CN107966588A

CN107966588A - 加速度计非线性特性的测评方法及装置

Info

Publication number: CN107966588A
Application number: CN201711167219.0A
Authority: CN
Inventors: 董显山; 黄钦文; 周斌; 恩云飞
Original assignee: China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute
Current assignee: China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-04-27
Anticipated expiration: 2037-11-21
Also published as: CN107966588B

Abstract

本发明涉及一种加速度计非线性特性的测评方法，涉及加速度计技术领域，包括以下步骤：记录加速度计处于正常工作时的第一预载电压，根据翻转测试获取在第一预载电压下的第一标度因子，并分别获取第一输出电压和第一零位值；调节第一预载电压为第二预载电压，分别获取第二输出电压、第二标度因子和第二零位值；获取第一零位值和第二零位值的零位差值，并根据零位差值的绝对值的大小测评加速度计的非线性特性；通过加速度计在不同预载电压下的零位差值，简单快速而准确地测评加速度计的非线性特性，且无需其他额外的测试设备，方便易行，为加速度计的非线性研究工作提供有益帮助，并且还可以应用于某些通过非线性特性快速筛选加速度计的场合。

Description

加速度计非线性特性的测评方法及装置

技术领域

本发明涉及加速度计技术领域，特别是涉及一种加速度计非线性特性的测评方法及装置。

背景技术

微机械加速度计是基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机械系统)加工技术制作而成，又称为MEMS加速度计，其可用来测量运动载体的加速度信息，已在军事、工业、惯性导航、仪器检测、医学和消费电子等领域得到了广泛的应用。

加速度计标度因数的非线性特性是其工程化应用的重要指标之一，极大影响加速度计的精度，为此有很多研究者对其进行了多方面的研究，有对其进行非线性标定测试补偿的，有对质量块位置进行调试控制的，可以看出上述研究都离不开对标度因数非线性的测试，进而评判加速度计的非线性特性。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统标度因数的非线性主要是通过重力场和精密离心机进行测试的；但在重力场下进行的非线性测试只能适用±1g的范围内，同时其测试结果误差大；如果需要更全面准确测试非线性，一般采用精密离心机进行对其进行满量程的非线性测试，但这种方法耗时长、成本高、不经济，不适合某些测试场合。

发明内容

基于此，有必要针对误差大、成本高和适合场合窄的问题，本发明提供了一种加速度计非线性特性的测评方法及装置。

本发明实施例提供了一种加速度计非线性特性的测评方法，包括以下步骤：

记录加速度计处于正常工作时的第一预载电压；

在重力场下根据翻转测试获取所述加速度计在所述第一预载电压下的第一标度因子；并在所述加速度计处于水平状态时，记录所述加速度计在所述第一预载电压下的第一输出电压；

根据所述第一输出电压和所述第一标度因子，获取所述加速度计在所述第一预载电压下的第一零位值；

调节所述第一预载电压为第二预载电压，记录所述加速度计在所述第二预载电压下的第二输出电压；

根据所述第一预载电压、所述第二预载电压和所述第一标度因子，获取所述加速度计在所述第二预载电压下的第二标度因子；

根据所述第二输出电压和所述第二标度因子，获取所述加速度计在所述第二预载电压下的第二零位值；

获取所述第一零位值和所述第二零位值的零位差值，并根据所述零位差值的绝对值的大小测评所述加速度计的非线性特性。

相应地，本发明实施例还提供了一种加速度计非线性特性的测评装置，包括：

第一预载电压记录模块，用于记录加速度计处于正常工作时的第一预载电压；

第一标度因子获取模块，用于在重力场下根据翻转测试获取所述加速度计在所述第一预载电压下的第一标度因子；并在所述加速度计处于水平状态时，记录所述加速度计在所述第一预载电压下的第一输出电压；

第一零位值获取模块，用于根据所述第一输出电压和所述第一标度因子，获取所述加速度计在所述第一预载电压下的第一零位值；

第二输出电压记录模块，用于调节所述第一预载电压为第二预载电压，记录所述加速度计在所述第二预载电压下的第二输出电压；

第二标度因子获取模块，用于根据所述第一预载电压、所述第二预载电压和所述第一标度因子，获取所述加速度计在所述第二预载电压下的第二标度因子；

第二零位值获取模块，用于根据所述第二输出电压和所述第二标度因子，获取所述加速度计在所述第二预载电压下的第二零位值；

零位差值获取模块，用于获取所述第一零位值和所述第二零位值的零位差值，并根据所述零位差值的绝对值的大小测评所述加速度计的非线性特性。

相应地，本发明实施例提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行如上任意一项所述方法的步骤。

相应地，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上任意一项所述方法的步骤。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

