CN111398633B - 一种高精度加速度传感器本底噪声的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种高精度加速度传感器本底噪声的测试装置及方法，该装置包括，包括隔振装置和减振系统，其中，所述隔振装置包括静音室和隔振台，所述隔振台包括气浮隔振台和多级弹性隔振台，所述静音室地面上安装有旋转底座，所述气浮隔振台设置于静音室的旋转底座上，所述多级弹性隔振台串联后设置于所述气浮隔振台的上方，被测试加速度传感器设置于所述处于所述多级弹性隔振台最上方的承载隔振台的台面上，所述减振系统包括，标准传感器组、信号检测调理单元、采集单元、控制单元和驱动器。测试方法基于该装置而实现，能够抑制落入被测加速度传感器本底噪声固有频带内无法采用滤波器滤除的干扰信号，使得测得的加速度传感器本底噪声更接近真值。

Description

一种高精度加速度传感器本底噪声的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及传感器检测技术领域，特别是涉及一种高精度加速度传感器本底噪声的测试装置及测试方法。

背景技术

加速度传感器是一种惯性传感器，用于测量外部输入的加速度。通常，在设计完成加速度传感器后，需要对传感器的本底噪声进行测试，以判断其本底噪声是否符合设计要求。但是，由于加速度传感器对外界环境噪声非常敏感，外部的振动、角运动、线运动等都会耦合成为输入的加速度，从而导致本底噪声的测试结果中参杂其他噪声，难以准确获得加速度传感器的本底噪声。尤其对于本底噪声极低的高精度加速度传感器，一般的噪声测试环境的本底噪声已经高于被测高精度加速度传感器的本底噪声，导致加速度传感器本底噪声的测试结果被完全淹没在环境噪声中。所以，环境的本底噪声低于被测加速度传感器的本底噪声是进行传感器噪声测试的基本要求。

传统降低环境本底噪声的方法一般是选择野外的山洞或建筑物的地下室进行噪声测试，这种方式存在的问题是实验效率低、成本高；或者是在城市楼宇建筑物中采用隔振平台，这种方式只能隔离垂直于地面方向的振动，而楼宇的振动是多自由度的噪声，除了垂直方向的振动，还有水平振动、扭摆振动等，所以这种方式所能降低的环境本底噪声有限，且不能隔离垂直方向以外的楼宇噪声，导致环境的本底噪声不能满足高精度加速度传感器噪声测试的要求。

此外，对于某些在被测传感器本底噪声频率范围内的干扰，无法采用滤波器滤除，从而影响被测传感器本底噪声测试的结果。

因此，如何建立适用于高精度加速度传感器的噪声测试环境，且测试结果不受在特定频率范围内干扰信号的影响，是需要解决的问题。

发明内容

为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种用于高精度加速度传感器本底噪声的测试装置：包括隔振装置和减振系统，其中所述隔振装置包括静音室和隔振台，所述隔振台包括气浮隔振台和多级弹性隔振台，所述静音室内具有容置空间，所述静音室地面上安装有旋转底座，所述旋转底座能够以确定的角速度匀速转动，所述气浮隔振台设置于静音室的旋转底座上，能够跟随旋转底座旋转，所述多级弹性隔振台串联后设置于所述气浮隔振台的上方，被测试加速度传感器设置于所述处于所述多级弹性隔振台最上方的承载隔振台的台面上，所述减振系统包括，标准传感器组、信号检测调理单元、采集单元、控制单元、驱动器和噪声处理单元。

