CN104132669B - 一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，首先利用惯性器件工作时内部存在的振动源，通过对其振动性能的分析和频谱的检测，获得振动能量传递的全频谱信息，结合内部各组成的结构模态，可以观测惯性器件内部各组成的耦合关系，准确计算惯性器件组成性能。本发明表征直观，操作简单，检测精度高，有效实现惯性器件的精度寿命预估。本发明适用于任何含有振动激励的***精度评估。

Description

一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法

技术领域

本发明涉及一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，尤其涉及一种通过振动频谱分析，直观评估***内部组成和工作性能的微观状态的方法，可用于惯性器件的工作精度寿命和贮存寿命的评估。本发明适用于任何含有振动激励的***精度评估，属于惯性器件技术领域。

背景技术

惯性器件属于复杂的机电***，其性能的优劣取决于其上的各组成的精度。对其性能的判定，现有型号采用的误差模型，主要从与输入线加速度、角位置或角速率等相关物理量相关的误差项入手，建立的各结构组成工程使用误差模型。优点是：简单、易操作、实用性强。缺点是判据单一，没有考虑各结构组成在***内部形成的结构模态参数耦合相关性对结构组成性能的影响，尤其是当惯性器件内部存在振动源时，其产生的线振动加速度、振动角加速度均会对惯性器件上的陀螺仪、加速度计形成振动干扰力矩，由于各结构频谱的重叠，甚至出现各结构模态参数耦合放大，形成共振区域，引起内部局部共振，产生振动误差。由于是微量级振动(约0.001g～0.01g)，容易忽略，且无法完全隔离，而现有技术对惯性器件工作精度的标定，是在敏感地速和重力加速度的状态下进行的，微振动对惯性器件输出精度的影响，无法在精度标定中准确标定，还会出现不同测试环境下输出一致性差的问题，经常是等到振动误差累积到一定程度，才能从现有测试方法检测出，微振动引起的精度损失早期不易发现，使惯性器件精度寿命预估和预判存在一定不确定性。

其实只要内部存在振动源，惯性器件各结构组成间耦合精度关系，都可以直观地在其振动全频谱的能量传递中有所体现，现在急需一种方法解决复杂机电***长期存在的由于结构组成振动耦合带来的精度损失不易评价和检测的难题，从而实现惯性器件全环境工作精度的测试覆盖性和量化判定，提高惯性器件的精度，实现惯性器件工作精度和精度寿命的预估。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，本发明通过检测信息丰富的振动频谱信号，并进行相关振动性能和耦合关系的分析，直接形成对惯性器件这类复杂***工作性能微观状态的直观评估，解决了惯性器件工作精度的判定和分析。

本发明的技术解决方案：

一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法包括步骤如下：

(1)对惯性器件内部振动源的振动激励引起的物理特性进行振动性能分析；所述的物理特性指振动加速度和振动角加速度具体分析方式如下：

线振动加速度

其中：m为引起振动激励的部件的不平衡质量；M为***受迫振动质量；C为***受迫线振动结构的阻尼系数；K为弹性刚度；x、分别为振动位移、速度、加速度，F为振动激励，e为不平衡偏距，ω为不平衡质量的旋转频率，为初始相位角；

线振动加速度包含不同振动频率f_i的振动加速度合量，即表示为：

其中：为振动频率为f_i时的线振动加速度幅值，i表示固有频率的个数，取正整数；

振动角加速度

其中：m为引起振动激励的部件的不平衡质量；J为***受迫振动质量的转动惯量；δ为***受迫角振动结构的阻尼系数；K为弹性刚度；α、 分别为振动角度、角速度、角加速度，M_扭矩为不平衡扭矩激励，ω为不平衡质量的旋转频率，r为扭矩的工作半径；