本发明加速度计非线性特性的测评方法及装置，通过加速度计在不同预载电压下的零位差值，简单快速而准确地测评加速度计的非线性特性，且无需其他额外的测试设备，方便易行，为加速度计的非线性研究工作提供有益帮助，并且还可以应用于某些通过非线性特性筛选加速度计的场合。

附图说明

图1为本发明实施例中加速度计工作示意图；

图2为本发明实施例中加速度计非线性特性的示意图；

图3为本发明实施例中加速度计非线性特性的测评方法第一流程图；

图4为本发明实施例中加速度计非线性特性的测评方法第二流程图；

图5为本发明实施例中加速度计非线性特性的测评装置结构示意图。

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，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的一种加速度计非线性特性的测评方法及装置进一步详细说明。

应当理解，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，并不是旨在限制本发明。

本发明加速度计非线性特性的测评方法及装置各实施例，可基于电容式MEMS闭环加速度计研究其非线性特性的测评表征，涉及MEMS加速度计非线性来源以及其工作原理，以下说明电容式MEMS加速度计非线性来源。

由于变间距电容检测的灵敏度比变面积式的大得多，因此电容式MEMS加速度计大多采用变间距电容检测方式，如图1所示，当输入加速度时可动质量块会受到惯性力，导致可动质量块移动，从而差分检测电容发生变化，其电容值和可动质量块的偏移量x具有非线性关系，这种非线性关系使得整个加速度计呈现非线性特征，并且随着可动质量块的偏移量x越大，加速度计非线性特征越显著。

为调整可动质量块的偏移量x，通过引入反馈静电力来平衡检测可动质量块上的惯性力，使可动质量块始终保持在闭环工作点位置，从而有效减小了可动质量块随外界输入加速度偏移所引起的输出非线性问题，这也是闭环加速度计的设计思想来源。

理想情况下，当可动质量块处于敏感结构的几何中心时，即上下极板和质量块的距离相等，此时可动质量块受到的静电力F_e为：

其中，F_e2为可动质量块与下固定极板的静电力，F_e1为可动质量块与上固定极板的静电力，ε为静电力常量，A为上下极板面积、d₀为可动质量块在几何中心时与上下固定极板的距离，ε、A和d₀皆为已知量；预载电压V_ref为可调量，输出电压V_fb为应变量。

从公式(1)可以看到，当可动质量块处于敏感结构的几何中心时，即x＝0，加速度计不存在非线性。但在实际情况中，受敏感结构加工、检测电路、寄生失配电容等的影响，可动质量块到上、下极板的距离不一致，也即x≠0，，此时可动质量块受到的静电力F_e为：

其中，x为可动质量块偏离几何中心的距离，即偏移量。

从公式(2)可以看出，静电力公式中分母包含了可动质量块偏离敏感结构的几何中心的距离x，正是因为偏移量x导致了闭环加速度计也存在非线性特征，其非线性曲线示意图如图2，可以清楚地看出，x的大小可表征加速度计非线性，偏移量x越大，非线性越显著；由于偏移量x不可观测，无法准确获取其非线性特性的优异。

为此，本发明实施例中提供了一种加速度计非线性特性的测评方法，如图3所示，包括以下步骤：

S310：记录加速度计处于正常工作时的第一预载电压。

具体而言，正常工作状态为连接稳定电源，电源可以输入不同大小的预载电压，为加速度计非线性特性的测评提供准确预载电压值。其中，第一预载电压是电源施加给加速度计敏感结构质量块上的第一电压值。

S320：根据在重力场下翻转测试获取加速度计在第一预载电压下的第一标度因子；并在所述加速度计处于水平状态时，记录加速度计在第一预载电压下的第一输出电压。

具体而言，翻转测试是通过翻转测试工装使加速度计的输入加速度为预设值，记录加速度计在翻转测试时的翻转电压，根据翻转电压获取第一标度因子；在获取第一翻转电压和第二翻转电压之后，将翻转测试工装处于水平状态下，此时，记录加速度计在第一预载电压下的第一输出电压。