作为优选，所述气浮隔振台包括气浮台面和至少一个一级支腿，所述一级支腿设置于所述静音室的地板和所述气浮台面之间。

作为优选，所述多级弹性隔振台包括多个支撑台和弹性支腿，所述弹性支腿设置于所述支撑台之间，其中，最底层的弹性隔振台的弹性支腿处于气浮隔振台和最底层的支撑台之间。

作为优选，设置有充气泵为气浮隔振台充气。

作为优选，所述静音室的主体结构为防震框架型，尺寸参数为：宽度为1-2 米，深度为2-4米，高度为1-3米。

作为优选，所述隔振台包括一个气浮隔振台和两个弹性隔振台。

作为优选，所述标准传感器组包括测量所述隔振台加速度变化的传感器、用于测量所述隔振台的角速度变化的传感器和位移传感器。

作为优选，所述驱动器可根据标准传感器组检测到的数据，调整所述隔振台进行反向运动，从而进一步衰减隔振台的振动。

本发明的一个实施例还提供了一种加速度本底噪声测试装置的测试方法，包括以下步骤：第一步，安装待测加速度计；第二步，根据待测加速度计的质量调整隔振台参数；第三步，启动减振系统；第四步，启动旋转底座，带动隔振台旋转；第五步，将待测加速度传感器的敏感轴平行于Z轴，依次测试+1g和-1g 方向的本底噪声；第六步，将待测加速度传感器的敏感轴平行于X轴或Y轴，测试0g方向的本底噪声；第七步，通过计算互相关信号，得到抑制外界干扰的被测加速度传感器的输出。

作为优选，所述旋转底盘转动的频率为1-10Hz。

本发明能够在环境不佳的情况下，降低环境噪声对加速度传感器本底噪声测试过程的影响，使得测得的加速度传感器本底噪声更加接近真值。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。

在附图中：

图1为基于本发明的一个实施例所述的静音室结构；

图2为基于本发明的一个实施例所述的用于加速度传感器本底噪声测试的装置；

图3为基于本发明的一个实施例所述的三级隔振台力学模型示意图；

图4为基于本发明的一个实施例所述的用于加速度传感器本底噪声测试的减振系统框图；

图5为基于本发明的一个实施例所述的标准传感器组的安装方式示意图；

图6为基于本发明的一个实施例所述的信号检测调理单元框图；

图7为基于本发明的一个实施例所述的控制单元的结构框图；

图8为基于本发明的一个实施例所述的测试高精度加速度传感器的结果；

图9为基于本发明的一个实施例所述的测试更高精度的加速度传感器的结果。

具体实施方式

本发明为解决现有技术存在的问题，提供一种高精度加速度传感器本底噪声的测试装置及测试方法，其能够在环境不佳的情况下，降低环境噪声对加速度传感器本底噪声测试过程的影响，使得测得的加速度传感器本底噪声更加接近真值，从而更加适于实用。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的加速度传感器本底噪声的测试装置及测试方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。

本发明的一个实施例提供的加速度传感器本底噪声的测试装置包括隔振装置和减振系统。

其中，所述隔振装置包括静音室和隔振台，所述隔振台包括气浮隔振台和多级弹性隔振台。所述静音室内具有容置空间。

在本发明的一个实施例中，所述静音室地面上安装有旋转底座，所述旋转底座能够以确定的角速度匀速转动。所述气浮隔振台设置于静音室的旋转底座上，能够跟随旋转底座旋转，多级弹性隔振台串联后设置于气浮隔振台的上方。进一步的，设置有充气泵为气浮隔振台充气，被测试加速度传感器设置于处于多级弹性隔振台最上方的承载隔振台的台面上。

进一步的，由于每次测试环境和待测传感器会有不同，因此本发明设置有充气泵为气浮隔振台充气，所述充气泵设置有气压表，通过所述设置有气压表的充气泵可设置气浮隔振台的气压，根据不同的测试环境，可通过调节气压大小来对振动的传递函数参数进行调节。

其中，气浮隔振台包括气浮台面和至少一个一级支腿。一级支腿设置于静音室的地板和气浮台面之间。其中，多级弹性隔振台包括多个支撑台和弹性支腿，弹性支腿设置于支撑台之间，其中，最底层的弹性隔振台的弹性支腿处于气浮隔振台和最底层的支撑台之间。

