RU2785080C1 - Способ определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа - Google Patents
Способ определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2785080C1 RU2785080C1 RU2022104560A RU2022104560A RU2785080C1 RU 2785080 C1 RU2785080 C1 RU 2785080C1 RU 2022104560 A RU2022104560 A RU 2022104560A RU 2022104560 A RU2022104560 A RU 2022104560A RU 2785080 C1 RU2785080 C1 RU 2785080C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- determined
- hemispherical resonator
- determining
- measured
- Prior art date
Links
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 13
- 239000010453 quartz Substances 0.000 title claims abstract description 13
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 13
- 239000007787 solid Substances 0.000 title 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000003534 oscillatory Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000000306 recurrent Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 7
- 230000003094 perturbing Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 238000011045 prefiltration Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике. Способ определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа заключается в том, что используются отсчеты аналого-цифрового преобразователя, для определения измеряемой частоты применяется метод наименьших квадратов в триады моментов времени. Результаты аналого-цифрового преобразования реакции колебательной системы на первоначальное возмущающее воздействие используются в качестве входной дискретной последовательности для упрощенного стационарного фильтра Калмана, включающего этап экстраполяции и этап коррекции. В зависимости от полученной матрицы отклонения определяется текущая оценка значения напряжения, затем полученная оценка значения напряжения используется в качестве входной дискретной последовательности для переопределенной системы линейных алгебраических уравнений. Фактическая частота измеряемых колебаний определяется с помощью рекуррентной реализации метода наименьших квадратов для решения переопределенной системы линейных алгебраических уравнений. Технический результат - уменьшение времени функциональной готовности ВТГ за счет уменьшения времени возбуждения кварцевого полусферического резонатора, определение фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора в условиях низкого отношения сигнал-шум. 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения частоты колебаний физических величин с высокой точностью, в том числе для определения частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа (ВТГ).
Известен способ измерения резонансной частоты [1], осуществляющий режим поиска, в котором на каждой итерации на вход резонатора подают сигналы с частотами 
и 
находящимися в диапазоне измерения измеряемой резонансной частоты, измеряют амплитуды сигналов на выходе резонатора 
и 
соответствующие указанным частотам, а затем вычисляют частоту 
по формуле:
где b и h - параметры, определяющие время настройки на резонансную частоту и точность измерения этой частоты. Недостатком этого способа является то, что по принципу исследования он применим для высокочастотных систем с низкой добротностью (по сравнению с кварцевым полусферическим резонатором). Колебательные системы с высокой добротностью обладают узкой полосой пропускания по уровню 0.7.
Также известен способ измерения резонансной частоты [2], основанный на последовательном возбуждении в резонаторе колебаний различных частот из заданного набора, фиксирования этих частот и соответствующих им значений амплитуды выходного сигнала резонатора. Для каждой из частот возбуждения фиксируют амплитуду выходного сигнала после затухания переходного процесса в резонаторе, аппроксимируют полученную дискретную зависимость амплитуды от частоты непрерывной функцией и резонансную частоту резонатора определяют по максимуму этой функции. Недостатком этого способа является ограничение на вычислительную мощность используемой аппаратуры, поскольку построение дискретной амплитудно-частотной характеристики занимает длительное время, что увеличивает время функциональной готовности.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения частоты гармонических колебаний [3], включающий операции аналого-цифрового преобразования сигнала, запоминания его значений в N следующих одна за другой триадах моментов времени, отличающийся тем, что частоту сигнала а? определяют в соответствии с выражением:
где T - период дискретизации (с);
U1i, U2i, U3i - значения кодов по выходу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в i-ой триаде отсчетов, причем выбор частоты дискретизации сигнала, расстановку триад во времени и выбор их количества осуществляют и условия:
Частоту дискретизации напряжений измеряемого сигнала задают из условия:
где Fсигн - верхняя частота ожидаемого диапазона частот сигнала.
