CN103823083B - 提高加速度计校准精度的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高加速度计校准精度的方法与系统，针对特定的稳速台输出加速度，设定随动台处于0度位置和180度位置，并分别测量固定在随动台上的加速度计的输出值。设定多个输出加速度，可以获得多组加速度计输出值，可实现对校准过程中加速度计的工作半径误差进行测试评估，由所获得的结果，可以对所校准的加速度计性能参数进行修正，消除工作半径误差所带来的影响，提高校准精度，降低校准过程中对加速度计的安装要求。

Description

提高加速度计校准精度的方法与系统

技术领域

本发明涉及加速度计技术领域，特别是涉及一种提高加速度计校准精度的方法与系统。

背景技术

加速度计在振动检测、动作识别、状态记录以及汽车安全气囊等方面有广泛应用。在加速度计的研制、生产和使用中，都需要对加速度计的性能进行校准。加速度计在±1g以内的各项性能指标，可利用重力场1g翻滚试验进行测试，但测量范围局限于±1g以内。

线加速度模拟转台可模拟产生标准动态加速度，如正弦加速度，而且，加速度的幅值由线加速度模拟转台的稳速台角速率和工作半径决定，加速度的频率由固定在稳速台圆形台面上的随动台的角速率决定，因此加速度的幅值和频率是相互独立的，可以实现大g值的正弦加速度。

利用线加速度模拟转台对加速度计的性能指标进行标定时，可能会影响校准精度的因素包括安装误差、转速以及动态半径等。其中，转速及动态半径的影响主要在线加速度模拟转台的设计及制造阶段进行考虑并采取相关措施进行修正。而安装误差则需要在加速度计的校准过程中进行修正，对于安装误差角的测量及修正，已有相关技术方法：“消除精密离心机动静态失准角对加速度计标定影响的方法(申请公开号：CN102735874A)”、捷联系统加速度计安装误差角直接测量方法(申请号：200910072419.7)，但对于安装位置误差所引起的加速度计工作半径误差，则尚未有相关的测量修正方法。

将加速度计安装到线加速度模拟转台上进行校准时，安装位置的误差会影响校准的精度。目前普遍的安装方法主要是将加速度计安装到夹具上，然后将夹具固定在转台的安装位置，并通过手动的方法调整加速度计在转台上的位置。

完成测试后，直接通过一阶拟合或者其它方法，对数据进行处理获得加速度计的相关性能指标。

实际的安装无法避免安装误差，这对于加速度计的校准精度产生影响，而且由于各种型号的加速度计的外形及尺寸差别很大，安装夹具多数需要根据特定的加速度计外形及尺寸进行定制，因此，不同外形及大小的加速度计在安装时可能会产生不一致的工作半径误差。

基于以上所述，加速度计安装时，安装误差是不可避免的，也就是说，测试所获得的数据中是含有工作半径误差所带来的误差项的，如果不考虑该误差项，直接通过一阶拟合或者其它方法计算加速度计的相关性能指标的话，就会影响指标测试的精确度。

发明内容

本发明针对加速度计校准中的工作半径误差，基于带随动台的线加速度模拟转台，建立了一种评估加速度计工作半径误差大小的方法，由所获得的位置误差值，可对所标定的加速度计性能指标值进行修正，以消除工作半径误差的影响，提高校准精度，所采用的方案如下。

一种提高加速度计校准精度的方法，包括步骤:

通过安装夹具，将加速度计固定到随动台台面上并使加速度计敏感轴的方向与稳速台旋转时的离心加速度的方向相同；

完成加速度计测试所需的电连接；

对随动台进行上电、回零，使随动台定位于零位；

设定线加速度模拟转台的输出加速度为某一预定值a₀，待输出的加速度稳定后，读取加速度计的输出读数U₀₁；

将线加速度模拟转台的输出加速度设定为a₁＝a₀+Δa，……，a_n＝a₀+nΔa，n≥1，待输出加速度稳定后，分别记录加速度计的输出读数U_n1，n和Δa分别表示线加速度模拟转台输出加速度的设定次数和步进；

使随动台旋转180°，重复以上两个步骤，对应于a₀，……，a_n，分别记录加速度计的输出读数U_n2；

利用以下两式任意之一计算出修正后的标度因数K₁；

$K_1=0.5(\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}+\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n})$

K₁＝0.5(K₁₁+K₁₂)

其中，1≤m≤n，分别对数据组(a_n，U_n1)和(-a_n，U_n2)进行直线拟合，则拟合直线的斜率分别为K₁₁和K₁₂的值；

根据修正后的K₁值以及以下两个公式，分别计算出对应的值，并对所得两组值求均值，将所得均值作为安装位置的误差；

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=1-\frac{1}{K_1}\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}$