扭矩引起的振动角速度包含不同振动频率f_i的振动角速度的合量，即表示为：

其中为振动频率为f_i时的振动角速度幅值；

(2)根据步骤(1)得到的线振动加速度振动角加速度和振动角速度建立受此振动激励影响的惯性器件的关键部件陀螺仪和加速度计的误差模型；

(3)对惯性器件的关键结构陀螺仪和加速度计，进行有限元仿真、静态模态和工作模态试验，得到结构模态[f_i]，并选取与线振动加速度相关的结构模态[f_i]，其中f_i分别为模态频率；

(4)利用振动测试仪对惯性器件进行不同方位和不同环境的振动能量全频谱测试，得到步骤(3)选取的结构模态[f_i]的谱特性[H]，即不同频率的线振动加速度以及对惯性器件进行不同方位和不同环境的测试得到的惯性器件的[D]、[G]、[a]、[A]；其中[D]表示陀螺仪的误差、[G]表示陀螺仪组成的惯性***的输出、[a]表示加速度计的误差、[A]表示加速度计组成的惯性***的输出；

(5)将步骤(4)中获取的[H]、[D]、[G]、[a]、[A]代入步骤(2)的模型中，得到振动谱特性[H]和误差模型中各误差项[D]、[G]、[a]、[A]、[D₀]、进而获取与[D]、[G]、[A]、[D₀]、的关系；其中和为陀螺仪与线振动加速度耦合相关有关的的零位误差，为陀螺仪与线振动加速度有关的误差项，主要指与结构承受的加速度一次方有关的一次项、为加速度计的零偏、为振动耦合带来的陀螺仪标度系数、为受振动激励引起的加速度计标度系数；

(6)获取不同时刻的步骤(5)所述的振动谱特性[H]簇，绘制振动激励谱特性与误差项[D]、[G]、[A]、[D₀]、 的趋势曲线；

(7)对不同时刻惯性器件结构组成的振动谱特性和误差[D]、[G]、[A]、[D₀]、进行判读，判断不同时刻[D]、[G]、[A]、[D₀]、 是否同时满足设定的有效值，若满足，则惯性器件结构组装精度和工作精度满足要求；若不满足，确定形成振动耦合和相互耦合影响的结构，进而修复到达指定的工作精度。

所述惯性器件包括捷联惯性测量***、平台惯性测量***、惯性仪表。

所述陀螺仪的误差模型为

其中：[D]为陀螺仪静态误差；[D₀]为陀螺仪与线振动加速度无关的零位误差；为陀螺仪与线振动加速度和振动角加速度耦合相关的零位误差；为陀螺仪与输入加速度a₀有关的误差项；为陀螺仪与线振动加速度有关的误差项，主要指与结构承受的加速度一次方有关的一次项；

由上述陀螺仪组成的惯性器件角速度的输出[G]为：

其中：[D]为陀螺仪静态误差；[E]为安装误差；[ω]为输入角速度；[k]为陀螺仪标度系数，[k_G]为不考虑振动的标度系数；为振动耦合带来的标度系数；

加速度计误差模型：

其中[a]为加速度计的误差；为加速度计的零偏；[k₂]为与输入加速度a₀二次项有关的误差；

由上述加速度计组成的惯性测量***加速度的输出[A]模型：

其中：[A]为加速度计的输出；[k₁]为安装误差；[k_a]为不考虑振动激励的标度系数，受振动激励引起的标度系数(包括非线性误差)；[a₀]为输入加速度；[a₀]'为惯性加速度。

所述步骤(4)中的振动测试仪采用接触式和非接触式振动测试仪；所述非接触式振动测试仪采用电涡流测振仪和激光测振仪；所述接触式振动仪采用固连式的振动传感器。

所述的结构模态参数库包括各阶结构模态(比如一阶结构模态、二阶结构模态等多阶结构模态)、各结构组成惯性器件***后的各阶模态。

所述振动特征模态为结构组成的特征频率；所述的振动特征频率包含陀螺仪电机的工作频率、电机轴支撑结构的运转频率、陀螺飞轮的工作频率、飞轮支撑的工作频率、陀螺轴系的工作频率、加速度计质量块支撑的工作频率、抖动机构的抖动频率、执行机构的摆动频率。

