CN105628976B - Mems加速度传感器性能参数标定方法、处理器及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种MEMS加速度传感器性能参数标定方法、处理器及系统，驱动闭环控制转动平台对待测MEMS加速度传感器进行重力场下的360度转动多点定位，获得其输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量，再利用其预设模型方程，获得期望输出量后，对该期望输出值和实际输出值进行最小二乘法拟合运算，获得待测MEMS加速度传感器的各项模型参数，使模型参数中待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数，且解决了现有技术中标准传感器自身精度限制对最终标定结果精度的影响，大大提高了系统的标定精度以及标定效率。

Description

MEMS加速度传感器性能参数标定方法、处理器及系统

技术领域

本申请主要涉及参数标定技术领域，更具体地说是涉及一种MEMS加速度传感器性能参数标定方法、处理器及系统。

背景技术

微机械电子系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems，简称MEMS)是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域，其与微型制造技术的发展推动了微惯性器件和微惯性测量单元技术的发展，从而导致了MEMS加速度传感器的产生。

其中，MEMS加速度传感器是通过微加工工艺在硅片上加工成形的惯性检测元件，由于其具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特性，且其加工工艺在一定程度上能够与传统的集成电路工艺兼容，易于实现数字化、智能化以及批量生产，因而，目前MEMS加速度传感器已经被广泛应用于航空航天、汽车工业、医疗保健、商业导航、陆上勘探、强震动观测、消费类电子等领域。

在实际应用中，MEMS加速度传感器在研制后及使用前通常均需要通过各种试验对其性能参数进行标定校准，以保证对其性能参数的准确应用，进而保证实际工作的稳定性和可靠性。然而，申请人发现，由于现有的标定方法及系统主要采用标准MEMS加速度传感器对比法，因此，受标准MEMS加速度传感器自身精度的影响，其标定精度较低，而且，现有的这种标定方法对待测MEMS加速度传感器的标定校准的性能参数有限，无法实现批量化自动校准的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种MEMS加速度传感器性能参数标定方法、处理器及系统，解决了现有的标准加速度计对比法中，存在的对待测MEMS加速度传感器的标定校准的性能参数有限、标定精度低，且无法实现批量化自动校准，从而无法满足实际需求的技术问题。

为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：

一种MEMS加速度传感器性能参数标定方法，所述方法还包括：

驱动闭环控制转动平台控制待测MEMS加速度传感器实现重力场下的360度转动多点定位，获得所述待测MEMS加速度传感器的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量；

利用获得的所述输入轴加速度、所述输出轴加速度、所述摆轴加速度，以及所述待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，获得所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量；

对所述待测MEMS加速度传感器的所述实际输出量和期望输出量进行最小二乘法拟合运算，获得所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数；

其中，所述模型参数中所述待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数。

优选的，对所述待测MEMS加速度传感器的性能参数进行n次测量后，所述方法还包括：

利用预设的第一计算公式，计算所述模型参数中的所述偏值的标准差，所述第一计算公式的表达式为：

其中，表示所述偏值的标准差；K_0m表示第m次测试的所述偏值，m是小于等于n的整数；表示所述偏值的n次测量的平均值；

利用预设的第二计算公式，计算所述模型参数中的所述标度因数的标准差，所述第二计算公式的表达式为：

其中，表示所述标度因数的标准差；K_1m表示第m次测试的所述标度因数，m是小于等于n的整数；表示所述标度因数的n次测量的平均值。

优选的，所述方法还包括：

根据对所述待测MEMS加速度传感器的多次标定结果，生成所述待测MEMS加速度传感器的性能参数标定报告；

其中，所述性能参数标定报告包括获得的所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数以及所述偏值的稳定性和重复性，所述标度因数的稳定性和重复性。

优选的，所述方法还包括：

控制所述待测MEMS加速度传感器定位至1g位置，计算所述待测MEMS加速度传感器的启动时间和1g稳定时间。

一种MEMS加速度传感器性能参数标定的处理器，所述处理器包括：

驱动模块，用于驱动闭环控制转动平台控制待测MEMS加速度传感器实现重力场下的360度转动多点定位；

数据传输模块，用于在所述待测MEMS加速度传感器每次定位后，获得所述待测MEMS加速度传感器的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量；

第一计算模块，用于利用获得的所述输入轴加速度、所述输出轴加速度、所述摆轴加速度，以及所述待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，获得所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量；

第二计算模块，用于对所述待测MEMS加速度传感器的所述实际输出量和期望输出量进行最小二乘法拟合运算，获得所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数；