其中，所述加速度传感器本底噪声的测试装置还包括水平仪。水平仪用于调平多级弹性隔振台的台面。

所述静音室建在实验场地内，在本发明的一种实施例中，所述静音室的尺寸参数为：宽度为1-2米，深度为2-4米，高度为1-3米，主体结构为防震框架型。采用上述参数在预留放置隔振台和人员操作的空间的基础上，尽可能的缩小了主体结构的体积，这样不仅能降低测试成本，而且也利于噪声的屏蔽。

进一步的，所述静音室还设置有隔音门用于操作人员进出。所述静音室采用四面(包括隔音门)及顶面吸声、底层隔声的方式使静音室内达到低噪声环境。静音室外侧板采用玻璃钢板做面板，内侧采用多孔铝板，内外层板之间填充吸音棉或其他隔音材料，厚度为3-12mm，板面喷涂阻尼涂料。

所述静音室底部不直接与实验场地的地板接触，而是与实验场地的地面有一定空隙，即静音室底部与实验场地地面之间是中空的，在其他实施例中也可以填充一些丁基橡胶、聚氨酯泡沫等阻尼材料。

进一步的，本发明在静音室底部还设计了蜂窝式的隔振结构，所述蜂窝式的隔振结构采用梯形镀铝锌钢板相互对粘，且钢板表面冲压多个凹槽以增加支撑强度，使得静音室地板与实验场地的地板接触面小，强度高，局部形变小。静音室设计如图1所示。

在本发明的一种实施例中，在静音室的地板上，放置一个气浮隔振台和两个弹簧隔振台，组成三级隔振的装置，被测的加速度传感器固定在第三层隔振台台面上，如图2所示

优选的，所述气浮隔振台可根据现场环境设置阻尼，在水平和垂直方向都有很好的隔振效果，承载能力大，稳定性好，能够自动调平，不易老化，但需要连接充气泵，结构较为复杂，所以将它用于第一级隔振台。

所述弹簧隔振台结构简单，体积小，台面灵活便于控制，所以将它用于第二级和第三级隔振台。噪声测试开始前，先打开充气泵给第一级气浮隔振台充气，支撑起第二级和第三级弹簧隔振台，再用水平仪将第二级和第三级的弹簧隔振台调平，实现被动隔振滤波。

在其他实施例中，还可以采用一个气浮隔振台加三个弹簧隔振台的组合方式，或者是两个气浮隔振台加三个弹簧隔振台的组合方式。下述以三层隔振台结构为例进行解释。

三层隔振台力学模型可简化为一个质量-弹簧-阻尼系统，如图3所示。由于传感器质量相比振动台轻，可以忽略不计。m1、m2、m3分别为第一级、第二级、第三级隔振台的质量，k1、k2、k3分别为三个隔振台的弹簧刚度系数，c1、 c2、c3分别为隔振台的阻尼系数，x1、x2、x3分别为三个隔振台相对地面的位移，利用动力学定律写出该系统的矩阵形式运动微分方程为：

其中，

质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵分别为：

上述隔振装置，能够满足高精度加速度传感器所要求的本底噪声测试环境，极大的拓展了测试装置的应用场景，可以在城市楼宇环境中搭建此种装置，从而降低测试成本。

为了进一步降低测试装置的本底噪声，测试更高精度加速度传感器的本底噪声，并提高低频段的噪声抑制能力。本发明在所述隔振装置的基础上，进一步通过主动控制的方式设计了具有陷波频率特性的减振系统，所述减振系统能够进一步降低测试环境的噪声。

所述加速度传感器本底噪声的测试装置还包括一种用于高精度加速度传感器本底噪声测试的减振系统，所述减振系统包括：

标准传感器组，包括测量所述隔振台加速度变化的传感器、用于测量所述隔振台的角速度变化的传感器和位移传感器，所述标准传感器组均安装在第三级隔振台的台面上。

信号检测调理单元，用于将标准传感器组的加速度、角速度信号和位移信号进行信号调理，并对传感器进行伺服控制；

采集单元，用于采集加速度变化数据、角速度变化数据和位移变化数据，以及被测加速度传感器的数据；

控制单元，用于根据所述采集单元采集到的加速度变化数据、角速度变化数据和位移变化数据控制驱动器的动作；所述控制单元结构采用加速度环、速度环和位置环三环闭环的反馈控制，并在加速度回路中加入前馈控制器，形成前馈控制与反馈控制相结合的复合控制方法，减小系统稳态误差，从而进一步提高隔振台对低频扰动的主动抑制能力。