所述步骤(4)的不同方位包括惯性器件坐标系与地理坐标系重合状态、不重合状态；其中对于测量的具体实现方法步骤为：

(a)通过测试惯性器件各结构组成的振动传递路径，确定传递路径上对振动敏感的应力失效敏感区，若存在多点应力失效敏感区，则选取坐标系XYZ轴都敏感的区域为应力失效敏感区，或选取多点同时作为应力失效敏感区；

(b)将振动测试仪的传感器放置于步骤(a)中确定的应力失效敏感区进而进行的测量。

本发明相对于现有技术的有益效果：

(1)本发明通过对内部振动源的振动性能的分析，利用振动测试仪获得的被测物工作状态下振动频谱信息，对产生的线振动加速度和振动角加速度的影响进行检测，获取由此在振动频谱中传递的惯性器件各结构组成的振动耦合误差的变化曲线，实现惯性器件工作精度的预估和精度寿命的评价，在各型号实用工程模型中考虑振动耦合对各结构组成误差的影响。

(2)本发明通过增加可量化的***级振动全频谱测试，使***级精度测量量化误差减小至0.01°/h(原为0.05°/h～0.1°/h)，操作简单，微量级振动引起的精度损失直观可视，易评价，能够快速准确的实现惯性器件性能微观量化指标的检测和评判，使得惯性器件对各结构组成安装铰链引起的结构耦合影响能够实现精度测试。

(3)本发明操作简便，测量精度高，易评估。解决了惯性器件现有技术中匹配性能难以早期评估的瓶颈。本发明也适用于任何含有振动激励的***精度评估，解决了惯性器件现有技术中匹配性能难以早期评估的瓶颈。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程做进一步解释。

本发明实现的原理是：分析惯性器件内部振动源的振动性能，建立与之相关的实用工程模型(含振动影响)，针对振动频谱，建立惯性器件结构模态库，并获取影响误差模型的振动特征模态库，利用振动测试仪检测惯性器件振动全频谱，建立振动特征模态谱特性，与误差模型的相关函数及曲线，完成惯性器件性能评价和精度寿命预估。

如图1所示，一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法包括步骤如下：

(1)对惯性器件(所述惯性器件包括捷联惯性测量***、平台惯性测量***、惯性仪表)内部振动源的振动激励引起的物理特性进行振动性能分析；所述的物理特性指振动加速度和振动角加速度具体分析方式如下：

线振动加速度

其中：m为引起振动激励的部件的不平衡质量；M为***受迫振动质量；C为***受迫线振动结构的阻尼系数；K为弹性刚度；x、分别为振动位移、速度、加速度，F为振动激励，e为不平衡偏距，ω为不平衡质量的旋转频率，为初始相位角；

线振动加速度包含不同振动频率f_i的振动加速度合量，即表示为：

其中：为振动频率为f_i时的线振动加速度幅值，i表示固有频率的个数，取正整数；

振动角加速度

其中：m为引起振动激励的部件的不平衡质量；J为***受迫振动质量的转动惯量；δ为***受迫角振动结构的阻尼系数；K为弹性刚度；α、 分别为振动角度、角速度、角加速度，M_扭矩为不平衡扭矩激励，ω为不平衡质量的旋转频率，r为扭矩的工作半径；

扭矩引起的振动角速度包含不同振动频率f_i的振动角速度的合量，即表示为：

其中为振动频率为f_i时的振动角速度幅值；

(2)根据步骤(1)得到的线振动加速度振动角加速度和振动角速度建立受此振动激励影响的惯性器件的关键部件陀螺仪和加速度计的误差模型；

陀螺仪的误差模型为

其中：[D]为陀螺仪静态误差；[D₀]为陀螺仪与线振动加速度无关的零位误差；为陀螺仪与线振动加速度和振动角加速度耦合相关的零位误差；为陀螺仪与输入加速度a₀有关的误差项；为陀螺仪与线振动加速度有关的误差项，主要指与结构承受的加速度一次方有关的一次项。