其中，所述模型参数中所述待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数。

优选的，在对所述待测MEMS加速度传感器的性能参数进行n次测量后，所述处理器还包括：

第三计算模块，用于利用预设的第一计算公式，计算所述模型参数中的所述偏值的标准差，所述第一计算公式的表达式为：

其中，表示所述偏值的标准差；K_0m表示第m次测试的所述偏值，m是小于等于n的整数；表示所述偏值的n次测量的平均值；

第四计算模块，用于利用预设的第二计算公式，计算所述模型参数中的所述标度因数的标准差，所述第二计算公式的表达式为：

其中，表示所述标度因数的标准差；K_1m表示第m次测试的所述标度因数，m是小于等于n的整数；表示所述标度因数的n次测量的平均值。

优选的，所述处理器还包括：

报告生成模块，用于根据对所述待测MEMS加速度传感器的多次标定结果，生成所述待测MEMS加速度传感器的性能参数标定报告；

其中，所述性能参数标定报告包括获得的所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数以及所述偏值的稳定性和重复性，所述标度因数的稳定性和重复性。

一种MEMS加速度传感器性能参数标定系统，所述系统包括：闭环控制转动平台、转动轴工装平台，多通道数据采集模块、转接模块、直流电源，以及上述的MEMS加速度传感器的性能参数标定的处理器，所述处理器分别与所述闭环控制转动平台、所述多通道数据采集模块以及所述直流电源连接，其中，

所述转动轴工装平台的转动轴上安装有多个所述待测MEMS加速度传感器，且所述转动轴平行安装于所述闭环控制转动平台的转轴上；

所述多通道数据采集模块至少具有20路数据采集通道；

所述转接模块安装在所述转动轴工装平台的转动轴上，且位于所述待测MEMS加速度传感器的背面，并分别与所述待测MEMS加速度传感器、所述多通道数据采集模块以及所述直流电源连接，用于切换所述多通道数据采集模块与相应所述待测MEMS加速度传感器的导通和关断。

优选的，所述多通道数据采集模块包括：依次连接的阻抗匹配电路、全差分运算放大器电路、抗混叠模拟滤波器、24位A/D量化器和数字滤波器，以及分别与所述24位A/D量化器和所述数字滤波器连接的时钟基准电路，与所述24位A/D量化器连接的电压基准源和与所述电压基准源连接的电源稳压器。

优选的，转接模块包括：分别于所述多通道数据采集模块中的各路数据采集通道一一对应连接的矩阵开关。

由此可见，与现有技术相比，本申请提供了一种MEMS加速度传感器性能参数标定方法、处理器及系统，本申请通过驱动闭环控制转动平台，在重力场下对待测MEMS加速度传感器进行360度转动多点定位，在转动过程中，获得其输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量，之后，利用获得的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度以及该待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，获得所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量，通过对该期望输出值和实际输出值进行最小二乘法拟合运算，获得该待测MEMS加速度传感器的各项模型参数，使得该模型参数中待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数，提高了系统的标定精度，而且，本申请这种在重力场下转动的标定方法，不需要与标准MEMS加速度传感器进行比较，从而避免了因该标准MEMS加速度传感器自身精度对最终标定结果精度的影响，进一步提高了标定精度；本申请还能够基于这些分离的模型参数，快速且准确地计算出该待测MEMS加速度传感器更多的性能参数，大大提高了标定效率，降低了其性能参数标定成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种MEMS加速度传感器的性能参数标定方法实施例的流程示意图；

图2为本申请提供的一种转动轴工装平台的结构示意图；

图3为本申请提供的一种MEMS加速度传感器的性能参数标定处理器的结构示意图；

图4为本申请提供的一种MEMS加速度传感器的性能参数标定系统实施例的结构示意图

图5为本申请提供的一种MEMS加速度传感器的性能参数标定系统实施例中的多通道数据采集模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供了一种MEMS加速度传感器性能参数标定方法、处理器及系统，本申请通过驱动闭环控制转动平台来对待测MEMS加速度传感器进行360度转动多点定位，在转动过程中，获得其输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量，之后，利用获得的输入轴加速度、输出轴加速度和摆轴加速度，以及该待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，计算出该待测MEMS加速度传感器的期望输出量，通过对该期望输出值和实际输出值进行最小二乘法拟合运算，获得该待测MEMS加速度传感器的各项模型参数，且使得该模型参数中待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数，提高了系统的标定精度，而且，本申请这种在重力场下转动的标定方法，不需要与标准MEMS加速度传感器进行比较，从而避免了因该标准MEMS加速度传感器自身精度对最终标定结果精度的影响，进一步提高了标定精度；本申请还能够基于这些分离的模型参数，快速且准确地计算出该待测MEMS加速度传感器更多的性能参数，大大提高了标定效率，降低了其性能参数标定成本。

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，为本发明提供的一种MEMS加速度传感器的性能参数标定方法实施例的流程示意图，该方法可以包括：

步骤S110：驱动闭环控制转动平台控制待测MEMS加速度传感器实现重力场下的360度转动多点定位，获得所述待测MEMS加速度传感器的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量。

