CN102539833A

CN102539833A - 加速度计低频性能校准平台

Info

Publication number: CN102539833A
Application number: CN2011104508885A
Authority: CN
Inventors: 黄钦文
Original assignee: Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology
Current assignee: Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种加速度计低频性能校准平台，它包括机械台体，该机械台体主要由稳速台、随动台组成，稳速台的工作台面与地面平行，稳速台回转轴垂直于地面，随动台安装在稳速台的台面上，加速度计安装在随动台的台面上，加速度计的输入轴平行于水平面。本发明基于线加速度模拟转台，由转台的稳速台的角速率和工作半径确定施加在加速度计上的加速度幅值，转台的随动台确定加速度的频率，通过控制随动台的低速率转动，实现对加速度计的超低频性能的校准。

Description

加速度计低频性能校准平台

技术领域

本发明涉及加速度计的校准，尤其涉及一种加速度计低频性能校准平台。

背景技术

在加速度计的研制、生产和使用中，都需要对加速度计的动态性能进行校准。而加速度计在航天技术、人造卫星的姿态控制、水声探测以及地震预报等领域的应用中，需要对超低频信号进行检测，检测频率已经达到0.001Hz，甚至更低。因此，对应用于上述领域的加速度计的低频性能进行校准成为必需。

目前对加速度计低频性能的直接校准通常采用振动台校准方法，利用振动台产生正弦运动的激励方式进行标定。首先由信号源产生标准正弦信号，经功率放大器放大后输出到振动台的动圈，使振动台的台面产生垂直或者水平方向的正弦振动，振动直接作用在加速度计上，通过输入输出信号的对比，确定加速度计的动态响应特性。

现有的线加速度模拟转台对加速度计的静态性能校准已有较为全面的校准能力；在加速度计动态精度测试校准方面，目前主要通过振动台来实现动态校准，但是振动台输出的幅值有限，不能满足大g值下线加速度计动态校准的需要。在航天技术、人造卫星的姿态控制、水声探测、地震预报等方面对加速度计的超低频信号进行测试，检测频率已经达到0.001Hz，甚至更低。可见，无论是超低频、还是大动态、宽频带等都是未来研究的重点。ISO的TC108委员会推荐的绝对法低频振动标准装置，低频校准频率为0.5Hz，但对于电磁振动台来说，能工作于0.5～0.01Hz范围内的还很罕见。对于应用在地震监控中的加速度计的标定，由于标定信号必须覆盖地震仪的整个频带，因而即使低频端只延伸到几百秒时，标定信号也必须持续几千秒才能保证标定数据的处理精度，例如地震计JCZ-1，其加速度输出范围为360s～DC，因而要求校准平台所能提供的加速度的动态周期范围为直流至几千秒，也就是频率范围需达到0.00028Hz～DC的范围。

但是，加速度与振动频率的平方、振动的幅值成正比，当振动频率较低时，施加在加速度计上的加速度将很小。为了改善信噪比，在超低频条件下，往往需要输出大位移，以提高信噪比。当振动台输出大位移时，标准振动台所产生的运动，实际上不可能是理想的正弦振动。这是由于弹性元件的非线性、磁路中磁感应强度的不均匀性，将导致振动台输出波形发生严重的波形失真，波形失真会带来如下问题：当振动过程中的波形具有波形畸变和毛刺时，会影响激光干涉仪的条纹计数，产生振幅测量的误差；当失真度大时，电压测量的原理性误差增大；失真意味着多频的存在，不符合单频谐波校准原理。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种加速度计低频性能校准平台，解决振动台输出波形谐波失真度大的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种加速度计低频性能校准平台，它包括机械台体，该机械台体主要由稳速台、随动台组成，稳速台的工作台面与地面平行，稳速台回转轴垂直于地面，随动台安装在稳速台的台面上，加速度计安装在随动台的台面上，加速度计的输入轴平行于水平面。