驱动器，用于根据标准传感器组检测到的数据，调整所述隔振台进行反向运动，从而进一步衰减隔振台的振动。所述驱动器安装在特定的支架上，其位置在所述承载隔振台的台面下方和所述承载隔振台的台面侧边沿。

在一种实施例中，可以通过调整隔振台的运动使得所述隔振台在固有频率处的共振峰减小。

噪声处理单元，对噪声进行数据处理并得到所述被测试加速度传感器的本底噪声。

所述减振系统可根据标准传感器组采用的传感器数量和组合方式不同，实现不同自由度噪声的减振。

在本发明的一个实施例中，所述标准传感器组包括测量所述隔振台加速度变化的传感器、测量所述隔振台的角速度变化的传感器和位移传感器。传感器均安装在第三级隔振台的台面上，由于作用在第三级隔振台的振动非常微小，所以选择体积小、重量轻、低噪声、高精度、高带宽的传感器。设台面的坐标系如图 5所示，Z轴为垂直台面向上的方向，X轴为平行台面向前的方向，Y轴为平行台面向右的方向。

作为一种实施例，测量所述隔振台加速度变化的传感器采用高精度加速度传感器，用于敏感围绕隔振台X轴方向的振动角加速度，但由于加速度传感器测量的是线加速度，所以测量一个轴时需安装2个加速度传感器，将线加速度转换为角加速度。本实施例在工作时第三级隔振台台面的角加速度≤10°/s²，台面直径不超过1m，所以选用量程为±0.02g，噪声功率谱密度为0.01ug/√Hz，带宽为500Hz的加速度计。测量所述隔振台角速度变化的传感器采用高精度的固态陀螺仪，其敏感轴与X轴重合。本实施例选用量程为20°/s，带宽为200Hz，零偏稳定性为0.05°/h，角度随机游走为0.003°/√hr的陀螺仪。本实施例的位移传感器量程为200mm，精度为0.001mm。

作为一种实施例，甚宽频带的摆式地震计也可以作为位置环的标准测量单元。因其在低频输出稳定性好，可以很好的补偿隔振台速度环的低频漂移，扩展系统在低频的响应。但由于甚宽频带的摆式地震计是速度输出，所以需要搭配积分器使用。量程为0.01m/s，带宽为50Hz～120s。

作为一种实施例，不限于只采用2个加速度传感器、1个固态陀螺仪和1个位移传感器组成双自由度的减振系统。也可以采用4个加速度传感器、2个固态陀螺仪和2个位移传感器组成四自由度的减振系统；也可以采用6个加速度传感器、3个固态陀螺仪和3个位移传感器组成六自由度的减振系统。标准传感器的个数与不同的组合决定了测试的自由度。

标准传感器组的安装方式如图5所示，以敏感围绕X轴方向的振动为例。所述测量隔振台加速度变化的传感器安装在第三级隔振台台面下方，平行于Y 轴且相距台面中心等距离的位置。由于固态陀螺仪敏感单元是金属材质，如果将敏感单元和伺服电路都安装在隔振台上，会带来很大的转动惯量，所以在安装时将陀螺仪的敏感单元与电路分开，只将陀螺仪敏感单元安装在第三级隔振台台面下方边沿的位置，其敏感轴与X轴重合，陀螺仪电路安装在地板或其他位置。位移传感器安装在第三级隔振台台面下方边沿位置。对于双自由度和三自由度的减振系统，标准传感器组的安装方式与上述类似，只是敏感轴不同。