本实施例利用重力转动多点测试的原理，在重力场下对待测MEMS加速度传感器进行测试，在实际应用中，如图2所示的工装图，可同时将20个待测MEMS加速度传感器201安装在转动轴工装平台上，但并不局限于此，可根据实际需要进行扩展，并使该转动轴工装平台的转动轴202平行安装在闭环控制转动平台的转轴上，在实际测试过程中，可按照下面过程进行：

首先，控制转动轴工装平台置于0g初始位置，通过多通道数据采集模块采集待测MEMS加速度传感器的输出电压值即为上述实际输出量；然后，控制转动轴工装平台转动到θ，同样采集待测MEMS加速度传感器的输出电压值；再以θ的步进依次转动到2θ，3θ，…,，360°，依次采集待测MEMS加速度传感器的输出电压值。

其中，在本申请中θ可以指5°、10°、15°、20°、30°等等，具体可根据实际需要确定，本申请对此不作限定，只要是利用本申请发明思想实现MEMS加速度传感器的性能参数的标定均属于本申请保护范围，本申请在此不再一一列举。另外，需要说明的是，360/θ的值需要大于待测MEMS加速度传感器的各项模型参数的2倍。

在本实施例中，由于待测MEMS加速度传感器的输出轴平行于转动平台的转轴，因此，在转动过程中，该待测MEMS加速度传感器的输入轴加速度a_i＝sinkθ，输出轴加速度a_p＝coskθ和摆轴加速度a_o＝0，其中，k＝360/θ。

步骤S120：利用获得的输入轴加速度、输出轴加速度和摆轴加速度，以及所述待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，获得待测MEMS加速度传感器的期望输出量。

在本实施例中，该待测MEMS加速度传感器的预设模型方程具体可

以为：

a＝E_p/K₁＝K₀+a_i+K₂a_i ²+K₃a_i ³+K_oa_p-K_pa_o+K_ipa_ia_p+K_ioa_ia_o (1)；

其中：a表示所述待测MEMS加速度传感器所标示的加速度值；E_p表示所述待测MEMS加速度传感器的输出量；a_i表示平行于输入基准轴的外加加速度；a_p表示垂直于所述输入基准轴的外加加速度；a_o表示所述待测MEMS加速度传感器摆轴方向的外加加速度；K₀表示所述待测MEMS加速度传感器的偏值；K₁表示所述待测MEMS加速度传感器的标度因数；K₂表示所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数；K₃表示所述待测MEMS加速度传感器的三次非线性系数；K_o表示所述待测MEMS加速度传感器输出量的变化与输出轴加速度之间关系的比例常数；K_p表示所述待测MEMS加速度传感器输出量的变化与摆轴加速度之间关系的比例常数；K_ip表示所述待测MEMS加速度传感器的输入轴与输出轴的交叉耦合系数；K_io表示所述待测MEMS加速度传感器的输入轴与摆轴的交叉耦合系数。

所以，将该待测MEMS加速度传感器的输入轴加速度a_i＝sinkθ，输出轴加速度a_p＝coskθ和摆轴加速度a_o＝0，代入公式(1)可得到该待测MEMS加速度传感器的期望输出量，即：

其中，A₀＝K₁(K₀+1/2*K₂)；A₁＝K₁(1+3/4*K₃)；A₂＝1/2*K₁K_ip；A₃＝1/4*K₁K₃；B₁＝K₁K_o；B₂＝-1/2*K₁K₂。 (3)

步骤S130：对待测MEMS加速度传感器的实际输出量和期望输出量进行最小二乘法拟合运算，获得所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数。

其中，该各项模型参数可以包括待测MEMS加速度传感器的偏值、标度因数、二次非线性系数、三次非线性系数、待测MEMS加速度传感器输出量的变化与输出轴加速度之间关系的比例常数、待测MEMS加速度传感器输出量的变化与摆轴加速度之间关系的比例常数、待测MEMS加速度传感器的输入轴与输出轴的交叉耦合系数、待测MEMS加速度传感器的输入轴与摆轴的交叉耦合系数等等，本申请对此不作限定。

需要说明的是，本申请按照上述标定方法得到的该待测MEMS加速度传感器的模型参数中的偏值和标度因数中均不包含该待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数，而是将各个模型参数分离开，从而提高了标定精度。

而且，对于三轴MEMS加速度传感器来说，交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数的分离，不仅能提高了偏值和标度因数的标定精度，而且还能够基于得到的各项模型参数，计算出待测MEMS加速度传感器的轴间串扰，并分析其分离P波(即纵波)和S波(即横波)的能力，为其改进的方向和应用的领域提供依据。

其中，在本实施例实际应用中，如用来对地震波的检测中，由于该地震波是指从震源产生向四周辐射的弹性波，按照传播方向可分为纵波、横波和面波(即L波)三种类型，且该纵波和横波均属于体波。基于此，在强震动观测、地震波观测的应用中，对P波和S波的分离能力的要求比较高，因此，在对MEMS加速度传感器的性能参数标定时，还需要分析其P波和S波的分离能力。

