CN104237564A - 一种应用于石英挠性加速度计的高精度动态标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英挠性加速度计高精度动态标校方法，该方法对石英挠性加速度计施加不同频率不同幅值的正弦振动激励，通过对测量得到的加速度计模拟电压幅值频域序列进行FFT和最小二乘法曲线拟合获取频域区间的动态标校函数；在测试中将测量得到的加速度模拟信号进行FFT，然后采用动态标校函数修正，修正后再进行IFFT运算最终可以得到标校后的测量加速度时域数据。本发明对石英挠性加速度计进行动态幅频响应特性标校可以修正非线性误差，是保证石英挠性加速度计在频率范围内测量准确度的有效方法和解决措施。

Description

一种应用于石英挠性加速度计的高精度动态标校方法

技术领域

本发明涉及非电量计量测试技术领域，尤其涉及一种应用于石英挠性加速度计的高精度动态标校方法。

背景技术

石英挠性加速度计具有低频特性好、线性度好的优点，是测量低频加速度的优选传感器。石英挠性加速度计作为敏感元件多应用于航空航天领域，进行飞行器的姿态测量，其测量频率(一般仅为几赫兹)较低，可使用静态标定因数。石英挠性加速度计(航天33所的JBN-3型、航天13所230厂的MQA型)的谐振频率一般在400Hz～600Hz，通常使用高精度的分度台采用重力倾角法对石英挠性加速度计进行静态标定，获取-1g0～+1g0范围的标定因数(也称灵敏度因子，g0为一个标准的重力加速度)，通常使用静态标定因数代替全频段(0Hz～300Hz)的标定因数。

但是申请人在航天器微振动测试中发现使用静态标定因数代替全频段标定因数有其局限性和不足之处，对于30Hz以下的低频加速度是可以满足要求的，30Hz以上其测量结果出现非线性，随着频率的升高其测量结果的误差也就越大，50Hz处的误差约5％，100Hz处的误差约10％，作为高精度传感器，这不是可接受的测量误差。因此，如果不进行动态标定，则无法将石英挠性加速度计应用于中高频加速度测量。

目前，压电式振动传感器是一种常用的用于中高频加速度测量的传感器，通过动态标定可以得到其在全频段范围时域区间的标定因数。

借鉴压电式振动传感器的动态标定方式也可以实现石英挠性加速度计的动态标定。但是通过实际操作发现，时域区间进行动态标定的相对误差较大，标定精度不够理想。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应用于石英挠性加速度计的高精度动态标校方法，相对误差小，保障其高精度测量指标，使得石英挠性加速度计的应用场合得以扩展。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种石英挠性加速度计高精度动态标校方法，步骤如下：

步骤1、将石英挠性加速度计安装在标准低频振动激励台，使其敏感轴方向与振动方向平行；

步骤2、标准低频振动激励台依次产生特定频率和幅值的正弦振动，振动频率依次为1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、60Hz、80Hz、100Hz、120Hz，同一振动频率下产生n种不同的振动幅值，n大于或等于5，不同振动频率和不同振动幅值构成不同工况；振动幅值在石英挠性加速度计设计量程内随机设定；

步骤3、针对每个测试工况，采集正弦振动时石英挠性加速度计的加速度计模拟电压时域信号序列，在加速度信号检测单元上经过预处理后，传到频谱分析仪进行FFT，得到加速度计模拟电压幅值频域序列；

步骤4、根据所述加速度计模拟电压幅值频域序列，利用公式(1)计算得到石英挠性加速度计在不同振动频率和振动幅值下的标定因数：

G_j(f_i)＝V_j(f_i)/a_j(f_i)   (1)

式中，G_j(f_i)表示振动频率为f_i时第j次振动幅值对应的标校因数，a_j(f_i)为振动频率为f_i时第j次施加的振动幅值，a_j(f_i)为振动频率为f_i时施加的第j次振动幅值对应的正弦振动的半峰值；

步骤5、判断每个振动频率f_i下，施加不同振动幅值时测试得到的标度因数之间相对误差不超过1％，即可评定为有效测试，相对误差计算根据公式(2)实现：

$\mathrm{\δ}\left(f_i\right)=\frac{\max \left(\right|G_j\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{G}\left(f_i\right)\left|\right)}{\stackrel{\‾}{G}\left(f_i\right)}\×100\%,---\left(2\right)$

式中，δ(f_i)为振动频率为f_i时的相对误差，为振动频率为f_i时不同振动幅值的标度因数平均值；max()表示取最大，式(2)中G_j(f_i)中的j取遍1～n；