Предлагаемый в патенте способ обладает недостатком, заключающимся в том, что использование метода наименьших квадратов для вычисления частоты в условиях низкого отношения сигнал-шум не позволяет с высокой точностью (порядка единиц (мГц) определить искомую величину за короткий промежуток времени (порядка 100 (мс). В случае применения данного способа для измерения частоты колебательной системы с высокой добротностью (Q>107) требуется высокая точность при минимальном времени обработки измерительной информации.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора ВТГ в условиях низкого отношения сигнал-шум при минимальном времени обработки измерительной информации.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора ВТГ, характеризующийся тем, что используются отсчеты аналого-цифрового преобразователя, для определения измеряемой частоты применяется метод наименьших квадратов в триады моментов времени. Результаты аналого-цифрового преобразования реакции колебательной системы на первоначальное возмущающее воздействие используются в качестве входной дискретной последовательности для упрощенного стационарного фильтра Калмана, включающего этап экстраполяции, на котором проводят оценку значения напряжения на текущем шаге измерения по предыдущему шагу, и этап коррекции, на котором по полученной оценке значения напряжения определяется отклонение измеренного напряжения от ожидаемого значения напряжения. В зависимости от полученной матрицы отклонения, определяется текущая оценка значения напряжения, затем полученная оценка значения напряжения используется в качестве входной дискретной последовательности для переопределенной системы линейных алгебраических уравнений. Фактическая частота измеряемых колебаний определяется с помощью рекуррентной реализации метода наименьших квадратов для решения переопределенной системы линейных алгебраических уравнений.
В предлагаемом способе определение фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора разделено на 4 этапа:
1) Измерение реакции колебательной системы на первоначальное возмущающее воздействие, описываемое уравнением:
где U0 - амплитуда сигнала (В);
ϕ0 - начальная фаза воздействия (рад);
U1 - постоянное смещение (В);
t - время (с).
Измерение реакции колебательной системы на первоначальное возмущающее воздействие происходит с частотой ωАЦП:
2) Этап экстраполяции, заключающийся в оценке значения напряжения на текущем шаге измерения по предыдущему шагу (начальные условия нулевые):
где 
- экстраполяция вектора состояния процесса с шага n-1 на текущий шаг, размерность 2×1;
F - матрица эволюции процесса размерности 2×2:
где Δt - шаг дискретизации (с).
3) Этап коррекции, в котором, по полученной оценке значения напряжения на текущем шаге по предыдущему шагу, определяется отклонение и, в зависимости от полученной матрицы отклонения, определяется текущая оценка 
:
где 
- отклонение измерения, полученного на k-ом шаге, от ожидаемого наблюдения;
Uk - значение измеряемой величины на текущем шаге;
Kk - оптимальная матрица коэффициентов усиления Калмана, размерностью 2×1.
Поскольку ожидаемое наблюдение оценивается по значению координаты матрица измерений H применена следующей:
Полученная дискретная последовательность оценки координаты 
используется в следующем этапе.
4) Определение фактической частоты измеряемых колебаний с помощью рекуррентного решения переопределенной системы линейных алгебраических уравнений методом наименьших квадратов. Искомая частота ωизм, определяется из следующего выражения:
где Un-2+k, Un+k, Un+2+k - значения измеряемой величины, взятые в моменты времени, отстоящие друг от друга на два периода опроса. В соответствии с методом наименьших квадратов, числитель и знаменатель правой части выражения (7) составляют вектор-столбцы переопределенной системы алгебраических уравнений. В этом случае, выражение (7) принимает вид (8).
где A и B - вектор-столбцы, определяемые знаменателем и числителем выражения (7), соответственно. Произведения в правой части определены рекурсивно:
где ak и bk - компоненты вектор-столбцов A и B, определяемые на k-ом шаге.
Фактическая частота 
определяется по истечении времени измерения в соответствии с выражением (11):
где 
- период дискретизации (с).
Для подтверждения возможности осуществления заявляемого способа использован экспериментальный стенд (см. чертеж). Состав стенда: 1 - измерительный электрод ВТГ, 2 - усилитель съема, 3 - предварительный фильтр, 4 - аналого-цифровой преобразователь, 5 - микроконтроллер, 6 - синтезатор частоты, 7 - электрод возбуждения ВТГ.
Принцип работы устройства заключается в следующем: на электрод возбуждения 7 ВТГ подается переменное напряжение с синтезатора частоты 6 в соответствии с выражением (1). Реакция на сигнал возбуждения принимается с измерительного электрода 1 ВТГ и подается на усилитель съема 2. Полученный сигнал, проходя через предварительный фильтр 3, подается на вход аналого-цифрового преобразователя 4, после чего в цифровой форме передается в микроконтроллер 5 для предварительной фильтрации и измерения частоты в соответствии с заявленным способом.
