hata kaynaklarını hata oluşturma mekanizmasına göre belirler, kapalı döngü sistem hata modelini kurar, her hata parametresinin sistem doğruluğu üzerindeki etkisini analiz eder ve son olarak geçer. Gürültü sınıflandırma testi, sistemin doğruluğunu etkileyen anahtar bağlantıları belirler ve bu temelde, teorik analiz sonuçlarını doğrulamak için deneysel prototip geliştirilir ve test edilir.
1 çalışma prensibi
Bu makalede incelenen dijital ivmeölçer algılama sisteminin blok diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir. Esas olarak iki bölümden oluşur, bir mekanik sayaç ve bir dijital kapalı döngü algılama devresi. Sayaç başı kontrol kalite bileşeni, kaplanmış bir kuvars sarkaç ve ona yapıştırılmış iki tork bobininden oluşur.Hassas dış ivme, esnek bir sarkaç ve üst ve alt plakalardan oluşan diferansiyel bir kapasitör aracılığıyla algılanabilir hale getirilir. Elektrik sinyali, daha sonraki işlemler için dijital kapalı döngü algılama devresine gönderilir [5-6].
Dijital kapalı döngü algılama devresi, çekirdek olarak FPGA'yı alır ve temel olarak dört bölümden oluşur: geleneksel analog algılama devresinin ve ardından analogdan dijitale dönüştürme döngüsünün yerini alan kapasitans modülasyon sinyali, analog diferansiyel amplifikasyon, dijital sinyal işleme ve geri besleme akımı sürücüsü.Şekil 3 Kapalı döngü sistemindeki gürültü Transfer simülasyon modeli bölümü, ana işlevleri şunları içerir: (1) ivmeölçer ölçerin kapasitansını modüle etmek için kullanılan bir modülasyon sinyali üretmek; (2) sayaç tarafından hızlanma sinyali çıkışını almak; (3) hızlanma sinyali ile doğrusal olan çıktı geri bildirimi Servo dengesini sağlamak için akım sinyali; (4) Dijital bilgileri doğrudan navigasyon bilgisayarına gönderir.
2 teorik araştırma
2.1 Hata modeli oluşturma
DCLA sisteminin sinyal akış yönüne göre, Şekil 2'de gösterildiği gibi bir kapalı döngü sistem hata modeli oluşturulur. Burada ain, giriş şaftı boyunca hareket eden ivme, p sarkaç ekseni boyunca hareket eden ivme, KB sarkaç, Md bozulma momenti, J çıkış şaftı etrafındaki sarkaç düzeneğinin atalet momentidir, C sarkaç düzeneğinin sönümleme katsayısı ve Ks ise Esnek sarkacın birleşik sertliği, , sinyal sensörünün mekanik sıfır konumu ile sarkaç düzeneğinin mekanik sıfır konumu arasındaki elastik geri kazanım açısıdır, k1 diferansiyel sensör katsayısıdır, kCV, C / V dönüşüm devresinin servo yükselticisinin kazanç katsayısıdır ve kAD, A / D'dir. Dönüşüm katsayısı, kDA, D / A dönüşüm katsayısı, kVI, V / I dönüşüm bağlantısının dönüşüm katsayısı, kt tork dönüştürücü katsayısı, nCV devre termal gürültüsü, nAD, A / D niceleme gürültüsü ve nDA, D / A niceleme gürültüsüdür.
Bu sistemdeki ana gürültü bağlantılarının, metre başı bileşen bağlantısı, diferansiyel kapasite algılama bağlantısı, A / D dönüştürme bağlantısı ve D / A dönüştürme bağlantısını içerdiği görülebilir.Teorik analiz yoluyla, her bağlantının gürültü kökü ortalama kare değeri şu şekilde elde edilir: Tablo 1 [7] 'yi göstermektedir. Dijital ivmeölçer sisteminin çıkışındaki kirlilik gürültüsü beyaz gürültü olduğunda, kapalı devre algılama sisteminin 1 sn çıkıştaki teorik doğruluğu 5.2364 g olarak elde edilebilir.
2.2 Simulink modelleme ve simülasyon
Yukarıdaki analiz sonuçlarına dayanarak, Şekil 3'te gösterildiği gibi, her bir bağlantının gürültü kaynaklarına dayalı Simulink simülasyon modelleri, sürekli alanda ve dijital alanda oluşturulur.