可选的，基于上述分析，对所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量进行最小二乘法运算，可得到第一表达式即公式(4)：

对所述第一表达式进行拟合运算，得到所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量表达式中各傅里叶系数，所述傅里叶系数包括：

通过对公式(3)和(5)的运算，可获得所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数，即：

K₀＝(A₀+B₂)/K₁,K₁＝A₁+3A₃,K₂＝-2B₂/K₁,K₃＝-4A₃/K₁,

K_o＝B₁/K₁,K_ip＝2A₂/K₁

可见，本实施例提供的标定方法将待测MEMS加速度传感器的预设模型方程中的各项模型参数分离开，尤其是使待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数，提高了系统的标定精度，而且，本申请这种在重力场下转动的标定方法，不需要与标准MEMS加速度传感器进行比较，从而避免了因该标准MEMS加速度传感器自身精度对最终标定结果精度的影响，进一步提高了标定精度；本申请还能够基于这些分离的模型参数，能够快速且准确地计算出该待测MEMS加速度传感器更多的性能参数，大大提高了标定效率，降低了其性能参数标定成本。

可选的，在上述各实施例的基础上，按照上述标定方法对待测MEMS加速度传感器进行n次测量后，可基于所得测量结果，获取该待测MEMS加速度传感器的偏置和标度因数的稳定性和重复性，本实施例可利用标准差来衡量相应参数的稳定性和重复性，本申请并不限定具体的衡量标准，可根据实际情况确定。其中，n≥7，但并不局限于此。

具体的，在上述实施例的基础上，对待测MEMS加速度传感器的性能参数进行n次测量后，该标定方法还可以包括：

利用预设的第一计算公式，计算模型参数中偏值的标准差，所述第一计算公式的表达式可以为：

其中，表示所述偏值的标准差，用来衡量该偏值的稳定性和重复性；K_0m表示第m次测试的所述偏值，m是小于等于n的整数；表示所述偏值的n次测量的平均值；

利用预设的第二计算公式，计算模型参数中的标度因数的标准差，所述第二计算公式的表达式可以为：

其中，表示所述标度因数的标准差，用来衡量该标度因数的稳定性和重复性；K_1m表示第m次测试的所述标度因数，m是小于等于n的整数；表示所述标度因数的n次测量的平均值。

另外，关于上述对偏值和标度因数的稳定性和重复性的测试，实际上，两者的稳定性测试为一次上电启动，而重复性测试则为多次上电启动。

此外，在上述实施例的基础上，本申请还可以控制该待测MEMS加速度传感器定位至1g位置，计算出该待测MEMS加速度传感器的启动时间和1g稳定时间。

具体的，在本实施例实际应用中，将待测MEMS加速度传感器安装在转动轴工装平台的转动轴上，并控制其处于1g位置，在一次通电的过程中，检测到该待测MEMS加速度触感器通电稳定后，按照上述方法测试60分钟(并不局限于此)内数据的稳定性，即得到偏值和标度因数的标准差，作为稳定性指标，同时，记录从供电开始到待测MEMS加速度传感器的实际输出量进入上述稳定值的预设误差范围内的时间，即为该待测MEMS加速度传感器的启动时间。其中，该稳定值为1g稳定性测试平均值，预设误差范围可以是该稳定值的±1％误差带，但并不局限于此。

作为本申请另一实施例，在上述各实施例的基础上，该方法还可以在预设温度范围内，驱动温湿度可变环境控制系统测试所述被测MEMS加速度传感器，计算得到不同预设温度下所述被测MEMS加速度传感器的偏值、标度因数以及二次非线性的温度最大回程误差及温度灵敏度。该预设温度范围可以是-40℃～85℃，但并不局限于此。

可选的，在上述各实施例的基础上，本申请还可以根据对所述待测MEMS加速度传感器的多次标定结果，生成所述待测MEMS加速度传感器的性能参数标定报告。

其中，该性能参数标定报告可以包括获得的所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数以及所述偏值的稳定性和重复性(可直接显示偏值的稳定性和重复性情况，也可以显示偏值的标准差，以使工作人员据此衡量该偏值的稳定性和重复性，本申请对此不作限定)，所述标度因数的稳定性和重复性(同理，可直接显示偏值的稳定性和重复性情况，也可以显示偏值的标准差，以使工作人员据此衡量该偏值的稳定性和重复性，本申请对此不作限定)等等，但并不局限于此，如上述待测MEMS加速度传感器的启动时间和1g稳定时间、二次非线性的温度最大回程误差及温度灵敏度等等，本实施例在此不再一一列举。

另外，需要说明的是，关于本申请提供各性能参数的标定方法，可以按照上述方法描述的内容全自动实现，也可以按照需要分别独立进行，使得标定系统在全自动化的基础上，兼顾灵活性的特点。