Таким образом, предложен способ определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора ВТГ, характеризующийся тем, что используются отсчеты аналого-цифрового преобразователя, для определения измеряемой частоты применяется метод наименьших квадратов в триады моментов времени. Результаты аналого-цифрового преобразования реакции колебательной системы на первоначальное возмущающее воздействие используются в качестве входной дискретной последовательности для упрощенного стационарного фильтра Калмана, включающего этап экстраполяции, на котором проводят оценку значения напряжения на текущем шаге измерения по предыдущему шагу, и этап коррекции, на котором по полученной оценке значения напряжения определяется отклонение измеренного напряжения от ожидаемого значения напряжения. В зависимости от полученной матрицы отклонения, определяется текущая оценка значения напряжения, затем полученная оценка значения напряжения используется в качестве входной дискретной последовательности для переопределенной системы линейных алгебраических уравнений. Фактическая частота измеряемых колебаний определяется с помощью рекуррентной реализации метода наименьших квадратов для решения переопределенной системы линейных алгебраических уравнений.
Применение фильтра Калмана для предварительной фильтрации, позволяет увеличить отношение сигнал-шум, тем самым улучшить начальные условия для определения частоты. Реализация фильтра Калмана не накладывает ограничения на применяемую элементную базу.
Техническим результатом применения предлагаемого способа является уменьшение времени функциональной готовности ВТГ за счет уменьшения времени возбуждения кварцевого полусферического резонатора, определение фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора в условиях низкого отношения сигнал-шум (≈ 10-4 Гц) на частоте дискретизации 20 кГц при отношении сигнал-шум 25 дБ по сравнению с точностью наиболее близкого аналога (≈ 10-3 Гц) при тех же условиях.
Источники информации
1. Патент RU 2691291 «Способ измерения резонансной частоты».
2. Патент RU 2536833 «Способ измерения резонансной частоты».
3. Патент RU 2111496 «Способ измерения частоты гармонических колебаний».
4. Kalman R.E. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems // Transactions of the ASME - Journal of Basic Engineering. - 1960. - №82. - P. 35-45.
Claims (1)
- Способ определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа, характеризующийся тем, что используются отсчеты аналого-цифрового преобразователя, для определения измеряемой частоты применяется метод наименьших квадратов в триады моментов времени, отличающийся тем, что результаты аналого-цифрового преобразования реакции колебательной системы на первоначальное возмущающее воздействие используются в качестве входной дискретной последовательности для упрощенного стационарного фильтра Калмана, включающего этап экстраполяции, на котором проводят оценку значения напряжения на текущем шаге измерения по предыдущему шагу, и этап коррекции, на котором по полученной оценке значения напряжения определяется отклонение измеренного напряжения от ожидаемого значения напряжения и, в зависимости от полученной матрицы отклонения, определяется текущая оценка значения напряжения; затем полученная оценка значения напряжения используется в качестве входной дискретной последовательности для переопределенной системы линейных алгебраических уравнений; фактическая частота измеряемых колебаний определяется с помощью рекуррентной реализации метода наименьших квадратов для решения переопределенной системы линейных алгебраических уравнений.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2785080C1 true RU2785080C1 (ru) | 2022-12-02 |
Family
ID=
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU3288097A (en) * | 1996-05-31 | 1998-01-05 | California Institute Of Technology | Silicon macromachined symmetric vibratory gyroscope sensor |
| RU2111496C1 (ru) * | 1992-09-18 | 1998-05-20 | Дадочкин Сергей Васильевич | Способ измерения частоты гармонических колебаний |
| US6698287B2 (en) * | 2001-08-10 | 2004-03-02 | The Boeing Company | Microgyro tuning using focused ion beams |