信号检测调理单元，用于将标准传感器组的加速度、角速度信号和位移信号进行信号调理，并对传感器进行伺服控制。

所述信号检测调理单元针对不同的传感器采用不同的电路结构，可以用模拟器件和数字处理器组成模数混合电路，数字部分可采用专用集成电路(ASIC) 或现场可编程门阵列(FPGA)实现。

在本发明的一种实施例中，加速度计的闭环检测调理电路由模拟前置放大电路、开关电路、模数转换电路、PID电路、时序控制电路和降采样滤波器组成，除了前置放大电路和开关电路采用模拟器件，其他电路均为数字电路，在FPGA 中实现。陀螺仪的闭环检测调理电路由幅度控制电路、数控振荡电路、正交耦合电路和角速度输出电路组成，这些电路均在FPGA中实现。信号检测调理单元框图如图6所示。

采集单元，该部分分为两个模块，模块一用于采集所述信号检测调理单元获取到的加速度变化数据、角速度变化数据和位移变化数据，该模块可以采用 FPGA作为采集信号的处理器，在其内部将信号调理电路输出的加速度变化数据、角速度变化数据和位移变化数据作传感器数据融合后，输出信号到控制单元。模块二用于采集被测加速度传感器的输出数据，对于被测加速度传感器是模拟输出的情况，可以采用18位或24位的模数转换器(ADC)先进行模拟-数字信号的转换，然后输出到噪声处理单元；对于被测加速度传感器是数字输出的情况，则可以直接输出到噪声处理单元。

控制单元，用于根据第三级隔振台所受干扰的加速度变化数据、角速度变化数据和位移变化数据，控制驱动器的动作。

在本发明的一种实施例中，控制单元通过加速度闭环、速度闭环和位置闭环组成三闭环的反馈控制系统，通过加速度闭环反馈先对干扰进行抑制，并为速度闭环提供稳定的输入，然后通过速度闭环反馈抑制加速度传感器积分造成的角速度漂移等低频噪声，通过位置闭环反馈抑制陀螺仪积分后存在的角位置漂移等低频噪声，最终输出经过修正与噪声抑制的角位置信息，让驱动器以此为准执行动作。三闭环的反馈控制结构如图7所示，C_a(s)、C_g(s)和C_d(s)分别为加速度闭环控制器、速度闭环控制器和位置闭环控制器，G_a(s)为加速度开环传递函数， v(s)、θ(s)分别为第三级隔振台台面的角速度和角位置，θ_i(s)和A_i(s)分别为扰动角位置和扰动加速度，θ₀(s)为隔振台的稳定位置，一般为零。第三级隔振台对扰动的抑制传递函数如下：

本发明所述的三闭环反馈控制系统对扰动的抑制由加速度环、速度环和位置环的抑制能力共同决定，从而提高了隔振台对扰动的抑制能力；该结构与标准传感器组中的高精度加速度传感器和高精度固态陀螺仪相结合，提高了隔振台的稳定精度。

为了进一步提高隔振台对中低频扰动的抑制能力，在本发明的一个实施例中还设置了前馈控制单元，使其与反馈控制结合形成复合控制，对经过被动隔振与闭环反馈抑制之后剩余的扰动残差进行补偿，从而使角度的输出为零。在本发明的一种实施例中，在上述三闭环反馈控制结构中增加基于速度扰动的前馈控制，在静音室的旋转底座上放置1个固态陀螺仪，用于测量隔振台底座的扰动速度，为前馈控制提供扰动信息。如图7所示，V_i(s)表示静音室地板上的扰动速度，V_i1(s)表示经过三级隔振台抑制后的扰动速度，G_n(s)表示经过三级隔振台的噪声抑制能力，G_{a_p}(s)表示加速度环的抑制能力，H_fv(s)表示前馈控制环路固态陀螺仪的特性，C_fv(s)表示前馈控制器，加入前馈控制器后的控制系统输出如下：