综上所述，本申请通过驱动闭环控制转动平台来对待测MEMS加速度传感器进行重力场下的360度转动多点定位，在转动过程中，获得其输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量，之后，利用获得的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度以及该待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，获得所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量，通过对该期望输出值和实际输出值进行最小二乘法拟合运算，获得该待测MEMS加速度传感器的各项模型参数，使得该模型参数中待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数，提高了系统的标定精度，而且，本申请这种在重力场下转动的标定方法，不需要与标准MEMS加速度传感器进行比较，从而避免了因该标准MEMS加速度传感器自身精度对最终标定结果精度的影响，进一步提高了标定精度；本申请还能够基于这些分离的模型参数，快速且准确地计算出该待测MEMS加速度传感器更多的性能参数，大大提高了标定效率，降低了其性能参数标定成本。

如图3所示，为本申请提供的一种MEMS加速度传感器的性能参数标定的处理器实施例的结构示意图，该处理器可以包括：

驱动模块310，用于驱动闭环控制转动平台控制待测MEMS加速度传感器实现重力场下的360度转动多点定位。

在本实施例中，如图2所示，待测MEMS加速度传感器安装在转动轴工装平台的转动轴上，该转动轴平行安装于闭环控制转动平台的转轴上，通过在闭环控制器接收到驱动信号后，使该闭环控制转动平台的转轴旋转，从而带动该转动轴工作平台的转动轴旋转，即调整各待测MEMS加速度传感器的位置，以实现360度的翻转。

其中，在转动轴工装平台的转轴上能够安装20个待测MEMS加速度传感器，甚至更多，从而使本申请在每次测试中可以同时完成这20个待测MEMS加速度传感器的测试，提高测试效率。另外，关于对待测MEMS加速度传感器在重力场下的360度转动多点定位的具体控制和测试过程可参照上述方法实施例对应部分的描述，本实施例在此不再详述。

数据传输模块320，用于在所述待测MEMS加速度传感器每次定位后，获得所述待测MEMS加速度传感器的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量。

根据上述分析可知，在重力场下，本实施例能够同时控制20个待测MEMS加速度传感器转动，并由该多通道数据采集装置通过20路通道分别采集每个待测MEMS加速度传感器的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量等信息，通过该数据传输模块320获得这些信息，以实现对这20个MEMS加速度传感器的性能参数的标定，大大提高了检测效率。

第一计算模块330，用于利用获得的所述输入轴加速度、所述输出轴加速度、所述摆轴加速度，以及所述待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，获得所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量。

其中，关于获取待测MEMS加速度传感器的期望输出量的具体过程可参照上述方法实施例的对应部分的描述，本实施在此不再赘述。

第二计算模块340，用于对所述待测MEMS加速度传感器的所述实际输出量和期望输出量进行最小二乘法拟合运算，获得所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数。

其中，在本实施例中，该各项模型参数可以包括待测MEMS加速度传感器的偏值、标度因数、二次非线性系数、三次非线性系数、待测MEMS加速度传感器输出量的变化与输出轴加速度之间关系的比例常数、待测MEMS加速度传感器输出量的变化与摆轴加速度之间关系的比例常数、待测MEMS加速度传感器的输入轴与输出轴的交叉耦合系数、待测MEMS加速度传感器的输入轴与摆轴的交叉耦合系数等等，本申请对此不作限定。

需要说明的是，该待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含该待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数，提高了标定精度。

综上所述，本实施例提供的处理器能够同时对20个待测MEMS加速度传感器进行控制与检测，一次360度转动多点定位试验，就能够将待测MEMS加速度传感器的各项模型参数分离，保证所得待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数不包含其他系统，提高了标定效率以及精度。

作为本申请另一实施例，在上述实施例的基础上，在对待测MEMS加速度传感器的性能参数进行n次测量后，n≥7，还可以基于测量结果，获取该待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数的稳定性和重复性，则本申请提供的处理器还可以包括：

第三计算模块，用于利用预设的第一计算公式，计算所述模型参数中的所述偏值的标准差，所述第一计算公式的表达式为：

其中，表示所述偏值的标准差；K_0m表示第m次测试的所述偏值，m是小于等于n的整数；表示所述偏值的n次测量的平均值。

在本实施例实际应用中，在第三计算模块得到该偏值的标准差后，可利用该标准差衡量该待测MEMS加速度传感器的偏值的稳定性和重复性，本申请并不限定其衡量标准，可根据实际情况而定。

第四计算模块，用于利用预设的第二计算公式，计算所述模型参数中的所述标度因数的标准差，所述第二计算公式的表达式为：

其中，表示所述标度因数的标准差；K_1m表示第m次测试的所述标度因数，m是小于等于n的整数；表示所述标度因数的n次测量的平均值。

同理，在本实施例实际应用中，在第四计算模块得到该标度因数的标准差后，可利用该标准差衡量该待测MEMS加速度传感器的标度因数的稳定性和重复性，本申请并不限定其衡量标准，可根据实际情况而定。