需要说明的是，翻转测试工装处于水平状态下，此时，固定在翻转测试工装的加速度计的输入加速度在零的合理误差内，因此这些都属于本发明的保护范围。

S330：根据第一输出电压和第一标度因子，获取加速度计在第一预载电压下的第一零位值。

在本实施例中，获取第一输出电压和第一标度因子的比值，该比值为加速度计在第一预载电压下的第一零位值。

S340：调节第一预载电压为第二预载电压，记录加速度计在第二预载电压下的第二输出电压。

需要说明的是，将第一预载电压变更为第二预载电压时，加速度计其他变量保持不变，即加速度计仍处于水平状态下，并保持正常工作下。

S350：根据第一预载电压、第二预载电压和第一标度因子，获取加速度计在第二预载电压下的第二标度因子。

S360：根据第二输出电压和第二标度因子，获取加速度计在第二预载电压下的第二零位值；在本实施例中，获取第二输出电压和第二标度因子的比值，该比值为加速度计在第二预载电压下的第二零位值。

S370：获取第一零位值和第二零位值的零位差值，并根据零位差值的绝对值的大小测评加速度计的非线性特性。

在本实施例中，当加速度计闭环测试时，x会远小于d₀，公式(2)的静电力公式可化简为：

当可动质量块有力平衡时，公式(3)可变换为：

其中，m为加速度计敏感结构的质量(单位为kg，千克)，a为加速度计的输入加速度(单位为m/s²，米/秒²)，k为敏感结构机械梁刚度(单位为N/m，牛顿/米)，δ为机械梁的弯曲量(单位为m，米)。

当加速度输入很小且不变时，对公式(4)进行变换为：

其中，且B为固定值。

从公式(5)中输出电压V_fb的变化大小与偏移量x有关，当x＝0，即可动质量块处于几何中心时，从公式(1)可以看到，其没有非线性，记录的输出电压V_fb的变化会随预载电压V_ref反方向等比例变化，测试出的标度因子K同样会随预载电压V_ref反方向等比例变化，加速度计零位值V_fb/在不同预载电压V_ref下不会变化，即不同预载电压V_ref下的零位值相等，其零位差值为零。

同理，当x≠0，即可动质量块不处于几何中心时，此时加速度计具有非线性特征，输出电压V_fb的变化不会随预载电压V_ref反方向等比例变化，而测试出的标度因子K会随预载电压V_ref反方向等比例变化，加速度计零位值V_fb/在不同预载电压V_ref下会发生变化，其零位差值与x呈比例关系，比例系数和敏感结构参数相关，且x越大，加速度计在不同预载电压V_ref下零位值V_fb/的变化越大，即零位差值的绝对值越大。

在本实施例中，通过调节加速度计的预载电压，分别获取不同预载电压下加速度计的零位值，其零位差值绝对值的大小对加速度计标度因数的非线性特性进行测评；加速度计的零位差值的绝对值越小，表明加速度计的非线性特性越好，即偏移量x趋于零；零位差值的绝对值越大，说明加速度计的非线性特性越差，即偏移量x也越大。

在一个实施例中，如图4所示，根据在重力场下翻转测试获取加速度计在第一预载电压下的第一标度因子的步骤包括：

S410：当加速度计的输入加速度在翻转测试的工装中为预设正值时，记录加速度计的第一翻转电压；S420：当加速度的输入加速度在翻转测试的工装中变更为预设负值时，记录加速度计的第二翻转电压；S430：根据第一翻转电压和第二翻转电压获取第一标度因子。

在本实施例中，保持加速度计在第一预载电压下正常工作，在翻转测试的工装中使加速度计的输入加速度为预设正值，记录加速度计在输入加速度为预设正值时的第一翻转电压；同理，在翻转测试的工装中使加速度计的输入加速度为预设负值，记录加速度计在输入加速度为预设负值时的第二翻转电压。

具体而言，对翻转法所获得第一翻转电压和第二翻转电压进行求差，其差值的二分之一确定为第一标度因子。

可选地，工装为六面体工装；预设正值为+1g；预设负值为-1g。

在本实施例中，保持加速度计在第一预载电压下正常工作，为使加速度计的输入加速度为预设正值，可以使固定有加速度计的翻转测试工装处于正立状态，从而记录加速度计在输入加速度为+1g时的第一翻转电压；同理，为使加速度计的输入加速度为-1g，使翻转测试工装处于倒立状态，从而记录加速度计在输入加速度为+1g时的第二翻转电压。

在一个实施例中，根据第一预载电压、第二预载电压和第一标度因子，获取加速度计在第二预载电压下的第二标度因子的步骤包括：

获取加速度计的第一预载电压与第一标度因子乘积值；获取乘积值与第二预载电压的比值，将比值确定为第二标度因子。

在一个实施例中，当ε、A、d₀皆为已知时，可以对加速度计的非线性进行定量分析，即获取偏移量x的值以表征加速度计的非线性特性。

发明人发现传统技术中，一是在重力场下利用六面体工装对加速度计进行±1g下的标度因数不对称测试，从而获得标度因数的不对称度，以此来表征加速度计的非线性特性，但测试结果误差大；二是记录加速度计在不同加速度输入时的加速度计输出，将其进行线性拟合求得加速度计标度因数的非线性，从而表征加速度计的非线性特性，但耗时长、成本高、不经济，不适合某些测试场合。

如上所述，本实施例中的加速度计非线性特性的测评方法可以简单快速而准确地测评加速度计的非线性特性，且无需其他额外的测试设备，方便易行，为加速度计的非线性研究工作提供有益帮助，并且还可以应用于某些通过非线性特性筛选加速度计的场合。

下面列举利用本发明实施例中的具体应用实例。

应用实例1步骤如下：根据上述加速度计非线性特性的测评方法，分别获得多个加速度计在预载电压为1V和5V下的输出电压值、标度因子和零位值，并根据同一个加速度计在1V和5V的零位值获取两者的零位差值；调试可动质量块以靠近敏感结构的几何中心；获取调试后的加速度计在1V和5V的零位值得到两者的零位差值。

通过对比调试前后的加速度在1V和5V下的零位差值，调试后的零位差值越接近0，说明调试效果越好，如表1所示。

通过表1中可清楚地得知，加速度计1调试后的零位差值的绝对值明显下降，可得知调试后的加速度计1更靠近敏感结构的几何中心，其偏移量x降低，从而改善闭环加速度计1的非线性特性；同理，加速度计2调试后的零位差值的绝对值并未有所下降，说明加速度计2调试后的偏移量x并未减小，加速度计2的非线性特性未有改善。

如上所述，通过对加速度计调试前后零位差值的对比，可以应用于针对加速度计非线性改善调试工作中的非线性验证和评判，简单快速，同时解决了偏移量x不可观测的问题。

表1：加速度计调试前后的零位数据

应用实例2步骤如下：根据上述加速度计非线性特性的测评方法，分别获得同一批次10个加速度计在预载电压为1V和5V下的输出电压值、标度因子和零位值，并根据同一个加速度计在1V和5V的零位值获取两者的零位差值。

表2：相同批次加工的10只加速度计的零位数据

如表2所示，对比10只加速度计在预载电压1V和5V下的零位差值，零位差值的绝对值越小的，非线性特性越好，零位差值的绝对值越大的，非线性特性越差，可根据零位差值的大小对进行筛选。

根据表2中各个零位差值的绝对值可知，非线性特性最好的为加速度计8，最差的为加速度计7，本应用实例说明上述方法可根据非线性特性的优异快速地对加速度计进行筛选，极大地提高效率，同时也节约了成本。

应用实例3步骤如下：

将同一个加速度计先后焊接于多个电路设计板，每个电路设计板根据上述加速度计非线性特性的测评方法，分别获得每个电路设计板在预载电压为1V和5V下的输出电压值、标度因子和零位值，并根据同一个电路设计板在1V和5V的零位值获取两者的零位差值。

如表3所示，可获取各个电路设计板在1V和5V的零位差值，零位差值越小的，非线性特性越好，零位差值越大的，非线性特性越差。

根据表3中同一个加速度计焊接于不同电路设计板的零位差值绝对值可知，电路设计板3最好，电路设计板2次之，电路设计板1最差。本应用实例说明上述方法可简单快速地评判电路设计板对加速度计的非线性特性影响程度，以筛选电路设计板，方便快捷，极大地提高效率和节约成本。

表3：同一个加速度计在不同电路设计板的零位数据

相应地，本发明实施例中提供了一种加速度计非线性特性的测评装置，如图5所示，包括：

第一预载电压记录模块510，用于记录加速度计处于正常工作时的第一预载电压；

第一标度因子获取模块520，用于在重力场下根据翻转测试获取加速度计在第一预载电压下的第一标度因子；并在加速度计处于水平状态时，记录加速度计在第一预载电压下的第一输出电压；

第一零位值获取模块530，用于根据第一输出电压和第一标度因子，获取加速度计在第一预载电压下的第一零位值；

第二输出电压记录模块540，用于调节第一预载电压为第二预载电压，记录加速度计在第二预载电压下的第二输出电压；

第二标度因子获取模块550，用于根据第一预载电压、第二预载电压和第一标度因子，获取加速度计在第二预载电压下的第二标度因子；

第二零位值获取模块560，用于根据第二输出电压和第二标度因子，获取加速度计在第二预载电压下的第二零位值；

零位差值获取模块570，用于获取第一零位值和第二零位值的零位差值，并根据零位差值的绝对值的大小测评加速度计的非线性特性。

在一个实施例中，第一标度因子获取模块520还用于：

当加速度计的输入加速度在翻转测试的工装中为预设正值时，记录加速度计的第一翻转电压；当加速度的输入加速度在翻转测试的工装中变更为预设负值时，记录加速度计的第二翻转电压；根据第一翻转电压和第二翻转电压获取第一标度因子。

在一个实施例中，工装为六面体工装；预设正值为+1g；预设负值为-1g。

在一个实施例中，第二标度因子获取模块550还用于：

获取第一预载电压与第一标度因子乘积值；获取乘积值与第二预载电压的比值，将比值确定为第二标度因子。

上述加速度计非线性特性的测评装置可执行本发明实施例所提供的加速度计非线性特性的测评方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

此外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性的计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，该程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各个加速度计非线性特性的测评方法的实施例的流程。

在一个实施例中，还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现如上述各实施例中的任意一种加速度计非线性特性的测评方法。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

该计算机存储介质，其存储的计算机程序，通过实现包括如上述各加速度计非线性特性的测评方法的实施例的流程，从而实现了简单快速而准确地测评加速度计的非线性特性，且无需其他额外的测试设备，方便易行，为加速度计的非线性研究工作提供有益帮助，并且还可以应用于某些通过非线性特性筛选加速度计的场合。

本发明实施例中还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述任意一项方法的步骤。

计算机设备中的处理器执行程序时实现上述任意一项方法的步骤，从而实现了简单快速而准确地测评加速度计的非线性特性，且无需其他额外的测试设备，方便易行，为加速度计的非线性研究工作提供有益帮助，并且还可以应用于某些通过非线性特性筛选加速度计的场合。

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

1.一种加速度计非线性特性的测评方法，其特征在于，包括以下步骤：

记录加速度计处于正常工作时的第一预载电压；

调节所述第一预载电压为第二预载电压，记录所述加速度计在所述第二预载电压下的第二输出电压；根据所述第一预载电压、所述第二预载电压和所述第一标度因子，获取所述加速度计在所述第二预载电压下的第二标度因子；

2.根据权利要求1所述的加速度计非线性特性的测评方法，其特征在于，所述在重力场下根据翻转测试获取所述加速度计在所述第一预载电压下的第一标度因子的步骤包括：

当所述加速度计的输入加速度在所述翻转测试的工装中为预设正值时，记录所述加速度计的第一翻转电压；

当所述加速度的输入加速度在所述翻转测试的工装中变更为预设负值时，记录所述加速度计的第二翻转电压；

根据所述第一翻转电压和所述第二翻转电压获取所述第一标度因子。

3.根据权利要求2所述的加速度计非线性特性的测评方法，其特征在于，所述工装为六面体工装；所述预设正值为+1g，所述预设负值为-1g。

4.根据权利要求1-3任一所述的加速度计非线性特性的测评方法，其特征在于，所述根据所述第一预载电压、所述第二预载电压和所述第一标度因子，获取所述加速度计在所述第二预载电压下的第二标度因子的步骤包括：

获取所述第一预载电压与所述第一标度因子乘积值；

获取所述乘积值与所述第二预载电压的比值，将所述比值确定为所述第二标度因子。

5.一种加速度计非线性特性的测评装置，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的加速度计非线性特性的测评装置，其特征在于，所述第一标度因子获取模块还用于：

7.根据权利要求6所述的加速度计非线性特性的测评装置，其特征在于，所述工装为六面体工装；所述预设正值为+1g，所述预设负值为-1g。

8.根据权利要求5-7任一所述的加速度计非线性特性的测评装置，其特征在于，所述第二标度因子获取模块还用于：

获取所述第一预载电压与所述第一标度因子乘积值；

9.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行权利要求1-4中任意一项所述方法的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-4中任意一项所述方法的步骤。