步骤6、参考图3，将得到的各个振动频率的标定因数平均值及对应的频率值f_i采用最小二乘法进行曲线拟合，得到多项式动态标校函数；其中，曲线拟合所采用的多项式可以从3次开始尝试；当拟合度评价大于或等于0.999时，得到用于标校的动态标校函数C，否则重新进行更高次曲线拟合，直到拟合度评价大于或等于0.999；

步骤7、标校时，对石英挠性加速度计检测得到的加速度计模拟电压时域信号序列进行FFT，得到加速度计模拟电压幅值频域序列；

步骤8、将步骤6得到的动态标校函数C离散化为离散标校函数序列，离散的频率间隔与步骤7中FFT后的序列频率间隔相等，得到离散标校因数G(f_k)，k为离散标校因数的序号；

步骤9、通过公式(3)对步骤7得到的加速度计模拟电压幅值频域序列进行标校修正，得到标校后的加速度计模拟电压幅值频域序列；

$\tilde{a}\left(f_k\right)=\hat{V}\left(f_k\right)/G\left(f_k\right)---\left(3\right)$

式中，为标校后加速度计模拟电压幅值频域序列中的第k个数据，为步骤7得到的加速度计模拟电压幅值频域序列中的第k个数据；

步骤10、对标校后加速度计模拟电压幅值频域序列进行IFFT运算，得到标校后的加速度计模拟电压时域信号序列。

有益效果：

本发明通过FFT、最小二乘法曲线拟合获取频域区间的动态标校函数，实现对石英挠性加速度计在频域内的动态标定。在测试中将测量得到的加速度模拟信号进行FFT，然后采用动态标校函数修正，修正后再进行IFFT运算最终可以得到标校后的测量加速度时域数据。可见，本发明对石英挠性加速度计进行动态幅频响应特性标校可以修正非线性误差，是保证石英挠性加速度计在频率范围内测量准确度的有效方法和解决措施。

本申请人对本方法进行了测试验证，测试验证中选某一频点标准值和测试值进行比对(该验证频点是非拟合频点)，比对后的相对误差小于1％。采用本标校方法可以扩展石英挠性加速度计的应用场合，并保障其高精度测量指标。

附图说明

图1为本发明标校所采用的装置图。

图2为本发明流程图。

图3为频域标校曲线示意图。

图4为对测量数据进行动态拟合的具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明石英挠性加速度计高精度动态标校方法的具体实现步骤如下：

步骤1、如图1所示，将石英挠性加速度计安装在标准低频振动激励台，使其敏感轴方向与振动方向平行。

步骤2、标准低频振动激励台依次产生特定频率和幅值的正弦振动，振动频率依次为1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、60Hz、80Hz、100Hz、120Hz，同一振动频率下产生至少5种不同的振动幅值，不同振动频率和不同振动幅值构成不同工况；振动幅值在石英挠性加速度计设计量程内随机设定。

步骤3、针对每个测试工况，采集正弦振动时石英挠性加速度计的加速度计模拟电压时域信号序列，在加速度信号检测单元上经过稳流、稳压、放大、滤波等预处理后，传到频谱分析仪进行FFT，得到加速度计模拟电压幅值频域序列；

步骤4、根据步骤3得到的加速度计模拟电压幅值频域序列，利用公式(1)计算得到石英挠性加速度计在不同振动频率和振动幅值下的标定因数：

G_j(f_i)＝V_j(f_i)/a_j(f_i)   (1)

式中，G_j(f_i)表示振动频率为f_i时第j次振动幅值对应的标校因数，a_j(f_i)为振动频率为f_i时第j次施加的振动幅值，a_j(f_i)为振动频率为f_i时施加的第j次振动幅值对应的正弦振动的半峰值；

步骤5、判断每个振动频率f_i下，施加不同振动幅值时测试得到的标度因数之间相对误差不超过1％，即可评定为有效测试，相对误差计算根据公式(2)实现：

$\mathrm{\δ}\left(f_i\right)=\frac{\max \left(\right|G_j\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{G}\left(f_i\right)\left|\right)}{\stackrel{\‾}{G}\left(f_i\right)}\×100\%,---\left(2\right)$

式中，δ(f_i)为振动频率为f_i时的相对误差，为振动频率为f_i时不同振动幅值的标度因数平均值；max()表示取最大，式(2)中G_j(f_i)中的j取遍所有1～n，其中n为振动频率为f_i时施加不同振动幅值的总数；

步骤6、参考图3，将得到的各个振动频率的标定因数平均值及对应的频率值f_i采用最小二乘法进行曲线拟合，得到多项式动态标校函数；其中，曲线拟合所采用的多项式可以从3次开始尝试；当拟合度评价(COD)大于或等于0.999时，得到用于标定的动态标校函数C，否则应重新进行更高次曲线拟合，直到拟合度评价大于或等于0.999。