式中G_{a_closed}(s)为加速度环的闭环传递函数。从式中可以得出，G_n G_{a_p}为静音室旋转底座受到的扰动经过三级隔振台和减振系统反馈后的扰动残差，H_fv C_fvG_{a_closed}/s是速度前馈对扰动的抑制，前馈控制的作用就是通过前馈控制补偿隔振台的扰动残差，即使得G_nG_{a_p}+H_fv C_fvG_{a_closed}/s＝0，从而推导出前馈控制器的表达式为：

驱动器，用于根据标准传感器组检测到的数据，调整所述隔振台进行反向运动，从而衰减隔振台的振动。

在本发明的一个实施例中，音圈电机可以作为减振系统的驱动器，其精度高，反应灵敏，适合用于短行程、快响应和高精度的闭环伺服控制。以噪声振动方向围绕X轴为例，需要在台面的上方或下方安装一个音圈电机，安装位置靠近台面边缘。优选的，所述音圈电机的最大行程为200mm，精度为1um。

作为一种实施例，在低频范围需要稳定的驱动力时，激振器可以作为减振系统的驱动器。激振器可以安装在与地面连接的稳固的支架上，通过推拉杆给台面施加推力或者拉力。优选的，所述激振器的最大位移为100mm，频率范围为 DC～1kHz。

噪声处理单元，对噪声进行数据处理并得到所述被测试加速度传感器的本底噪声。

作为一种实施例，噪声处理单元可以设置采集数据的组数、频率、标度因数、所关注的频率范围等参数，将采集的多组被测试加速度传感器的输出数据进行噪声处理，最终计算出被测试加速度传感器的本底噪声并绘制噪声功率谱密度曲线。

在本发明的一种实施例中，计算噪声功率谱密度之前，对数据添加窗函数，防止频谱泄漏。考虑到加窗后会降低窄带信号分辩率，本实施例采用7阶 Blackman-Harris窗函数，因其旁瓣幅度非常小，加窗后对窄带信号分辨率的影响较小。

EMC单元，用于防止系统对外产生辐射干扰，也可以避免系统受到外界的干扰，从而保证系统运行的正确性与稳定性。

作为一种实施例，在标准传感器组中，加速度传感器的敏感单元与电路屏蔽在一个外壳内，陀螺仪的电路与敏感单元分离，独立屏蔽在一个外壳内，信号调理单元、采集单元和控制单元屏蔽在一个外壳内，简称为系统电路。

具体的，所述EMC单元包括：

1)外壳屏蔽

传感器敏感单元、传感器电路、系统电路均采用铝合金外壳，使得共模干扰有反射、吸收、抵消的介质和通路。

2)接地

传感器电路的工作地与传感器敏感单元的铝合金壳体在靠近连接器处互连，使得干扰电流在流经电路之前进入壳体，使得传感器电路及其敏感单元不受共模电流的干扰。

系统电路的表面，沿电路板板边布放一圈不连续的裸露铜作为地线，与金属壳体表面通过金属螺钉锁紧，实现紧密的电接触。

3)线缆

本系统连线较复杂，在传感器与电源、系统电路之间有外部线缆，在系统电路内部的几块电路板之间也有连线。

对于外部线缆，主要考虑线缆布放的位置。为了降低辐射，要尽量减少电路环路面积；闭合回路的形状应尽量狭长，以减小差模电流的辐射干扰；敏感信号的线缆尽量短，且远离干扰信号源，比如信号线不与电源线捆绑在一起。

外壳内电路板之间用排针或排线互连，要确保电缆在较大辐射水平的极化方向上长度最小，以减少信号线耦合的电磁能量。另外，为了避免ESD干扰，在信号调理电路、采集电路和控制电路板之间增加了导电泡棉，设计了ESD干扰的低阻抗泄放通路。