由上述陀螺仪组成的惯性器件角速度的输出[G]为：

其中：[D]为上述陀螺仪静态误差；[E]为安装误差；[ω]为输入角速度；[k]为陀螺仪标度系数，[k_G]为不考虑振动的标度系数；为振动耦合带来的标度系数；

加速度计误差：

其中[a]为加速度计的误差；为加速度计的零偏；[k₂]为与输入加速度a₀二次项有关的误差；

由上述加速度计组成的惯性测量***加速度的输出[A]：

其中：[A]为加速度计的输出；[k₁]为安装误差；[k_a]为不考虑振动激励的标度系数，受振动激励引起的标度系数(包括非线性误差)；[a₀]为输入加速度；[a₀]'为惯性加速度。

在上述各个模型中物理量都为未知量，后续通过振动仪进行测量得到多组数学关系，进而求解出各物理量的值。

(3)对惯性器件的关键结构陀螺仪和加速度计，进行有限元仿真、静态模态和工作模态试验，得到结构模态[f_i]，并选取与线振动加速度相关的结构模态[f_i]，其中f_i分别为模态频率；

结构模态参数库包括各阶结构模态(比如一阶结构模态、二阶结构模态等多阶结构模态)、各结构组成惯性器件***后的各阶模态。振动结构模态为结构组成的特征频率；所述的振动特征频率包含陀螺仪电机的工作频率、电机轴支撑结构的运转频率、陀螺飞轮的工作频率、飞轮支撑的工作频率、陀螺轴系的工作频率、加速度计质量块支撑的工作频率。

(4)利用振动测试仪对惯性器件进行不同方位和不同环境的振动能量全频谱测试，得到步骤(3)选取的结构模态[f_i]的谱特性[H]，即不同频率的线振动加速度以及对惯性器件进行不同方位和不同环境的测试得到的惯性器件的[D]、[G]、[a]、[A]；其中[D]表示陀螺仪的误差、[G]表示陀螺仪组成的惯性***的输出、[a]表示加速度计的误差、[A]表示加速度计组成的惯性***的输出；

不同方位包括惯性器件坐标系与地理坐标系重合状态、不重合状态；其中对于测量的具体实现方法步骤为：

(a)通过测试惯性器件各结构组成的振动传递路径，确定传递路径上对振动敏感的应力失效敏感区，若存在多点应力失效敏感区，则选取坐标系XYZ轴都敏感的区域为应力失效敏感区，或选取多点同时作为应力失效敏感区；

(b)将振动测试仪的传感器放置于步骤(a)中确定的应力失效敏感区进而进行的测量。

振动测试仪采用接触式和非接触式振动测试仪；所述非接触式振动测试仪采用电涡流测振仪和激光测振仪；所述接触式振动仪采用固连式的振动传感器。

(5)将步骤(4)中获取的[H]、[D]、[G]、[a]、[A]代入步骤(2)的模型中，得到振动谱特性[H]和误差模型中各误差项[D]、[G]、[a]、[A]、[D₀]、进而获取与[D]、[G]、[A]、[D₀]、的关系；其中和为陀螺仪与线振动加速度耦合相关有关的零位误差，为陀螺仪与线振动加速度有关的误差项，主要指与结构承受的加速度一次方有关的一次项、为加速度计的零偏、为振动耦合带来的陀螺仪标度系数、为受振动激励引起的加速度计标度系数；