可选的，该处理器还可以包括：

报告生成模块，用于根据对所述待测MEMS加速度传感器的多次标定结果，生成所述待测MEMS加速度传感器的性能参数标定报告。

其中，所述性能参数标定报告可以包括获得的所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数以及所述偏值的稳定性和重复性，所述标度因数的稳定性和重复性，但并不局限于此，具体可根据实际需要确定，这样，工作人员只要查看该报告生成模块生成的性能参数标定报告，即可得到待测MEMS加速度传感器的性能情况，以便选择合适的MEMS加速度传感器应用，并保证该所选取的MEMS加速度传感器在实际应用中其各性能的可靠性，从而满足实际需求。

如图4所示，为本申请提供的一种MEMS加速度传感器的性能参数标定系统实施例的结构示意图，该系统可以包括：闭环控制转动平台410、转动轴工装平台420(图4并未示出)，多通道数据采集模块430、转接模块440(图4中并未示出)、直流电源450以及处理器460，且该闭环控制转动平台410、多通道数据采集模块430以及直流电源450分别与该处理器460连接，其中：

处理器460的具体组成结构及其功能可参照上述处理器实施例所描述的一种MEMS加速度传感器的性能参数标定的处理器，本实施例在此不再赘述。

结合图2所示，该转动轴工装平台420的转动轴上安装有多个待测MEMS加速度传感器(图4仅以包含20个待测MEMS加速度传感器为例进行说明)，且该转动轴平行安装于所述闭环控制转动平台410的转轴上。

可选的，在本实施实际应用中，该闭环控制转动平台410可以包括闭环控制器411和转动平台412，该闭环控制器411基于处理器460发送的驱动信号控制该转动平台412工作，从而通过该转动平台412的转轴带动转动轴工装平台420的转动轴工作，进而实现安装在该转动轴上的待测MEMS加速度传感器的转动。

多通道数据采集模块430至少具有20路数据采集通道。

结合上述分析，本实施提供的处理器460支持同时对20个待测MEMS加速度传感器的控制及数据采集，以实现对其多个性能参数的标定，从而提高标定效率，所以，为了实现对这20个待测MEMS加速度传感器的数据采集及传输，并避免所采集数据混淆，本实施例将通过具有相应数据采集通道的多通道数据采集模块430实现对待测MEMS加速度传感器的采集和传输。

可选的，如图5所示，对于本实施例的多通道数据采集模块430可以包括：依次连接的阻抗匹配电路431、全差分运算放大器电路432、抗混叠模拟滤波器433、24位A/D量化器434和数字滤波器435，以及分别与所述24位A/D量化器434和所述数字滤波器435连接的时钟基准电路436，与所述24位A/D量化器434连接的电压基准源437和与所述电压基准源437连接的电源稳压器438。

可见，结合该多通道数据采集模块430的上述各组成器件本身所具有的功能，实现了对待测MEMS加速度传感器的高精度的数据采集功能，再结合上述描述的高精度的闭环控制转动平台，保证了本实施例所得待测MEMS加速度传感器的性能参数标定的精确度，且提高了标定效率。

其中，由于小于10角秒的角度定位精度，且具有很强的负载能力的转动平台的造价非常高，因而，若使用这种高精度的转动平台将会大大地增加测试系统的成本，不利于系统的扩展性。对此，在本实施例中，高精度的闭环控制转动平台通过内置编码器实现对步进电机的闭环控制，以实现对转动轴工装平台的控制，且利用其中的转动平台具有的较好的单向重复性，通过24面棱镜和激光测准仪对待测MEMS加速度传感器的各个转动位置进行校准补偿，以达到小于10角秒的角度定位精度和转动功能，大大降低了测试系统的成本。

转接模块440安装在所述转动轴工装平台420的转动轴上，且位于所述待测MEMS加速度传感器的背面，分别与所述待测MEMS加速度传感器、所述多通道数据采集模块430以及所述直流电源450连接，用于切换所述多通道数据采集模块430与相应待测MEMS加速度传感器的导通和关断。

在本实施实际应用中，该转接模块440可给待测MEMS加速度传感器提供基准时钟和电源，通过矩阵开关实现20通道的待测MEMS加速度传感器信号的切换。

所以，该转接模块440可以包括与多通道数据采集模块430中的各路数据采集通道一一对应连接的矩阵开关。具体的，在本实施例实际应用中，本实施对上述20个待测MEMS加速度传感器的数据采集过程并不限定是对这20个待测MEMS加速度传感器进行同步采样，本实施例可通过该矩阵开关实现对这20路MEMS加速度触感器的数据采集通道的切换，在标定测量精度的同时保证了该系统的低成本。

此外，基于本申请提供的对多路数据采集的系统结构及其采集方式描述可知，本实施例提供的系统结构具有较强的扩展性，能够对20个甚至更多个MEMS加速度传感器进行控制，并通过相应数量的数据通道获得检测到的相应数据，进一步提高了本实施例所提供的系统的扩展性。