4)电路板设计

本系统包含模拟电路与数字电路，在PCB设计中要考虑混合电路的布局和布线设计，避免信号干扰。

元器件的布局要划分模拟区域与数字区域，模拟器件都布放在模拟区域，数字器件都布放在数字区域，两个区域的器件不能混合布放。

模拟区域和数字区域各自有对应的参考地平面，模拟和数字的参考地平面分别是独立、完整的平面，位于模拟区域和数字区域的下方。

模拟区域和数字区域各自有对应的模拟电源和数字电源。

采用屏蔽地线隔离模拟区域和数字区域，且屏蔽地线通过多个过孔与地平面互连。

如图8所示，为只使用隔振装置的测试结果，可以看出受测试系统本底噪声的限制，被测加速度计的噪声基底较高，但能够满足高精度加速度传感器噪声测试的需求；图9为使用隔振装置和主动减振系统的测试结果，可以看出主动减振系统的使用可以降低系统的噪声基底，能够满足更高精度加速度传感器的测试需求。

在实际测试中，有时外界的干扰信号会落入被测加速度传感器本底噪声的固有频带内，使得本底噪声的测试结果受到影响，而这些干扰无法采用滤波器滤除。

在本发明的一个实施例中，需要对被测加速度传感器进行不同方向的噪声测试，当加速度传感器的敏感方向与X轴或Y轴平行时，启动静音室的旋转底盘，让其以一定的低频频率旋转，此时对被测加速度传感器和参考陀螺仪进行采样，在本发明的一个实施例中，所述低频频率为1-10Hz。因为二者的输出信号为相关信号，而干扰信号与输出信号不相关，二者的干扰信号也互不相关，从而抑制外界的干扰信号。

具体的，测试加速度传感器本底噪声时，先分别测试+1g、-1g和0g方向的本底噪声。测试+1g和-1g方向的本底噪声时，加速度传感器的敏感方向平行于 Z轴；测试0g方向的本底噪声时，加速度传感器的敏感方向平行于X轴或Y 轴。

测试时让测试装置的底盘旋转，旋转频率为ω，对被测加速度传感器输出的采样间隔为T_s。如果是测试0g方向的本底噪声，此时被测加速度传感器的输出为：

其中，

为信号的初始相位，g₀(k)为不含干扰噪声的重力加速度信号，n₀(k) 为外界干扰。

底盘上的陀螺仪敏感轴与Z轴平行，用陀螺仪的输出作为参考信号，并对幅度进行归一化，此时陀螺仪的输出为：

d_r(k)＝cos(ω×k×T_s)+n_r(k)＝r₀(k)+n_r(k)

其中，r₀(k)为不含干扰噪声的角速度信号，n_r(k)为陀螺仪受到的外界干扰。

由于加速度传感器与陀螺仪的参考信号相关，所以被测加速度传感器与陀螺仪的相关信号为：

其中，加速度信号与干扰噪声不相关，所以

和

为0，被测加速度传感器受到的外界干扰与陀螺仪受到的外界干扰相关性很弱，所以

为0。

因此，

这样，便可以得到抑制外界干扰的被测加速度传感器的输出：

采用这个输出信号计算功率谱密度，可以得到在固有频率段内无干扰信号的加速度传感器本底噪声。

如果是测试+1g和-1g方向的本底噪声，由于加速度传感器的输出不受旋转的影响，其输出为直流缓变信号，所受到的外界干扰可以采用低通滤波器或滑动平均滤波器滤除。

对不同被测加速度传感器进行不同方向的噪声测试时，当加速度传感器的敏感方向与X轴或Y轴平行时，启动静音室的旋转底盘，让其以一定的低频频率旋转，此时对被测加速度传感器和参考陀螺仪进行采样。因为二者的输出信号为相关信号，而干扰信号与输出信号不相关，二者的干扰信号也互不相关，从而能够抑制外界的干扰信号。

本发明通过采用被动滤波的方式降低环境噪声干扰，满足高精度传感器的本底噪声测试需求；并采用被动滤波与减振控制技术相结合的方式，以及相应的电路设计、控制方法设计、电磁兼容(EMC)设计等，满足更高精度加速度传感器的本底噪声测试环境要求；基于相关检测的方法，将被测传感器本底噪声频率范围内的干扰信号进行抑制，最终得到干净的被测传感器本底噪声结果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种高精度加速度传感器本底噪声的测试装置，其特征在于，包括隔振装置和减振系统，

其中，所述隔振装置包括静音室和隔振台，

所述隔振台包括气浮隔振台和多级弹性隔振台，

所述静音室内具有容置空间，

所述静音室还设置有隔音门，

所述气浮隔振台包括气浮台面和至少一个一级支腿，所述一级支腿设置于所述静音室的地板和所述气浮台面之间，

所述多级弹性隔振台包括多个支撑台和弹性支腿，所述弹性支腿设置于所述支撑台之间，其中，最底层的弹性隔振台的弹性支腿处于气浮隔振台和最底层的支撑台之间，

所述静音室底部与实验场地的地板之间有一定的空隙，

所述静音室底部安装了蜂窝式的隔振结构，所述蜂窝式的隔振结构采用梯形镀铝锌钢板相互对粘，且钢板表面冲压多个凹槽，

所述静音室地面上安装有旋转底座，所述旋转底座能够以确定的角速度匀速转动，在所述静音室的旋转底座上放置有一个固态陀螺仪，

所述气浮隔振台设置于静音室的旋转底座上，能够跟随旋转底座旋转，

所述多级弹性隔振台串联后设置于所述气浮隔振台的上方，

被测试加速度传感器设置于处于所述多级弹性隔振台最上方的承载隔振台的台面上，

所述减振系统包括，标准传感器组、信号检测调理单元、采集单元、控制单元、驱动器和噪声处理单元，

所述标准传感器组，包括测量所述隔振台加速度变化的传感器、用于测量所述隔振台的角速度变化的传感器和位移传感器，

所述控制单元包括前馈控制单元和三闭环的反馈控制系统，

所述三闭环的反馈控制系统包括：加速度闭环、速度闭环和位置闭环，承载隔振台对扰动的抑制传递函数如下：

其中，C_a(s)、C_g(s)和C_d(s)分别为加速度闭环控制器、速度闭环控制器和位置闭环控制器，G_a(s)为加速度开环传递函数，θ(s)为承载隔振台台面的角位置，θ_i(s)为扰动角位置，

所述前馈控制单元为所述三闭环的反馈控制系统中基于速度扰动的控制单元，与所述三闭环的反馈控制系统形成复合控制，对所述三闭环的控制系统抑制后剩余的扰动残差进行补偿，

加入前馈控制单元后的控制单元输出如下：

其中，V_i(s)表示静音室地板上的扰动速度，G_n(s)表示经过三级隔振台的噪声抑制能力，G_{a_p}(s)表示加速度环的抑制能力，H_fv(s)表示前馈控制环路固态陀螺仪的特性，C_fv(s)表示前馈控制器，G_{a_closed}(s)为加速度环的闭环传递函数，前馈控制单元的表达式为：

2.根据权利要求1所述的加速度传感器本底噪声的测试装置，其特征在于，设置有充气泵为气浮隔振台充气。

3.根据权利要求1所述的加速度传感器本底噪声的测试装置，其特征在于，所述静音室的主体结构为防震框架型，尺寸参数为：宽度为1-2米，深度为2-4米，高度为1-3米。

4.根据权利要求1所述的加速度传感器本底噪声的测试装置，其特征在于所述驱动器可根据标准传感器组检测到的数据，调整所述隔振台进行反向运动，从而进一步衰减隔振台的振动。

5.一种基于权利要求1所述高精度加速度传感器本底噪声的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，安装被测试加速度传感器；

第二步，根据被测试加速度传感器的质量调整隔振台参数；

第三步，启动减振系统；

第四步，启动旋转底座，带动隔振台旋转；

第五步，将被测试加速度传感器的敏感轴平行于Z轴，依次测试+1g和-1g方向的本底噪声；

第六步，将被测试加速度传感器的敏感轴平行于X轴或Y轴，测试0g方向的本底噪声；

第七步，通过计算互相关信号，得到抑制外界干扰的被测试加速度传感器的输出。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述旋转底座转动的频率为1-10Hz。

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