进一步地，随动台为二个或者以上，对称安装在稳速台的圆形台面上。

优选地，加速度计的检测质量质心与随动台旋转中心的距离为R₂，稳速台旋转中心与随动台旋转中心之间的距离为R₁，稳速台和随动台的角速率分别为ω₁和ω₂，在随动台台面的加速度计检测质量质心处的动态加速度为：

a＝ω₁ ²R₁cos(ω₂t+Φ₀)+(ω₁±ω₂)²R₂

式中Φ₀为初始相位，单位为rad。

进一步地，通过改变随动台的角速率ω₂，可以改变施加在加速度计检测质量质心处的动态加速度的频率，所述随动台的最低角速率ω₂为0.002°/s，动态加速度的频率范围可覆盖5.6×10^-6～10Hz。

与现有技术相比：本发明基于线加速度模拟转台，由转台的稳速台的角速率和工作半径确定施加在加速度计上的加速度幅值，转台的随动台确定加速度的频率，通过控制随动台的低速率转动，实现对加速度计的超低频性能的校准。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的加速度计低频性能校准平台包括机械台体，该机械台体主要由稳速台1、随动台2组成。稳速台1的工作台面与地面平行，稳速台回转轴3垂直于地面，稳速台台面上的随动台可以为二个或者以上，随动台对称安装在稳速台圆形台面上。固定在随动台台面的加速度计所受到的动态加速度的幅值由稳速台的角速率ω₁和工作半径决定，而动态加速度的频率由随动台的角速率ω₂决定，动态加速度的幅值与频率是相互独立的。因此，基于线加速度模拟转台，在保证随动台的低速角速率的精确度的条件下，通过改变随动台的角速率ω₂，可以改变施加在加速度计检测质量质心处的动态加速度的频率。

加速度计安装在随动台的台面上，加速度计输入轴平行于水平面。稳速台以角速率ω₁匀速旋转，产生一定的离心加速度，加速度的大小由稳速台的角速率ω₁和工作半径(稳速台的旋转中心与固定在随动台面的加速度计的检测质量质心之间的距离)决定，加速度的方向为稳速台的旋转中心指向加速度计的检测质量质心的方向。

随动台以角速率ω₂匀速旋转，随动台旋转改变加速度计输入轴的方向，因而，由稳速台匀速旋转所产生的加速度与加速度计的输入轴之间的夹角θ将随随动台的旋转而不断变化，从而在加速度计输入轴方向产生正弦加速度。

在随动台台面上安装加速度计时，考虑到实际安装时产生的误差，加速度计的检测质量质心不一定能和随动台的旋转中心重合，设加速度计的检测质量质心与随动台旋转中心的距离为R₂，稳速台旋转中心与随动台旋转中心之间的距离为R₁，稳速台和随动台的旋转速率分别为ω₁和ω₂，设稳速台的旋转方向和随动台的旋转方向相同，则施加在固定在随动台台面的加速度计上的加速度的大小可表示为：

a＝ω₁ ²R₁cos(ω₂t+Φ₀)+(ω₁+ω₂)²R₂ (1)

式中Φ₀为初始相位，单位为rad。

当稳速台的旋转方向和随动台的旋转方向相反，则施加在固定在随动台台面的加速度计上的加速度的大小可表示为：

a＝ω₁ ²R₁cos(ω₂t+Φ₀)+(ω₁-ω₂)²R₂ (2)

综合稳速台和随动台的旋转方向相同和相反两种情况，可得到固定在随动台台面的加速度计检测质量质心处的动态加速度为：

a＝ω₁ ²R1cos(ω₂t+Φ₀)+(ω₁±ω₂)²R₂ (3)

特别地，当R₂＝0时，则有

a＝ω₁ ²R1cos(ω₂t+Φ₀) (4)

由以上所述可知，固定在随动台台面的加速度计所受到的动态加速度的幅值由稳速台的角速率ω₁和工作半径决定，而动态加速度的频率由随动台的角速率ω₂决定，动态加速度的幅值与频率是相互独立的，因此，基于线加速度模拟转台，在保证随动台的低速角速率的精确度的条件下，通过改变随动台的角速率ω₂，可以改变施加在加速度计检测质量质心处的动态加速度的频率。