Simülasyon sonuçlarına göre, diferansiyel kapasitans algılama bağlantısının sistem doğruluğunu etkileyen ana faktör olduğu ve gürültü seviyesinin A / D ve D / A dönüştürücü sayısı ile ilgisi olmadığı görülebilmektedir.Bu nedenle, sistem statik doğruluk seviyesini iyileştirmek için kapasitans algılama bağlantısının daha da iyileştirilmesi gerekmektedir. Verim.
3 deneysel araştırma
3.1 Açık döngü gürültü sınıflandırma testi
Dijital ivmeölçer algılama devresinin ileri kanalındaki çeşitli gürültü kaynaklarının sistemin çıkışı üzerindeki etkisini analiz etmek için, açık döngü durumunda, gürültü sınıflandırma testi arkadan öne ve adım adım algılama yöntemi ile gerçekleştirilir [8] Deneysel prensip Şekil 4'te gösterilmiştir. Gösterildi.
İlk olarak, geri besleme ve modülasyon kanallarının bağlantısını kesin ve A / D giriş terminalini topraklayın. İvmeölçerin ortaya çıkan açık döngü çıkışı, A / D bağlantısının niceleme gürültüsüdür; ikinci olarak, C / V dönüşümü ve A / D dönüşümü arasındaki bağlantıyı geri yükleyin. Diferansiyel kapasitörün giriş terminalini toprağa bağlayın, çıkış C / V ve A / D'nin entegre gürültüsü olacaktır.Son olarak, modülasyon bağlantısını açın ve ikisini bağlayın
Aynı kapasitans değerine sahip monolitik bir kapasitör, sayaç kapasitörünün yerini alır ve ortaya çıkan çıktı, üç modülasyon bağlantısının, C / V ve A / D'nin entegre gürültüsüdür.
Gürültünün bağımsız hareketi prensibine göre, kare ve kök formülü kullanılarak, A / D niceleme gürültüsü, C / V algılama devresi gürültüsü ve modülasyon bağlantı gürültüsünün eşdeğer ivmeleri sırasıyla 0.709 g, 18.918 g ve 3.423 g olarak hesaplanır. Açık döngü durumunda, A / D niceleme gürültüsünün sistem doğruluğu üzerinde küçük bir etkiye sahip olduğu, C / V algılama devresi gürültüsünün ise% 82.07 olduğu görülebilmektedir ki bu, sistem doğruluğu üzerinde en önemli etkiye sahiptir.
Yukarıda bahsedilen teori ve deneysel sonuçların tümü, diferansiyel kapasitans algılama devresinin sistemin doğruluğunu etkileyen ana faktör olduğunu göstermektedir, bu nedenle aşağıdaki şekilde iyileştirilmiştir: (1) T-tipi direnç ağı konfigürasyon yöntemi, büyük direnç ve düşük gürültü arasındaki sorunu çözmek için benimsenmiştir. Çelişki; (2) Sayacın parazitik kaçak kapasitansının etkisini azaltmak için "sürücü kablosu" ve eşpotansiyel koruma teknolojisini kullanın. Yukarıda bahsedilen açık döngü gürültü testi deneyi, geliştirilmiş prototip üzerinde tekrarlanmıştır Test sonuçları Şekil 5'te gösterilmektedir. Ölçülen A / D niceleme gürültüsü, C / V algılama devresi gürültüsü ve modülasyon bağlantısı gürültü eşdeğeri ivmesi sırasıyla 0.856 g ve 5.168 g'dir. , 2.591 g. İyileştirmeden sonra prototipin gürültü seviyesinin büyük ölçüde iyileştirildiği görülebilir.
3.2 Önyargı kararlılığı testi
Kararlı durumda, dijital ivmeölçerin statik çıkışı kararlı rastgele bir süreçtir ve çıkış değeri ortalama değer etrafında dalgalanacaktır.Önyargı kararlılığı ivmeölçerin statik doğruluk performansını ölçmek için önemli bir göstergedir. Güç spektrumu gürültü yoğunluğu PSD, Allan varyansı veya kök ortalama kare etkili değer değerlendirilir. Geliştirilmiş prototipe dayanarak, bu makale bir DCLA sistem test platformu oluşturur.Şekil 6'da gösterildiği gibi, DCLA sıfır yanlılık stabilite testi bu platform altında gerçekleştirilir.Aynı zamanda, fiber optik jiroskop veri analizi yöntemine benzer ve geliştirilmiş DCLA sistemini karşılaştırmak için Allan varyans yöntemi kullanılır. Doğruluk değerlendirilir.
Şekil 7, 1 g konumunda dijital ivmeölçerin iyileştirilmesinden önce ve sonra çıktı kararlılığı test sonuçlarını göstermektedir. Elde edilen verilere göre standart sapmanın hesaplanmasıyla, iyileştirilmiş sistem doğruluğu (sıfır yanlılık kararlılığı) 65,49 g'den 12,24 g'ye yükseldi, bu da teorik doğrulukla belirli bir boşluğa sahip. Nedeni, sistem çıkış sinyalinin ideal beyaz gürültü dağılımı olmaması, bu nedenle ölçülen doğruluk düşük. N kuralı altındaki teorik doğruluk.
3.3 Allan varyans analizi
Bu deneyde, ivmeölçer çıkış verileri 1 saat boyunca statik olarak toplanır ve örnekleme zaman aralığı 10 ms'ye ayarlanır.Analog fiber optik jiroskop ivmeölçerde [9] çeşitli sesler alır ve ivmeölçer Allan standart sapma çift logaritmik eğri Şekil 8'de gösterilir. Gösterildi.
Geliştirilmiş prototipin Allan standart sapma çift logaritmik eğrisinin nispeten düzgün olduğu görülebilir.İvme rampası katsayısı R'ye ek olarak, nicelenmiş gürültü katsayısı Q, hız rastgele yürüyüş N, sapma kararsızlığı katsayısı B ve ivme rastgele yürüme katsayısı K Göstergeler büyük ölçüde geliştirildi.
4. Sonuç
Dijital kapalı döngü ivmeölçerin çalışma prensibine göre, bu makale sayaç kafası mekanik bağlantısının, diferansiyel kapasitans algılama devre bağlantısının ve A / D, D / A dönüşüm bağlantısının gürültü özelliklerinin derinlemesine bir analizini gerçekleştirir ve farkı doğrulamak için gürültü sınıflandırma testini geçer. Kapasitans algılama devresi, sistem doğruluğunu etkileyen ana bağlantıdır.Sistem prototipinin iyileştirme öncesi ve sonrası sıfır yanlılık kararlılığı testi, sistem doğruluğunu 65,49 g'den 12,24 g'ye çıkarmıştır.Ölçülen sonuç ve teorik doğruluk temelde aynı seviyededir.Aynı zamanda, Allan varyans çifti tanıtılmıştır. Geliştirilmiş prototipin performans değerlendirmesi, yüksek hassasiyetli eylemsiz navigasyon sisteminin gereksinimlerini karşılayabilir.
Bu makalenin araştırma sonuçları, dijital kapalı döngü ivmeölçer sisteminin ölçüm doğruluğunu optimize etmek ve iyileştirmek için teorik temel ve pratik rehberlik sağlayabilir ve ilgili araştırma yöntemleri, diğer zayıf sinyal algılama sistemlerinin doğruluk analizi için de kullanılabilir.
Referanslar
1 Gu Ying. Eylemsiz ivmeölçer teknolojisine genel bakış J. Flying Missile, 2001,18 (6): 78-85.
[2] Wang Wei.Yüksek hassasiyetli ivmeölçer ölçüm sisteminin analizi ve tasarımı D Harbin: Harbin Mühendislik Üniversitesi, 2011.
[3] Wei Yuan Dijital kapalı döngü kuvars esnek ivmeölçer sisteminin tasarımı ve uygulaması D Pekin: Pekin Havacılık ve Uzay Üniversitesi, 2012.
[4] Yi Hongwen.Kuvars esnek ivmeölçer için çift genişlikli modülasyonlu dijital darbe kontrol sisteminin geliştirilmesi J. Journal of Chinese Inertial Technology, 1996, 4 (4): 31-36.
[5] Zhang Xi, Zhang Shengyan, Cao Qiaoyuan Dijital kapalı döngü kuvars esnek ivme ölçüm hata analizi ve deneysel araştırma J. Sensors and Microsystems, 2013.32 (11): 33-36.
[6] Zhang Xi, Zhang Shengyan, Li Lijing, ve diğerleri Döngü parametrelerinin dijital kapalı döngü ivmeölçerin dinamik özellikleri üzerindeki etkisi J. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2014,40 (4): 455-460.
[7] Zhang Xi, Zhang Shengyan Dijital kapalı döngü kuvars esnek ivmeölçer sinyal algılama teknolojisi J Kızılötesi ve Lazer Mühendisliği, 2014, 43 (10): 3356-3362.
8 Feng Lishuang, Su Ni, Lei Ming, vd. Rezonant entegre optik jiroskop No J üzerinde Gürültü analizi ve deneysel araştırma Optik Teknolojisi, 2012 (6): 712-717.
[9] Yan Gongmin Ataletsel cihaz testi ve veri analizi M Beijing: National Defense Industry Press, 2012.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