(6)获取不同时刻的步骤(5)所述的振动谱特性[H]簇，绘制振动激励谱特性与误差项[D]、[G]、[A]、[D₀]、 的趋势曲线；

(7)对不同时刻惯性器件结构组成的振动谱特性和误差[D]、[G]、[A]、[D₀]、进行判读，判断不同时刻[D]、[G]、[A]、[D₀]、 是否同时满足设定的有效值，若满足，则惯性器件结构组装精度和工作精度满足要求；若不满足，确定形成振动耦合和相互耦合影响的结构，进而修复到达指定的工作精度。

本发明未公开的部分属于公知常识。

Claims (7)

1.一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，其特征在于步骤如下：

(1)对惯性器件内部振动源的振动激励引起的物理特性进行振动性能分析；所述的物理特性指振动加速度和振动角加速度具体分析方式如下：

线振动加速度

其中：m为引起振动激励的部件的不平衡质量；M为***受迫振动质量；C为***受迫线振动结构的阻尼系数；K为弹性刚度；x、分别为振动位移、速度、加速度，F为振动激励，e为不平衡偏距，ω为不平衡质量的旋转频率，为初始相位角；

线振动加速度包含不同振动频率f_i的振动加速度合量，即表示为：

$\stackrel{\·\·}{x}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}\[A_{f_i}\]$

其中：为振动频率为f_i时的线振动加速度幅值，i表示固有频率的个数，取正整数；

振动角加速度

其中：m为引起振动激励的部件的不平衡质量；J为***受迫振动质量的转动惯量；δ为***受迫角振动结构的阻尼系数；K为弹性刚度；α、 分别为振动角度、角速度、角加速度，M_扭矩为不平衡扭矩激励，ω为不平衡质量的旋转频率，r为扭矩的工作半径；

扭矩引起的振动角速度包含不同振动频率f_i的振动角速度的合量，即表示为：

其中为振动频率为f_i时的振动角速度幅值；

(2)根据步骤(1)得到的线振动加速度振动角加速度和振动角速度建立受此振动激励影响的惯性器件的关键部件陀螺仪和加速度计的误差模型；

(3)对惯性器件的关键结构陀螺仪和加速度计，进行有限元仿真、静态模态和工作模态试验，得到结构模态[f_i]，并选取与线振动加速度相关的结构模态[f_i]，其中f_i分别为模态频率；

(4)利用振动测试仪对惯性器件进行不同方位和不同环境的振动能量全频谱测试，得到步骤(3)选取的结构模态[f_i]的谱特性[H]，即不同频率的线振动加速度以及对惯性器件进行不同方位和不同环境的测试得到多组惯性器件的[D]、[G]、[a]、[A]；其中[D]表示陀螺仪的误差、[G]表示陀螺仪组成的惯性***的输出、[a]表示加速度计的误差、[A]表示加速度计组成的惯性***的输出；

(5)将步骤(4)中获取的[H]、[D]、[G]、[a]、[A]代入步骤(2)的模型中，得到振动谱特性[H]和误差模型中各误差项[D]、[G]、[a]、[A]、[D₀]、进而获取与[D]、[G]、[A]、[D₀]、的关系；其中和为陀螺仪与线振动加速度耦合相关有关的零位误差，为陀螺仪与线振动加速度有关的误差项，主要指与结构承受的加速度一次方有关的一次项、为加速度计的零偏、为振动耦合带来的陀螺仪标度系数、为受振动激励引起的加速度计标度系数；

(6)获取不同时刻的步骤(5)所述的振动谱特性[H]，绘制振动激励谱特性与误差项[D]、[G]、[A]、[D₀]、 的趋势曲线；

(7)对不同时刻惯性器件结构组成的振动谱特性和误差[D]、[G]、[A]、[D₀]、进行判读，判断不同时刻[D]、[G]、[A]、[D₀]、 是否同时满足设定的有效值，若满足，则惯性器件结构组装精度和工作精度满足要求；若不满足，确定形成振动耦合和相互耦合影响的结构，进而修复到达指定的工作精度。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，其特征在于：所述惯性器件包括捷联惯性测量***、平台惯性测量***、惯性仪表。