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=\frac{1}{K_1}\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n}-1$

根据安装位置的误差，对加速度计的性能指标进行修正。

一种提高加速度计校准精度的系统，包括：

加速度计固定模块，用于通过安装夹具，将加速度计固定到随动台台面上并使加速度计敏感轴的方向与稳速台旋转时的离心加速度的方向相同；

电连接模块，用于完成加速度计测试所需的电连接；

随动台定位模块，用于对随动台进行上电、回零，使随动台定位于零位；

加速度设定模块，用于设定线加速度模拟转台的输出加速度为某一预定值a₀，待输出的加速度稳定后，读取加速度计的输出读数U₀₁，n和Δa分别表示线加速度模拟转台输出加速度的设定次数和步进；再将线加速度模拟转台的输出加速度设定为a₁＝a₀+Δa，……，a_n＝a₀+nΔa，n≥1，待输出加速度稳定后，分别记录加速度计的输出读数U_n1；使随动台旋转180°，重复前述两个动作，对应于a₀，……，a_n，分别记录加速度计的输出读数U_n2；

修正值求取模块，用于利用以下两式任意之一计算出修正后的标度因数K₁；

$K_1=0.5(\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}+\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n})$

K₁＝0.5(K₁₁+K₁₂)

其中，1≤m≤n，分别对数据组(a_n，U_n1)和(-a_n，U_n2)进行直线拟合，则拟合直线的斜率分别为K₁₁和K₁₂的值；

安装位置误差求取模块，用于根据修正后的K₁值以及以下两个公式，分别计算出对应的值，并对所得两组值求均值，将所得均值作为安装位置的误差；

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=1-\frac{1}{K_1}\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}$

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=\frac{1}{K_1}\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n}-1$

性能指标修正模块，用于根据安装位置的误差，对加速度计的性能指标进行修正。

本发明提高加速度计校准精度的方法与系统，针对特定的稳速台输出加速度，设定随动台处于0度位置和180度位置，并分别测量固定在随动台上的加速度计的输出值。设定多个输出加速度，可以获得多组加速度计输出值，可实现对校准过程中加速度计的工作半径误差进行测试评估，由所获得的结果，可以对所校准的加速度计性能参数进行修正，消除工作半径误差所带来的影响，提高校准精度，降低校准过程中对加速度计的安装要求。

附图说明

图1为线加速度模拟转台的原理示意图；

图2为加速度计在随动台上的安装误差示意图；

图3为本发明提高加速度计校准精度的方法的流程示意图；

图4为本发明提高加速度计校准精度的方法的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

以下结合示意图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本发明的论述涉及到带随动台的线加速度模拟转台的工作原理，因此，将首先介绍带随动台的线加速度模拟转台的工作原理。

线加速度模拟转台的机械台体由稳速台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。

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O₁与随动台旋转中心O₂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，此时就会产生工作半径误差，导致线加速度模拟转台上显示的加速度输出值与实际作用在加速度计上的加速度并不完全一致，从而产生测量误差，这严重影响了对加速度计的校准。

针对上述问题，如果能够对工作半径误差进行测试计算，则可以由测试所得的位置误差值对加速度计的性能参数进行修正，从而消除位置误差的影响。

为了方便对本发明技术的论述，首先对相关参数及其意义进行说明：在进行加速度计性能标定时，首先设定线加速度模拟转台的输出加速度为某一预定值a₀，当随动台定位在零位时，对应的加速度计输出为U₀₁，当随动台定位在180度时，对应的加速度计输出为U₀₂。当a_n＝a₀+nΔa(n≥1，Δa为设定的输出加速度步进)时，则随动台在零位和180度时，加速度计对应的输出记为U_n1和U_n2。

设稳速台旋转中心O₁与随动台旋转中心O₂之间的距离为R，稳速台旋转中心O₁与加速度计的检测质量质心O₃之间的距离为R₁，并令ΔR＝R-R₁；

由已知，线加速度模拟转台所产生的加速度为：

a_n＝ω_n ²R(1)

由加速度计的一阶模型：

U_n＝K₀+K₁a_n(2)

考虑到工作半径误差，可得：

U_n1＝K₀+K₁(R-ΔR)ω² _n(3)

U_n2＝K₀-K₁(R+ΔR)ω² _n(4)

由(3)-(4)可得：

U_n1-U_n2＝2K₁a_n(5)

令

Y_n＝U_n1-U_n2＝2K₁a_n(6)