| US20050031139A1 (en) * | 2003-08-07 | 2005-02-10 | Tymphany Corporation | Position detection of an actuator using impedance |
| RU2256928C2 (ru) * | 2003-07-21 | 2005-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" | Способ измерения нестабильности частоты и устройство для его осуществления |
| WO2010080383A1 (en) * | 2009-01-07 | 2010-07-15 | Sensor Platforms, Inc | System and method for determining an attitude of a device undergoing dynamic acceleration using a kalman filter |
| RU2671305C1 (ru) * | 2017-07-11 | 2018-10-30 | Евгений Борисович Югай | Способ осуществления автоматизированной аутентификации пользователя на основании его подписи |
| CN109655050B (zh) * | 2019-01-31 | 2020-04-24 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法 |
| CN108489475B (zh) * | 2018-02-28 | 2020-10-20 | 北京控制工程研究所 | 一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法及装置 |
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2111496C1 (ru) * | 1992-09-18 | 1998-05-20 | Дадочкин Сергей Васильевич | Способ измерения частоты гармонических колебаний |
| AU3288097A (en) * | 1996-05-31 | 1998-01-05 | California Institute Of Technology | Silicon macromachined symmetric vibratory gyroscope sensor |
| US6698287B2 (en) * | 2001-08-10 | 2004-03-02 | The Boeing Company | Microgyro tuning using focused ion beams |
| RU2256928C2 (ru) * | 2003-07-21 | 2005-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" | Способ измерения нестабильности частоты и устройство для его осуществления |
| US20050031139A1 (en) * | 2003-08-07 | 2005-02-10 | Tymphany Corporation | Position detection of an actuator using impedance |
| WO2010080383A1 (en) * | 2009-01-07 | 2010-07-15 | Sensor Platforms, Inc | System and method for determining an attitude of a device undergoing dynamic acceleration using a kalman filter |
| RU2671305C1 (ru) * | 2017-07-11 | 2018-10-30 | Евгений Борисович Югай | Способ осуществления автоматизированной аутентификации пользователя на основании его подписи |
| CN108489475B (zh) * | 2018-02-28 | 2020-10-20 | 北京控制工程研究所 | 一种半球谐振陀螺谐振子振动信号检测方法及装置 |
| CN109655050B (zh) * | 2019-01-31 | 2020-04-24 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2003090869A (ja) | インピーダンスの測定装置 | |
| US10119895B2 (en) | Method, circuit and flexural resonator for measuring the density of fluids | |
| RU2785080C1 (ru) | Способ определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа | |
| JP2003157142A (ja) | 位相ディジタイザ | |
| SU1406524A1 (ru) | Способ измерени добротности контура | |
| SU737884A1 (ru) | Устройство дл измерени электрофизических характеристик пьезокерамических резонаторов | |
| RU2728245C1 (ru) | Устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны | |
| CN103674486A (zh) | 一种激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法 | |
| RU2795381C1 (ru) | Способ определения емкости датчика и измерительная цепь для его осуществления | |
| Tankeliun et al. | Hybrid time-base for sampling oscilloscope | |
| SU798185A1 (ru) | Способ контрол процесса вибро-ОбРАбОТКи КОНСТРуКций и уСТРОйСТВОдл ЕгО ОСущЕСТВлЕНи | |
| RU2691291C1 (ru) | Способ измерения резонансной частоты | |
| SU1576867A1 (ru) | Адаптивный спектроанализатор | |
| SU824080A1 (ru) | Преобразователь малых приращений емкостиили иНдуКТиВНОСТи B КОд | |
| RU2129284C1 (ru) | Устройство для измерения параметров пьезоэлементов в технологическом процессе изготовления | |
| Imaike et al. | Fully Digital QCM using Twin Quartz Sensor | |
| SU750481A1 (ru) | Устройство дл цифровой обработки сигналов | |
| JPH10132874A (ja) | 周波数測定装置 | |
| SU508751A1 (ru) | Измеритель коэффициента нелинейныхискажений | |
| SU960604A1 (ru) | Устройство дл определени коэффициента теплового расширени твердых тел | |
| SU1297261A1 (ru) | Способ определени частоты антирезонанса пьезорезонаторов | |
| SU516003A1 (ru) | Устройство дл измерени параметров кварцевых резонаторов | |
| SU716135A1 (ru) | Способ неразрушающего контрол качества пьезоэлементов | |
| SU129679A1 (ru) | Способ измерени реактивных эквивалентных электрических параметров пьезоэлектрических резонаторов | |
| RU2235335C2 (ru) | Устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик |