CN110133325A - 一种加速度计的重力场动态校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种加速度计的重力场动态校准方法，属于加速度计的动态校准方法领域。本发明实现方法为：安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作面，且检测质量质心与旋转轴的中心重合。确定旋转轴的初始零位角。建立基于加速度计重力场动态校准装置的动态加速度模型。选定用于加速度计重力场动态校准的加速度幅值点。分别复现加速度幅值最大值和最小值，通过校准获得零频时的灵敏度。确定频率点，进行重力场动态校准，得到频率点的灵敏度比值、相位差。将所有频率点的灵敏度比值、相位差，分别拟合获得幅频特性曲线、相频特性曲线。根据所述拟合曲线在加速度计的动态测量中进行修正，从而提高动态加速度的测量精度。

Description

一种加速度计的重力场动态校准方法

技术领域

本发明涉及一种加速度计的重力场动态校准方法，属于加速度计的动态校准方法领域。

背景技术

加速度计是用来测量物体运动线加速度的一种传感器。加速度计的重力场动态校准，是在基于重力场产生的最大为1g(g为重力加速度，1g＝9.8m/s²)的加速度激励下，对(10^-4～9.8)m/s²的微小g值加速度计进行幅频特性、相频特性等的动态校准。微小g值加速度计主要应用于空间运载体的惯导系统、飞控系统、健康监测系统等，用于测量运载体的线加速度。

加速度计在装配到空间运载体等应用对象前，必需对加速度计进行动态校准以获得其幅频特性、相频特性等动态性能参数，并将校准获得的动态性能参数用于加速度计测量结果的修正，从而提高加速度的动态测量精度。

目前加速度计的动态校准主要方法有振动台法、双离心机法等，这些方法复现的加速度幅值为大于1g的大g值(一般为1g～70g)，适合于进行1g以上的动态校准。这些方法不适合于空间运载体所用的小g值加速度计的动态校准。本发明提出的基于加速度计重力场动态校准装置的动态校准方法，可用于解决空间运载体等所采用的小g值加速度计的动态校准问题。

发明内容

本发明公开的一种加速度计的重力场动态校准方法要解决的技术问题是：提高小g值加速度计的动态测量精度，所述方法能够在1g的重力场下，采用加速度计重力场动态校准装置，复现幅值为(10^-4～9.8)m/s²、频率为0.01～30Hz的动态加速度作为加速度计的输入，通过校准获得加速度计的幅频特性、相频特性。将本发明校准结果用于对加速度计动态测量结果的修正，能够提高加速度计的动态测量精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种加速度计的重力场动态校准方法为：安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作面，且检测质量质心与旋转轴的中心重合。确定旋转轴的初始零位角。建立基于加速度计重力场动态校准装置的动态加速度模型。选定用于加速度计重力场动态校准的加速度幅值点。分别复现加速度幅值最大值和最小值，通过校准获得零频时的灵敏度。确定频率点，进行重力场动态校准，得到频率点的灵敏度比值、相位差。将所有频率点的灵敏度比值、相位差，分别拟合获得幅频特性曲线、相频特性曲线。根据所述拟合曲线在加速度计的动态测量中进行修正，从而提高动态加速度的测量精度。

本发明公开的一种加速度计的重力场动态校准方法，包括如下步骤：

步骤一、安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作面，且检测质量质心与旋转轴的中心重合。

将待校准的加速度计安装在加速度计重力场动态校准装置旋转轴的工作面上，使得加速度计输入轴IA平行于工作面，并且待校准加速度计的检测质量质心与旋转轴的中心重合。

步骤二、确定旋转轴的初始零位角。

控制旋转轴旋转，使得加速度计输入轴IA方向与倾斜轴轴线方向平行，并定位在该角位置，则此时旋转轴处于初始零位角，设置旋转轴的角度数显表的显示值为0°。

步骤三、建立基于加速度计重力场动态校准装置的动态加速度模型。

采用加速度计重力场动态校准装置进行动态校准，复现出的动态加速度模型为：

式中：

a_i为复现的动态加速度，m/s²；

g为当地重力加速度；

α为地基倾斜角，rad；

为校准装置旋转轴与重力加速度之间的夹角，rad；

ω为校准装置旋转轴的角速率，rad/s；

t为时刻点，s；

Φ为动态加速度的初相位，rad。

步骤四、选定用于加速度计重力场动态校准的加速度幅值点。

控制加速度计重力场动态校准装置的倾斜轴倾斜角度所述为0～90°范围内某一角度值，则重力加速度在加速度计输入轴IA方向的分量为

式中：

A为加速度幅值，m/s²；

g为当地重力加速度，m/s²；

α为地基倾斜角，rad；

为旋转轴与重力加速度之间的夹角，rad。

控制加速度计重力场动态校准装置的倾斜轴倾斜角度通过公式(2)选定用于加速度计重力场动态校准的加速度幅值点。

步骤五、分别复现加速度幅值最大值和最小值，通过校准获得零频时的灵敏度。

从初始零位角处逆时针方向转动旋转轴至90°位置，并定位在该角位置，测量获得加速度计的输出E₁，所述加速度计的输出E₁即为加速度幅值最大值；逆时针方向旋转旋转轴至270°位置，并定位在该角位置，测量获得加速度计的输出E₂，所述加速度计的输出E₂即为加速度幅值最小值。则零频时的灵敏度为

步骤六、确定频率点，进行重力场动态校准，得到频率点的灵敏度比值、相位差。

在0.01～30Hz的频率范围内选择m个频率点。根据频率点对应的转速ω_i＝2πf_i，控制旋转轴以角频率ω_i逆时针方向匀速旋转，在每个频率点f_i对加速度计的输出信号进行n次数据采集，获得n组测试数据，并对每组数据进行正弦拟合：

式中：

y^* _ij为第i个频率点、第j次采样的加速度计输出拟合值，V；

E^* _ij为第i个频率点、第j次采样拟合得到的输出信号正弦分量峰值，V；

ω_i为频率点f_i对应的角频率，rad/s；

为第i个频率点、第j次采样拟合得到的相位，rad；

C^* _ij为第i个频率点、第j次采样拟合得到的直流分量，V。

在频率点f_i输出正弦峰值的平均值

在频率点f_i的灵敏度S_i：

式中：

S_i为加速度计在频率点f_i的灵敏度，V/(m/s²)；

为加速度计在频率点f_i输出信号正弦分量峰值的平均值，V；

A为加速度信号正弦分量峰值，m/s²。

在频率点f_i灵敏度的比值，即归一化灵敏度：

式中：

H_i为加速度计在频率点f_i的灵敏度与零频灵敏度的比值；

S_i为加速度计在频率点f_i的灵敏度，V/(m/s²)；

S₀为加速度计在零频时的灵敏度，V/(m/s²)。

在频率点f_i的相位差：

式中：

为第i个频率点f_i的相位差，°；

为第i个频率点f_i加速度计输出信号正弦分量相位的平均值，°；

为为正弦加速度的初始相位，°。

作为优选，步骤六中，在0.01～30Hz的频率范围内选择m个频率点：0.01Hz、0.05Hz、0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz。

作为优选，步骤六中n选为6次。

步骤七、将步骤六所得的所有频率点的灵敏度比值、相位差，分别拟合获得幅频特性曲线、相频特性曲线。根据所述拟合曲线在加速度计的动态测量中进行修正，从而提高动态加速度的测量精度。

有益效果

1、本发明公开的一种加速度计的重力场动态校准方法，选择多个加速度幅值点和频率点校准获得幅频特性曲线和相频特性曲线，根据所述拟合曲线在加速度计的动态测量中进行修正，提高动态加速度的测量精度。

2、本发明公开的一种加速度计的重力场动态校准方法，通过地基倾斜角α的补偿，提高动态加速度的幅值精度。

3、本发明公开的一种加速度计的重力场动态校准方法，首次提出采用加速度计重力场动态校准装置，由于所述加速度计重力场动态校准装置幅值范围为(10^-4～9.8)m/s²、频率范围为(0.01～30)Hz，因此，本发明能够在幅值范围为(10^-4～9.8)m/s²、频率范围为(0.01～30)Hz的加速度激励下进行加速度计的动态校准，从而获得加速度计的幅频特性、相频特性。对小g值加速度计进行动态校准，能够获得小g值加速度计的动态性能，即拓展本发明的校准幅值范围。

附图说明

图1是本发明公开的一种加速度计的重力场动态校准方法的流程图；

图2是本发明的重力场动态校准坐标系图；

图3是本发明的加速度计0°角位置图；

图4是本发明的加速度计90°角位置图；

图5是本发明的加速度计270°角位置图。

图6是本发明的加速度计幅值灵敏度-频率特性曲线

图7是本发明的加速度计相位差-频率特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

为了详细的介绍本发明的内容，下面对一些概念进行定义。

定义一：重力场：由本地重力产生的重力加速度场，其方向为垂直于本地水平面向下。

定义二：加速度计重力场动态校准装置：机械机构为带倾斜轴的双轴卧式转台，其外轴为倾斜轴，可实现0°～90°的角位置给定；内轴为旋转轴，可在(0.02π～60π)rad/s的角速率范围内，实现匀速角运动。

实施例1中采用的是石英挠性摆式加速度计，量程为25g，校准过程中其电源为±15V直流电源，其输出端接50Ω采样电阻，标度因数K₁的标称值为60mV/g。

本实施例公开的一种加速度计的重力场动态校准方法，流程图如图1所示，具体实现步骤如下：

步骤一、安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作面，且检测质量质心与旋转轴的中心重合。

将待校准的加速度计安装在加速度计重力场动态校准装置的旋转轴的工作面上，使得加速度计输入轴IA平行于工作面，并且待校准加速度计的检测质量质心与旋转轴的旋转中心重合。

具体操作是：

(1)加速度计重力场动态校准装置的旋转轴工作面设定为水平位置后，采用电子水平仪测量动态校准装置的旋转轴的工作面水平度，小于30″无需调整可用于安装加速度计。

(2)加速度计重力场动态校准坐标系图见图2，通过带有位移调整功能的安装夹具，将待校准的加速度计安装在旋转轴的工作面上，使得加速度计输入轴IA平行于工作面。

(3)连接加速度计供电及输出线缆，±15V电源上电给加速度计供电，用数字多用表测量加速度计的输出信号为V₀＝0.0106mV。

(4)倾斜轴保持稳定使得工作面处于水平位置，控制旋转轴旋转，并使其稳定在某一转速ω＝10πrad/s。若加速度计检测质量质心与旋转轴旋转中心不重合，存在的质心偏差记为R，则在加速度计检测质量质心处产生的加速度大小为ω²R，测量得到加速度计的输出为E＝0.4378mV，通过公式(9)，计算得质心偏差R为：

式中：

R—加速度计检测质量质心与旋转轴旋转中心之间的距离，m；

E—旋转轴旋转时加速度计的输出，V；

V₀—旋转轴静止时加速度计的输出，V；

ω—旋转轴角速率，rad/s。

将该加速度计的标度因数K₁＝60.163mV/g，本地重力加速度g＝9.8014m/s²，带入上式计算得到R＝0.07mm，R＜0.1mm，质心偏差满足要求，可认为加速度计检测质量质心与旋转轴旋转中心重合。

步骤二、确定旋转轴的初始零位角。

控制旋转轴旋转，使得加速度计输入轴IA平行于倾斜轴轴线位置，并定位在该角位置，如图3所示，加速度计输入轴IA与重力加速度方向垂直。当倾斜轴在0～90°范围内倾斜一定角度时，加速度计输入轴IA与重力加速度方向垂直，即重力加速度在加速度计输入轴上的分量为零，称为旋转轴初始零位角，并将旋转轴的角度数显表的显示值设置为0°。

步骤三、选定用于加速度计重力场动态校准的加速度幅值点。

控制加速度计重力场动态校准装置的倾斜轴倾斜一定角度，使得旋转轴与当地重力加速度之间夹角为则重力加速度在加速度计输入轴的分量A_I＝4.9007m/s²。

步骤四、分别复现加速度幅值最大值和最小值，通过校准获得零频时的灵敏度。

从初始零位角处逆时针方向旋转旋转轴至90.0000°位置，并定位在该角位置，采集获得加速度计的输出E₁＝-30.0815mV；逆时针方向旋转旋转轴至270.0000°位置，并定位在该角位置，采集获得加速度计的输出E₂＝30.0815,则零频时的灵敏度为S₀＝0.006138V/(m/s²)。

步骤五、确定频率点，进行重力场动态校准。

在0.01～30Hz的频率范围内或者其它频率范围内选择频率点：0.01Hz、0.05Hz、0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz。在每个频率点f_i，根据频率点对应的转速ω_i＝2πf_i，使旋转轴以角频率ω_i逆时针匀速旋转，进行n(n≥6)次测量，获得n组测试数据，并对每组数据进行正弦拟合。

在频率点f₁＝0.01Hz，输出正弦峰值的平均值计算得到灵敏度S₁＝0.006125V/(m/s²)，灵敏度的比值H₁＝0.9979。正弦加速度的初始相位为加速度计输出信号正弦分量相位的平均值相位差Δφ₁＝-0.0028rad。

步骤六、将步骤五所得的多个频率点的幅值灵敏度比值和相位差，分别拟合获得幅频特性曲线、相频特性曲线。

下面以幅值灵敏度-频率特性曲线为例进行说明。在设定的加速度幅值点，已通过动态校准校准，分别获得每个频率点对应的幅值灵敏度的校准结果。以这9个频率点作为输入量(横坐标)，以校准获得的9个幅值灵敏度作为纵坐标，通过拟合得到加速度计在0.01～30Hz频率范围内幅值灵敏度-频率的曲线。

采取与上述幅值灵敏度-频率曲线类似的拟合方法，能够获得相位差-频率拟合曲线。

根据这些拟合曲线，能够在加速度计的动态测量中进行修正，从而提高动态加速度的测量精度。

在加速度计实际应用的测量中，根据幅值灵敏度、相位差的拟合曲线，可获得设定的频率范围内加速度加速度计幅值灵敏度、相位差的拟合值，将拟合结果用于加速度计动态测量中的修正和补偿，从而提高加速度的动态测量精度。

加速度计幅值灵敏度-频率特性曲线见图6、加速度计相位差-频率特性曲线见图7。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种加速度计的重力场动态校准方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、安装加速度计，使加速度计输入轴平行于工作面，且检测质量质心与旋转轴的中心重合；

步骤二、确定旋转轴的初始零位角；

步骤三、建立基于加速度计重力场动态校准装置的动态加速度模型；

步骤四、选定用于加速度计重力场动态校准的加速度幅值点；

步骤五、分别复现加速度幅值最大值和最小值，通过校准获得零频时的灵敏度；

步骤六、确定频率点，进行重力场动态校准，得到频率点的灵敏度比值、相位差；

步骤七、将步骤六所得的所有频率点的灵敏度比值、相位差，分别拟合获得幅频特性曲线、相频特性曲线；根据所述拟合曲线在加速度计的动态测量中进行修正，从而提高动态加速度的测量精度。