则由(6)可得

$K_1=\frac{1}{2}\frac{Y_n-Y_{n-m}}{a_n-a_{n-m}}---\left(7\right)$

其中，1≤m≤n,由式(6)、(7)可知，对应于任一输入a_n，都有一个Y_n相对应，因此，对所有数据(a_n，Y_n)进行线性拟合，则由拟合直线的斜率乘以0.5可得到K₁的计算值。由式(7)还可以看出，由于该式中不含ΔR项，因此，由上述方法所获得的K₁拟合值不受安装误差的影响，提高了所获得的K₁的准确度。而且，当n较大时，基于该方法可以快速获得K₁的拟合值。

由(3)、(4)可得：

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=1-\frac{1}{K_1}\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}---\left(8\right)$

或者

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=\frac{1}{K_1}\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n}-1---\left(9\right)$

由(8)和(9)可以看出，对特定某个加速度计的所有数据(a_n，U_n1)进行线性拟合，则为该拟合直线的斜率，也就是说，可以用该拟合直线的斜率作为的值。同样的道理，表示了(-a_n，U_n2)的线性拟合直线的斜率的相反数，可通过对(-a_n，U_n2)进行线性拟合获得。

最后，对(8)和(9)所分别计算出来的2个值取均值作为的最后计算值，该值表征了安装位置的误差，可以利用其对加速度计的性能指标校准值进行修正，从而提高对加速度计校准的精度。

本发明提高加速度计校准精度的方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤s101、通过安装夹具，将加速度计固定到随动台台面上并使加速度计敏感轴的方向与稳速台旋转时的离心加速度的方向相同；

步骤s102、完成加速度计测试所需的电连接；

步骤s103、对随动台进行上电、回零，使随动台定位于零位；

步骤s104、设定线加速度模拟转台的输出加速度为某一预定值a₀，待输出的加速度稳定后，读取加速度计的输出读数U₀₁；

步骤s105、将线加速度模拟转台的输出加速度设定为a₁＝a₀+Δa，……，a_n＝a₀+nΔa(n≥1)，待输出加速度稳定后，分别记录下加速度计的输出读数U_n1；

步骤s106、使随动台旋转180°，重复步骤s104和步骤s105，对应于a₀，……，a_n，分别记录下加速度计的输出读数U_n2；

步骤s107、使用式(7)可计算出修正后的K₁，并进一步根据修正后的K₁值以及式(8)或者(9)，分别计算出对应的R/ΔR值，最后通过对2组(ΔR/R)值求均值，可获得关于(ΔR/R)的最后计算值，该值表征了安装位置的误差；

s108、根据得到的安装位置误差，对加速度计的其它静态、动态指标的标定进行修正，提高标定精度。

可以看出，步骤s101-s107是工作半径误差的测试计算过程，步骤s108是加速度计性能修正的过程。

由公式(8)和(9)可以看出，理想情况下，由公式(8)和(9)所计算获得的(R/ΔR)值应该相等，因此，令

$1-\frac{1}{K}\frac{U_{n1}-U_{\left(n-m\right)1}}{a_n-a_{n-m}}=\frac{1}{K_1}\frac{U_{n2}-U_{\left(n-m\right)2}}{a_{n-m}-a_n}-1---\left(10\right)$

并令

$K_{11}=\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}---\left(11\right)$

$K_{12}=\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n}---\left(12\right)$

则由式(10)、(11)和(12)可得：

K₁＝0.5(K₁₁+K₁₂)(13)

由(13)可以看出，对于加速度计一阶模型中K₁系数的求解，除了通过公式(7)可以实现，也可以通过公式(13)实现，首先分别对数据组(a_n，U_n1)和(-a_n，U_n2)进行直线拟合，则拟合直线的斜率分别为K₁₁和K₁₂的值，然后将K₁₁和K₁₂的值代入公式(13)可得到K₁的计算值。

本发明提高加速度计校准精度的系统是与上述方法对应的系统，如图4所示，包括：

加速度计固定模块，用于通过安装夹具，将加速度计固定到随动台台面上并使加速度计敏感轴的方向与稳速台旋转时的离心加速度的方向相同；

电连接模块，用于完成加速度计测试所需的电连接；

随动台定位模块，用于对随动台进行上电、回零，使随动台定位于零位；

加速度设定模块，用于设定线加速度模拟转台的输出加速度为某一预定值a₀，待输出的加速度稳定后，读取加速度计的输出读数U₀₁，n和Δa分别表示线加速度模拟转台输出加速度的设定次数和步进；再将线加速度模拟转台的输出加速度设定为a₁＝a₀+Δa，……，a_n＝a₀+nΔa，n≥1，待输出加速度稳定后，分别记录加速度计的输出读数U_n1；使随动台旋转180°，重复前述两个动作，对应于a₀，……，a_n，分别记录加速度计的输出读数U_n2；

修正值求取模块，用于利用以下两式任意之一计算出修正后的标度因数K₁；

$K_1=0.5(\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}+\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n})$

K₁＝0.5(K₁₁+K₁₂)

其中，1≤m≤n，分别对数据组(a_n，U_n1)和(-a_n，U_n2)进行直线拟合，则拟合直线的斜率分别为K₁₁和K₁₂的值；

安装位置误差求取模块，用于根据修正后的K₁值以及以下两个公式，分别计算出对应的值，并对所得两组值求均值，将所得均值作为安装位置的误差；

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=1-\frac{1}{K_1}\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}$

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=\frac{1}{K_1}\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n}-1$

性能指标修正模块，用于根据安装位置的误差，对加速度计的性能指标进行修正，性能指标包括静态性能指标和动态性能指标。

综上，本发明建立了一种加速度计校准中工作半径误差的测试计算方法，基于该方法，可实现对校准过程中加速度计的工作半径误差进行测试评估，由所获得的结果，可以对所校准的加速度计性能参数进行修正，消除工作半径误差所带来的影响，提高校准精度，降低校准过程中对加速度计的安装要求。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种提高加速度计校准精度的方法，其特征在于，包括步骤:

通过安装夹具，将加速度计固定到随动台台面上并使加速度计敏感轴的方向与稳速台旋转时的离心加速度的方向相同；

完成加速度计测试所需的电连接；

对随动台进行上电、回零，使随动台定位于零位；

设定线加速度模拟转台的输出加速度为某一预定值a₀，待输出的加速度稳定后，读取加速度计的输出读数U₀₁；

将线加速度模拟转台的输出加速度设定为a₁＝a₀+Δa，……，a_n＝a₀+nΔa，n≥1，待输出加速度稳定后，分别记录加速度计的输出读数U_n1，n和Δa分别表示线加速度模拟转台输出加速度的设定次数和步进；

使随动台旋转180°，重复以上两个步骤，对应于a₀，……，a_n，分别记录加速度计的输出读数U_n2；

利用以下两式任意之一计算出修正后的标度因数K₁；

$K_1=0.5(\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}+\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n})$

K₁＝0.5(K₁₁+K₁₂)

其中，1≤m≤n，分别对数据组(a_n，U_n1)和(-a_n，U_n2)进行直线拟合，则拟合直线的斜率分别为K₁₁和K₁₂的值；

根据修正后的K₁值以及以下两个公式，分别计算出对应的值，并对所得两组值求均值，将所得均值作为安装位置的误差；

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=1-\frac{1}{K_1}\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}$

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=\frac{1}{K_1}\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n}-1$

根据安装位置的误差，对加速度计的性能指标进行修正。

2.根据权利要求1所述的提高加速度计校准精度的方法，其特征在于，

加速度计的性能指标包括静态性能指标和动态性能指标。

3.一种提高加速度计校准精度的系统，其特征在于，包括：

加速度计固定模块，用于通过安装夹具，将加速度计固定到随动台台面上并使加速度计敏感轴的方向与稳速台旋转时的离心加速度的方向相同；

电连接模块，用于完成加速度计测试所需的电连接；

随动台定位模块，用于对随动台进行上电、回零，使随动台定位于零位；

加速度设定模块，用于设定线加速度模拟转台的输出加速度为某一预定值a₀，待输出的加速度稳定后，读取加速度计的输出读数U₀₁，n和Δa分别表示线加速度模拟转台输出加速度的设定次数和步进；再将线加速度模拟转台的输出加速度设定为a₁＝a₀+Δa，……，a_n＝a₀+nΔa，n≥1，待输出加速度稳定后，分别记录加速度计的输出读数U_n1；使随动台旋转180°，重复前述两个动作，对应于a₀，……，a_n，分别记录加速度计的输出读数U_n2；

修正值求取模块，用于利用以下两式任意之一计算出修正后的标度因数K₁；

$K_1=0.5(\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}+\frac{U_{n2}-U_{(n-m)2}}{a_{n-m}-a_n})$

K₁＝0.5(K₁₁+K₁₂)

其中，1≤m≤n，分别对数据组(a_n，U_n1)和(-a_n，U_n2)进行直线拟合，则拟合直线的斜率分别为K₁₁和K₁₂的值；

安装位置误差求取模块，用于根据修正后的K₁值以及以下两个公式，分别计算出对应的值，并对所得两组值求均值，将所得均值作为安装位置的误差；

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=1-\frac{1}{K_1}\frac{U_{n1}-U_{(n-m)1}}{a_n-a_{n-m}}$

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=\frac{1}{K_1}\frac{U_{n2}-U_{\left(n-m\right)2}}{a_{n-m}-a_n}-1$

性能指标修正模块，用于根据安装位置的误差，对加速度计的性能指标进行修正。

4.根据权利要求3所述的提高加速度计校准精度的系统，其特征在于，

加速度计的性能指标包括静态性能指标和动态性能指标。