特别地，由于传统的振动台所产生的加速度的幅值和频率是相关的，当所施加的加速度为低频或者超低频的条件下，振动台输出的加速度的幅值将很小，信噪比很低。如果为了提高信噪比，增大振动台的输出位移，由于弹性元件的非线性、磁路中磁感应强度的不均匀性，将导致振动台输出波形发生严重的波形失真。而由上述讨论可知，基于线加速度模拟转台，可以方便地实现低频、超低频的动态加速度的输出。目前随动台能达到的可控最低角速率为0.002°/s，相当于可以产生1.8×10⁵s的动态加速度周期，而加速度的幅值由稳速台的角速率ω₁和工作半径决定，可以按照需要设置动态加速度的幅值和超低频频率，实现对加速度计低频、超低频性能的校准。

校准过程如下：进行加速度计的低频性能校准时，首先将加速度计固定在随动台圆形台面上，固定了加速度计也就确定了稳速台的旋转中心与固定在随动台面的加速度计的检测质量质心之间的距离，也就是确定了稳速台的工作半径。然后根据所加速度计低频性能校正规范所要求的加速度幅值，设定稳速台的旋转角速率，以产生所需的加速度幅值。

根据校正要求，设定随动台的匀速旋转角速率ω₂，通过随动台旋转改变加速度计输入轴的方向，从而改变稳速台匀速旋转所产生的离心加速度与加速度计的输入轴之间的夹角θ，因而离心加速度在加速度计输入轴方向的分量将随随动台的旋转而形成周期性变化。依照以上流程，可获得校正规范所要求的超低频加速度。另一方面，每个稳速台圆形台面上所安装的随动台的数量可以是2个或者以上，随动台对称安装在稳速台圆形台面上。通过对稳速台圆形台面上不同随动台的角速率的单独控制，可以实现在一个线加速度模拟转台上同时产生不少于两个的低频、超低频加速度，实现对多个加速度计的超低频性能的同时校准。

本发明能实现对所输出的动态加速度的幅值和频率的单独控制。特别地，相对于通过振动台产生产生低频、超低频加速度时所存在的问题，本发明的技术方案能够通过对随动台的角速率的精确控制，产生低频、超低频的动态加速度，而动态加速度的幅值由稳速度台的转速和工作半径决定，不影响对加速度频率的控制。本发明通过对随动台角速率ω₂的精确控制，可实现最低角速率0.002°/s，动态加速度周期范围可覆盖0.1s～1.8×10⁵s，也就是动态加速度的频率范围可覆盖5.6×10^-6～10Hz。完全可满足目前对加速度的低频、超低频性能的校准。

Claims

1.一种加速度计低频性能校准平台，它包括机械台体，其特征在于，所述机械台体主要由稳速台、随动台组成，稳速台的工作台面与地面平行，稳速台回转轴垂直于地面，随动台安装在稳速台的台面上，加速度计安装在随动台的台面上，加速度计的输入轴平行于水平面。

2.根据权利要求1所述的加速度计低频性能校准平台，其特征在于，所述随动台为二个或者以上，对称安装在稳速台的圆形台面上。

3.根据权利要求1所述的加速度计低频性能校准平台，其特征在于，加速度计的检测质量质心与随动台旋转中心的距离为R₂，稳速台旋转中心与随动台旋转中心之间的距离为R₁，稳速台和随动台的角速率分别为ω₁和ω₂，在随动台台面的加速度计检测质量质心处的动态加速度为：

a＝ω₁ ²R₁cos(ω₂t+Φ₀)+(ω₁±ω₂)²R₂

式中Φ₀为初始相位，单位为rad。

4.根据权利要求1所述的加速度计低频性能校准平台，其特征在于，通过改变随动台的角速率ω₂，可以改变施加在加速度计检测质量质心处的动态加速度的频率，所述随动台的最低角速率ω₂为0.002°/s，动态加速度的频率范围可覆盖5.6×10^-6～10Hz。