3.根据权利要求1所述的一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，其特征在于：所述陀螺仪的误差模型为

$\begin{array}{c}\[D\]=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\[D_0\]}_{f_i}+\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\[D_{ij}\]}_{f_i}{\[a_0\]}_{f_i}+\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}\\ =\[D_0\]+\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\[D_0\]}_{f_i}+\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\[D_1\]}_{f_i}+\[D_{ij}\]\[a_0\]+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[D_{ij}\]}_{f_i}\[A_{f_i}\]\\ =(\[D_0\]+\[D_{ij}\]\[a_0\])+(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[D_0\]}_{f_i}+\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\[D_1\]}_{f_i}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[D_{ij}\]}_{f_i}\[A_{f_i}\])\end{array}$

其中：[D]为陀螺仪静态误差；[D₀]为陀螺仪与线振动加速度无关的零位误差；为陀螺仪与线振动加速度和振动角加速度耦合相关的零位误差；为陀螺仪与输入加速度a₀有关的误差项；为陀螺仪与线振动加速度有关的误差项，主要指与结构承受的加速度一次方有关的一次项；

由上述陀螺仪组成的惯性器件角速度的输出[G]为：

$\[G\]=\[k\](\[D\]+\[E\]\[\mathrm{\ω}\])=(\[k_G\]+{\[k_G\]}_{f_i})(\[D\]+\[E\]\[\mathrm{\ω}\])$

其中：[D]为上述陀螺仪静态误差；[E]为安装误差；[ω]为输入角速度；[k]为陀螺仪标度系数，[k_G]为不考虑振动的标度系数；为振动耦合带来的标度系数；

加速度计误差模型：

$\[a\]=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\[k_0\]}_{f_i}+\[k_2\]\[a_0^2\]+\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}\[A_{f_i}\]$

其中[a]为加速度计的误差；为加速度计的零偏；[k₂]为与输入加速度a₀二次项有关的误差；

由上述加速度计组成的惯性测量***加速度的输出[A]模型：

$\[A\]=\[k_A\](\[a\]+\[k_1\]\[a_0\])=(\[k_a\]+{\[k_a\]}_{f_i})(\[a\]+\[k_1\]({\[a_0\]}^{\′}+\[k_1\]\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}\[A_{f_i}\])$

其中：[A]为加速度计的输出；[k₁]为安装误差；[k_a]为不考虑振动激励的标度系数，受振动激励引起的标度系数；[a₀]为输入加速度；[a₀]'为惯性加速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的振动测试仪采用接触式和非接触式振动测试仪；所述非接触式振动测试仪采用电涡流测振仪和激光测振仪；所述接触式振动仪采用固连式的振动传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，其特征在于：结构模态参数库包括各阶结构模态和各结构组成惯性器件***后的各阶模态；其中，各阶结构模态如一阶结构模态、二阶结构模态等多阶结构模态。

6.根据权利要求1所述的一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，其特征在于：振动结构模态为结构组成的特征频率；所述的振动特征频率包含陀螺仪电机的工作频率、电机轴支撑结构的运转频率、陀螺飞轮的工作频率、飞轮支撑的工作频率、陀螺轴系的工作频率、加速度计质量块支撑的工作频率、抖动机构的抖动频率、执行机构的摆动频率。

7.根据权利要求1所述的一种基于振动性能分析评估惯性器件精度的方法，其特征在于：所述步骤(4)的不同方位包括惯性器件坐标系与地理坐标系重合状态、不重合状态；其中对于测量的具体实现方法步骤为：

(a)通过测试惯性器件各结构组成的振动传递路径，确定传递路径上对振动敏感的应力失效敏感区，若存在多点应力失效敏感区，则选取坐标系XYZ轴都敏感的区域为应力失效敏感区，或选取多点同时作为应力失效敏感区；

(b)将振动测试仪的传感器放置于步骤(a)中确定的应力失效敏感区进而进行的测量。