基于激光传感器的石英摆片频率参数测量系统研究

摘要

石英摆片作为石英加速度计的核心敏感元件，已经被广泛应用于各种飞行器、船舶、陆军地面车辆、战术导弹、潜艇等惯性导航领域。石英摆片的加工质量直接影响到石英加速度计的性能，因此对石英摆片的加工质量检测是尤为重要的。而石英摆片的刚度参数特性是表征石英摆片质量的重要指标。本文通过测量石英摆片的自振频率和扭振频率，从而进一步计算得到其刚度参数。目前存在的测量方法种类繁多，其测量原理也不尽相同，但是随着高新技术的发展，人们更注重于寻求测量效率高和准确度高的测量方法。
　　本文的具体研究内容和工作如下：
　　首先，分析了石英摆片振动频率的测量原理，比较了各种测量方法的优缺点，根据课题需要选择了瞬态激励测量法；针对石英摆片振动数据信号的特点，对比了不同的谱估计方法的原理和特点，确定了使用基于混合非线性迭代的最大似然估计算法，同时由于自振频率及其谐波分量的幅值较大，本文采用设计数字滤波器完成对两种频率信号的分离，从而实现对两种频率的高精度估计；重点分析了影响采集数据质量的四种因素：检测光斑位置、气源强度控制、气源时间控制、摆片安放位置，并根据这四种影响因素提出了相应部件的设计要求。
　　其次，完成了采集数据处理算法的设计和人机界面的设计，实现了石英摆片频率智能化测量功能。通过对振动信号数据的频谱分析，利用带通滤波器将自振频率和扭振频率分离开来。比较了多种模拟滤波器的特性，根据双线性变换，设计了契比雪夫带通滤波器。对滤波后数据进行最大似然估计得到摆片的两种振动频率值。并利用多线程机制实现了石英摆片振动信号的循环测量。
　　最后，搭建了石英摆片频率测量的实验平台，分析了各种因素对测量结果的影响，并进行了石英摆片频率测量实验。实验结果表明，该系统测得石英摆片自振频率重复精度达0.01Hz，扭振频率重复性达0.1Hz，实现了石英摆片频率参数的高精度测量。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 石英摆片刚度测量研究现状

1.3 频率估计的研究历史与现状

1.4 课题主要研究工作

第2章 测量原理与系统总体设计

2.1 引言

2.2 瞬态激励测量法测量原理

2.3 基于激光三角法的石英摆片振动频率瞬态激励测量结构

2.4 测量系统的结构组成

2.5 测量数据质量影响因素分析

2.6 本章小结

第3章 最大似然频率估计算法

3.1 引言

3.2 常用的频率估计方法

3.3 Rife算法

3.4 最大似然频率估计算法

3.5 本章小结

第4章 系统软件设计

4.1 引言

4.2 石英摆片振动模型分析

4.3 数字滤波器设计

4.4 人机界面设计

4.5 本章小结

第5章 实验与分析

5.1 引言

5.2 契比雪夫I型滤波器滤波效果验证实验

5.3 最大似然算法验证实验

5.4 测量数据稳定性试验

5.5 石英摆片测量试验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果

致谢