可选的，在上述各实施例的基础上，该系统还可以包括温湿度可变控制系统，使得上述待测MEMS加速度传感器、转接模块440以及转动轴工装平台420均处于该温湿度可变控制系统内，以完成对该待测MEMS加速度传感器的性能参数的标定测试。

其中，本实施例利用该温湿度可变控制系统实现了对待测MEMS加速度传感器的温度强化试验，实现全温度范围测试以及温度冲击测试，而且，本申请结合系统其它高精度器件，能够实现±1℃的控温精度，此外，本实施例的温湿度可变控制系统的升降温度率是可调的，本申请并不限定调整升降温度率的方法，如可以结合当前测试环境以及待测MEMS加速度传感器本身特性等因素，调整升降温度率，以控制该待测MEMS加速度传感器的测试温度，保证其性能参数的标定精度。

在本实施例中，还可以利用该温湿度可变控制系统计算-40℃～85℃下待测MEMS加速度传感器的偏置、标度因数以及二次非线性的温度最大回程误差及温度灵敏度。

其中，需要说明的是，在本申请实际应用中，关于标定系统对各性能参数的标定测试，可以按照需要独立进行，以体现该标定系统的灵活性特点。

综上所述，本实施例通过驱动闭环控制转动平台来对待测MEMS加速度传感器进行重力场下的360度转动多点定位，在转动过程中，获得其输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量，之后，利用获得的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度以及该待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，获得所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量，通过对该期望输出值和实际输出值进行最小二乘法拟合运算，获得该待测MEMS加速度传感器的各项模型参数，使得该模型参数中待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数，提高了系统的标定精度，而且，本申请这种在重力场下转动的标定方法，不需要与标准MEMS加速度传感器进行比较，从而避免了因该标准MEMS加速度传感器自身精度对最终标定结果精度的影响，进一步提高了标定精度；本申请还能够基于这些分离的模型参数，快速且准确地计算出该待测MEMS加速度传感器更多的性能参数，大大提高了标定效率，降低了其性能参数标定成本

另外，需要说明的是，关于上述各实施例中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个操作、单元或模块与另一个操作、单元或模块区分开来，而不一定要求或者暗示这些单元、操作或模块之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者系统中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的处理器和系统而言，由于其与实施例公开的方法对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种MEMS加速度传感器性能参数标定方法，其特征在于，所述方法包括：

驱动闭环控制转动平台控制待测MEMS加速度传感器实现重力场下的360度转动多点定位，获得所述待测MEMS加速度传感器的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量；

利用获得的所述输入轴加速度、所述输出轴加速度、所述摆轴加速度，以及所述待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，获得所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量，所述预设模型方程为：

a＝E_p/K₁＝K₀+a_i+K₂a_i ²+K₃a_i ³+K_oa_p-K_pa_o+K_ipa_ia_p+K_ioa_ia_o；

其中：a表示所述待测MEMS加速度传感器所标示的加速度值；E_p表示所述待测MEMS加速度传感器的输出量；a_i表示平行于输入基准轴的外加加速度；a_p表示垂直于所述输入基准轴的外加加速度；a_o表示所述待测MEMS加速度传感器摆轴方向的外加加速度；K₀表示所述待测MEMS加速度传感器的偏值；K₁表示所述待测MEMS加速度传感器的标度因数；K₂表示所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数；K₃表示所述待测MEMS加速度传感器的三次非线性系数；K_o表示所述待测MEMS加速度传感器输出量的变化与输出轴加速度之间关系的比例常数；K_p表示所述待测MEMS加速度传感器输出量的变化与摆轴加速度之间关系的比例常数；K_ip表示所述待测MEMS加速度传感器的输入轴与输出轴的交叉耦合系数；K_io表示所述待测MEMS加速度传感器的输入轴与摆轴的交叉耦合系数；

对所述待测MEMS加速度传感器的所述实际输出量和期望输出量进行最小二乘法拟合运算，获得所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数；

其中，所述模型参数中所述待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述待测MEMS加速度传感器的性能参数进行n次测量后，所述方法还包括：

利用预设的第一计算公式，计算所述模型参数中的所述偏值的标准差，所述第一计算公式的表达式为：

其中，表示所述偏值的标准差；K_0m表示第m次测试的所述偏值，m是小于等于n的整数；表示所述偏值的n次测量的平均值；

利用预设的第二计算公式，计算所述模型参数中的所述标度因数的标准差，所述第二计算公式的表达式为：

其中，表示所述标度因数的标准差；K_1m表示第m次测试的所述标度因数，m是小于等于n的整数；表示所述标度因数的n次测量的平均值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据对所述待测MEMS加速度传感器的多次标定结果，生成所述待测MEMS加速度传感器的性能参数标定报告；

其中，所述性能参数标定报告包括获得的所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数以及所述偏值的稳定性和重复性，所述标度因数的稳定性和重复性。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