2.如权利要求1所述的一种加速度计的重力场动态校准方法，其特征在于：步骤一实现方法为，

将待校准的加速度计安装在加速度计重力场动态校准装置旋转轴的工作面上，使得加速度计输入轴IA平行于工作面，并且待校准加速度计的检测质量质心与旋转轴的中心重合。

3.如权利要求1所述的一种加速度计的重力场动态校准方法，其特征在于：步骤二实现方法为，

控制旋转轴旋转，使得加速度计输入轴IA方向与倾斜轴轴线方向平行，并定位在该角位置，则此时旋转轴处于初始零位角，设置旋转轴的角度数显表的显示值为0°。

4.如权利要求1所述的一种加速度计的重力场动态校准方法，其特征在于：步骤三实现方法为，

采用加速度计重力场动态校准装置进行动态校准，复现出的动态加速度模型为：

式中：

a_i为复现的动态加速度，m/s²；

g为当地重力加速度；

α为地基倾斜角，rad；

为校准装置旋转轴与重力加速度之间的夹角，rad；

ω为校准装置旋转轴的角速率，rad/s；

t为时刻点，s；

Φ为动态加速度的初相位，rad。

5.如权利要求1所述的一种加速度计的重力场动态校准方法，其特征在于：步骤四实现方法为，

控制加速度计重力场动态校准装置的倾斜轴倾斜角度所述为0～90°范围内某一角度值，则重力加速度在加速度计输入轴IA方向的分量为

式中：

A为加速度幅值，m/s²；

g为当地重力加速度，m/s²；

α为地基倾斜角，rad；

为旋转轴与重力加速度之间的夹角，rad；

控制加速度计重力场动态校准装置的倾斜轴倾斜角度通过公式(2)选定用于加速度计重力场动态校准的加速度幅值点。

6.如权利要求1所述的一种加速度计的重力场动态校准方法，其特征在于：步骤五实现方法为，

从初始零位角处逆时针方向转动旋转轴至90°位置，并定位在该角位置，测量获得加速度计的输出E₁，所述加速度计的输出E₁即为加速度幅值最大值；逆时针方向旋转旋转轴至270°位置，并定位在该角位置，测量获得加速度计的输出E₂，所述加速度计的输出E₂即为加速度幅值最小值；则零频时的灵敏度为

7.如权利要求1所述的一种加速度计的重力场动态校准方法，其特征在于：步骤六实现方法为，

在0.01～30Hz的频率范围内选择m个频率点；根据频率点对应的转速ω_i＝2πf_i，控制旋转轴以角频率ω_i逆时针方向匀速旋转，在每个频率点f_i对加速度计的输出信号进行n次数据采集，获得n组测试数据，并对每组数据进行正弦拟合：

式中：

y^* _ij为第i个频率点、第j次采样的加速度计输出拟合值，V；

E^* _ij为第i个频率点、第j次采样拟合得到的输出信号正弦分量峰值，V；

ω_i为频率点f_i对应的角频率，rad/s；

为第i个频率点、第j次采样拟合得到的相位，rad；

C^* _ij为第i个频率点、第j次采样拟合得到的直流分量，V；

在频率点f_i输出正弦峰值的平均值

在频率点f_i的灵敏度S_i：

式中：

S_i为加速度计在频率点f_i的灵敏度，V/(m/s²)；

为加速度计在频率点f_i输出信号正弦分量峰值的平均值，V；

A为加速度信号正弦分量峰值，m/s²；

在频率点f_i灵敏度的比值，即归一化灵敏度：

式中：

H_i为加速度计在频率点f_i的灵敏度与零频灵敏度的比值；

S_i为加速度计在频率点f_i的灵敏度，V/(m/s²)；

S₀为加速度计在零频时的灵敏度，V/(m/s²)；

在频率点f_i的相位差：

式中：

为第i个频率点f_i的相位差，°；

为第i个频率点f_i加速度计输出信号正弦分量相位的平均值，°；

为为正弦加速度的初始相位，°。

8.如权利要求7所述的一种加速度计的重力场动态校准方法，其特征在于：步骤六中，在0.01～30Hz的频率范围内选择m个频率点：0.01Hz、0.05Hz、0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz。

9.如权利要求7所述的一种加速度计的重力场动态校准方法，其特征在于：步骤六中n选为6次。