步骤7、标校时，参考图4，对石英挠性加速度计检测得到的加速度计模拟电压时域信号序列进行FFT，得到幅度谱，即加速度计模拟电压幅值频域序列；

步骤8、将步骤6得到的动态标校函数C离散化为离散标校函数序列，频率间隔应与步骤7中FFT后的序列频率间隔相等；得到离散标校因数G(f_k)，k为离散标校因数的序号。

步骤9、通过公式(3)对步骤7得到的加速度计模拟电压幅值频域序列进行标校修正，得到标校后的加速度计模拟电压幅值频域序列；

$\tilde{a}\left(f_k\right)=\hat{V}\left(f_k\right)/G\left(f_k\right)---\left(3\right)$

式中，为标校后加速度计模拟电压幅值频域序列中的第k个数据，为步骤7得到的加速度计模拟电压幅值频域序列中的第k个数据。

步骤10、对标校后的加速度计模拟电压幅值频域序列进行IFFT运算，得到标校后的加速度计模拟电压时域信号序列。

至此，本流程结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种石英挠性加速度计高精度动态标校方法，其特征在于，包括：

步骤1、将石英挠性加速度计安装在标准低频振动激励台，使其敏感轴方向与振动方向平行；

步骤2、标准低频振动激励台依次产生特定频率和幅值的正弦振动，振动频率依次为1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、60Hz、80Hz、100Hz、120Hz，同一振动频率下产生n种不同的振动幅值，n大于或等于5，不同振动频率和不同振动幅值构成不同工况；振动幅值在石英挠性加速度计设计量程内随机设定；

步骤3、针对每个测试工况，采集正弦振动时石英挠性加速度计的加速度计模拟电压时域信号序列，在加速度信号检测单元上经过预处理后，传到频谱分析仪进行FFT，得到加速度计模拟电压幅值频域序列；

步骤4、根据所述加速度计模拟电压幅值频域序列，利用公式(1)计算得到石英挠性加速度计在不同振动频率和振动幅值下的标定因数：

G_j(f_i)＝V_j(f_i)/a_j(f_i)   (1)

式中，G_j(f_i)表示振动频率为f_i时第j次振动幅值对应的标校因数，a_j(f_i)为振动频率为f_i时第j次施加的振动幅值，a_j(f_i)为振动频率为f_i时施加的第j次振动幅值对应的正弦振动的半峰值；

步骤5、判断每个振动频率f_i下，施加不同振动幅值时测试得到的标度因数之间相对误差不超过1％，即可评定为有效测试，相对误差计算根据公式(2)实现：

$\mathrm{\δ}\left(f_i\right)=\frac{\max \left(\right|G_j\left(f_i\right)-\stackrel{\‾}{G}\left(f_i\right)\left|\right)}{\stackrel{\‾}{G}\left(f_i\right)}\×100\%,---\left(2\right)$

式中，δ(f_i)为振动频率为f_i时的相对误差，为振动频率为f_i时不同振动幅值的标度因数平均值；max()表示取最大，式(2)中G_j(f_i)中的j取遍1～n；

步骤6、参考图3，将得到的各个振动频率的标定因数平均值及对应的频率值f_i采用最小二乘法进行曲线拟合，得到多项式动态标校函数；其中，曲线拟合所采用的多项式可以从3次开始尝试；当拟合度评价大于或等于0.999时，得到用于标校的动态标校函数C，否则重新进行更高次曲线拟合，直到拟合度评价大于或等于0.999；

步骤7、标校时，对石英挠性加速度计检测得到的加速度计模拟电压时域信号序列进行FFT，得到加速度计模拟电压幅值频域序列；

步骤8、将步骤6得到的动态标校函数C离散化为离散标校函数序列，离散的频率间隔与步骤7中FFT后的序列频率间隔相等，得到离散标校因数G(f_k)，k为离散标校因数的序号；

步骤9、通过公式(3)对步骤7得到的加速度计模拟电压幅值频域序列进行标校修正，得到标校后的加速度计模拟电压幅值频域序列；

$\tilde{a}\left(f_k\right)=\hat{V}\left(f_k\right)/G\left(f_k\right)---\left(3\right)$

式中，为标校后加速度计模拟电压幅值频域序列中的第k个数据，为步骤7得到的加速度计模拟电压幅值频域序列中的第k个数据；

步骤10、对标校后加速度计模拟电压幅值频域序列进行IFFT运算，得到标校后的加速度计模拟电压时域信号序列。