控制所述待测MEMS加速度传感器定位至1g位置，计算所述待测MEMS加速度传感器的启动时间和1g稳定时间。

5.一种MEMS加速度传感器性能参数标定的处理器，其特征在于，所述处理器包括：

驱动模块，用于驱动闭环控制转动平台控制待测MEMS加速度传感器实现重力场下的360度转动多点定位；

数据传输模块，用于在所述待测MEMS加速度传感器每次定位后，获得所述待测MEMS加速度传感器的输入轴加速度、输出轴加速度、摆轴加速度和实际输出量；

第一计算模块，用于利用获得的所述输入轴加速度、所述输出轴加速度、所述摆轴加速度，以及所述待测MEMS加速度传感器的预设模型方程，获得所述待测MEMS加速度传感器的期望输出量，所述预设模型方程为：

a＝E_p/K₁＝K₀+a_i+K₂a_i ²+K₃a_i ³+K_oa_p-K_pa_o+K_ipa_ia_p+K_ioa_ia_o；

其中：a表示所述待测MEMS加速度传感器所标示的加速度值；E_p表示所述待测MEMS加速度传感器的输出量；a_i表示平行于输入基准轴的外加加速度；a_p表示垂直于所述输入基准轴的外加加速度；a_o表示所述待测MEMS加速度传感器摆轴方向的外加加速度；K₀表示所述待测MEMS加速度传感器的偏值；K₁表示所述待测MEMS加速度传感器的标度因数；K₂表示所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数；K₃表示所述待测MEMS加速度传感器的三次非线性系数；K_o表示所述待测MEMS加速度传感器输出量的变化与输出轴加速度之间关系的比例常数；K_p表示所述待测MEMS加速度传感器输出量的变化与摆轴加速度之间关系的比例常数；K_ip表示所述待测MEMS加速度传感器的输入轴与输出轴的交叉耦合系数；K_io表示所述待测MEMS加速度传感器的输入轴与摆轴的交叉耦合系数；

第二计算模块，用于对所述待测MEMS加速度传感器的所述实际输出量和期望输出量进行最小二乘法拟合运算，获得所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数；

其中，所述模型参数中所述待测MEMS加速度传感器的偏值和标度因数中均不包含所述待测MEMS加速度传感器的二次非线性系数、三次非线性系数、交叉耦合灵敏度和交叉耦合系数。

6.根据权利要求5所述的处理器，其特征在于，在对所述待测MEMS加速度传感器的性能参数进行n次测量后，所述处理器还包括：

第三计算模块，用于利用预设的第一计算公式，计算所述模型参数中的所述偏值的标准差，所述第一计算公式的表达式为：

其中，表示所述偏值的标准差；K_0m表示第m次测试的所述偏值，m是小于等于n的整数；表示所述偏值的n次测量的平均值；

第四计算模块，用于利用预设的第二计算公式，计算所述模型参数中的所述标度因数的标准差，所述第二计算公式的表达式为：

其中，表示所述标度因数的标准差；K_1m表示第m次测试的所述标度因数，m是小于等于n的整数；表示所述标度因数的n次测量的平均值。

7.根据权利要求5所述的处理器，其特征在于，所述处理器还包括：

报告生成模块，用于根据对所述待测MEMS加速度传感器的多次标定结果，生成所述待测MEMS加速度传感器的性能参数标定报告；

其中，所述性能参数标定报告包括获得的所述待测MEMS加速度传感器的各项模型参数以及所述偏值的稳定性和重复性，所述标度因数的稳定性和重复性。

8.一种MEMS加速度传感器性能参数标定系统，其特征在于，所述系统包括：闭环控制转动平台、转动轴工装平台、多通道数据采集模块、转接模块、直流电源，以及如权利要求5-7任意一项所述的MEMS加速度传感器的性能参数标定的处理器，所述处理器分别与所述闭环控制转动平台、所述多通道数据采集模块以及所述直流电源连接，其中，

所述转动轴工装平台的转动轴上安装有多个所述待测MEMS加速度传感器，且所述转动轴平行安装于所述闭环控制转动平台的转轴上；

所述多通道数据采集模块至少具有20路数据采集通道；

所述转接模块安装在所述转动轴工装平台的转动轴上，且位于所述待测MEMS加速度传感器的背面，并分别与所述待测MEMS加速度传感器、所述多通道数据采集模块以及所述直流电源连接，用于切换所述多通道数据采集模块与相应所述待测MEMS加速度传感器的导通和关断。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述多通道数据采集模块包括：依次连接的阻抗匹配电路、全差分运算放大器电路、抗混叠模拟滤波器、24位A/D量化器和数字滤波器，以及分别与所述24位A/D量化器和所述数字滤波器连接的时钟基准电路，与所述24位A/D量化器连接的电压基准源和与所述电压基准源连接的电源稳压器。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，转接模块包括：分别与所述多通道数据采集模块中的各路数据采集通道一一对应连接的矩阵开关。