CN112379128B

CN112379128B - 基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法

Info

Publication number: CN112379128B
Application number: CN202011420804.9A
Authority: CN
Inventors: 曹慧亮; 刘丽; 刘俊; 石云波; 申冲; 崔让
Original assignee: Shijiazhuang Campus Of Pla Army Infantry College; North University of China
Current assignee: Shijiazhuang Campus Of Pla Army Infantry College; North University of China
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2040-12-08
Also published as: CN112379128A

Abstract

本发明涉及谐振式微机械加速度计的标定补偿方法，具体是一种基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法。本发明解决了现有谐振式微机械加速度计标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限、容易导致系统的测量和控制精度降低的问题。基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）将谐振式微机械加速度计的工作模态设定为谐振模态；2）产生虚拟惯性力；3）对谐振式微机械加速度计进行自标定；4）对谐振式微机械加速度计进行自补偿。本发明适用于谐振式微机械加速度计的标定补偿。

Description

基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法

技术领域

本发明涉及谐振式微机械加速度计的标定补偿方法，具体是一种基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法。

背景技术

谐振式微机械加速度计是一种基于频率输出形式的敏感载体输入加速度信息的传感器，其具有体积小、精度高、功耗低、重量轻、成本低、易于集成化和批量生产等优点，并广泛应用于诸多领域（比如惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等）。如图1~图3所示，谐振式微机械加速度计包括谐振式微机械加速度计结构、谐振式微机械加速度计测控电路。所述谐振式微机械加速度计结构包括谐振式微机械加速度计敏感质量、位移信息提取结构、虚拟惯性力施力结构、静电驱动机构、静电刚度产生结构。所述谐振式微机械加速度计测控电路包括谐振式微机械加速度计控制回路、谐振式微机械加速度计自补偿回路。所述谐振式微机械加速度计控制回路包括电容-电压转换接口、前级电压放大器、次级电压放大器、1/4周期迟滞器、幅值提取装置、质量块位移工作点设置模块、比较器、质量块位移控制器、乘法器、直流信号叠加装置、频率-电压转换器。所述谐振式微机械加速度计自补偿回路包括高精度自标定信号产生模块、自补偿基准模块、自补偿信息解算和控制模块、灵敏度补偿模块。

谐振式微机械加速度计在经历长时间存储、温度影响、冲击振动等环境变化时，其参数（例如灵敏度、零位值等）会发生较大变化，但谐振式微机械加速度计的参数通常已经装填在相关的系统（例如惯性导航系统、姿态测量系统等）中，因此为了保证系统的测量和控制精度，需要时刻对谐振式微机械加速度计的参数进行标定。目前，谐振式微机械加速度计的标定通常采用分度头、翻转台、离心机、冲击台等加速度计标定设备进行。实践表明，上述标定方法存在如下问题：其一，在标定过程中，需要反复进行谐振式微机械加速度计与加速度计标定设备之间的安装和拆卸，由此导致标定过程繁琐。其二，加速度计标定设备在运行中产生的误差和干扰会对标定结果造成直接和间接的影响，由此导致标定结果精度低。其三，在实际应用条件下（例如野外环境、太空环境、远洋轮船、水下环境），往往很难提供加速度计标定设备，由此导致标定无法开展，从而导致应用范围受限。其四（也是最重要的一点），在完成标定后，如果谐振式微机械加速度计的参数标定结果与之前装填在系统中的参数不同，则需要将参数标定结果重新装填在系统中，这在大部分情况下是很难或无法实现的，由此容易导致系统的测量和控制精度降低。基于此，有必要发明一种基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法，以解决现有谐振式微机械加速度计标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限、容易导致系统的测量和控制精度降低的问题。

发明内容

本发明为了解决现有谐振式微机械加速度计标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限、容易导致系统的测量和控制精度降低的问题，提供了一种基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法。

本发明是采用如下技术方案实现：

基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法，该方法是采用如下步骤实现的：

1）将谐振式微机械加速度计的工作模态设定为谐振模态；具体设定步骤如下：

1.1）将外界输入加速度施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此使得谐振式微机械加速度计敏感质量产生位移信息；

1.2）将位移信息送入位移信息提取结构，位移信息提取结构将位移信息转换为电容信号；

1.3）将电容信号送入电容-电压转换接口，电容-电压转换接口将电容信号转换为电压信号；

1.4）将电压信号送入前级电压放大器，前级电压放大器对电压信号进行初步放大；

1.5）将初步放大后的电压信号送入次级电压放大器，次级电压放大器对电压信号进行进一步放大；

1.6）将进一步放大后的电压信号分别送入1/4周期迟滞器、幅值提取装置、频率-电压转换器；1/4周期迟滞器对电压信号进行移相，由此得到交流基准信号；幅值提取装置对电压信号进行幅值提取，由此得到幅值信号；频率-电压转换器将电压信号转换为谐振频率信息；

1.7）质量块位移工作点设置模块产生质量块运动幅值控制基准；将质量块运动幅值控制基准、幅值信号均送入比较器，质量块运动幅值控制基准、幅值信号在比较器中进行比较；将比较结果送入质量块位移控制器，质量块位移控制器根据比较结果产生质量块位移控制信号；将质量块位移控制信号、交流基准信号均送入乘法器，质量块位移控制信号、交流基准信号在乘法器中叠加形成交流控制信号；将交流控制信号送入直流信号叠加装置，交流控制信号、直流信号叠加装置中的直流基准信号叠加形成驱动信号；

1.8）将驱动信号送入静电驱动机构，静电驱动机构根据驱动信号产生静电力；

1.9）将静电力施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此使得谐振式微机械加速度计工作在谐振模态下；

2）产生虚拟惯性力；具体产生步骤如下：

2.1）高精度自标定信号产生模块产生幅值可调的自标定信号；

2.2）将自标定信号送入虚拟惯性力施力结构，虚拟惯性力施力结构根据自标定信号产生虚拟惯性力，虚拟惯性力的方向与谐振式微机械加速度计的敏感方向一致；

3）对谐振式微机械加速度计进行自标定；具体自标定步骤如下：

3.1）在外界输入加速度、静电力均保持不变的情况下，通过逐次调节自标定信号的幅值，将虚拟惯性力的等效加速度逐次设定为1g、0g、-1g、0g、2g、0g、-2g；

3.2）将虚拟惯性力逐次施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此逐次得到谐振频率信息；

3.3）将逐次调节的自标定信号、逐次得到的谐振频率信息均送入自补偿信息解算和控制模块，自补偿信息解算和控制模块先对自标定信号、谐振频率信息进行误差处理，再根据自标定信号、谐振频率信息进行解算及拟合，由此得到谐振式微机械加速度计的参数标定结果；所述谐振式微机械加速度计的参数标定结果包括谐振式微机械加速度计的灵敏度标定结果、谐振式微机械加速度计的零位值标定结果；

4）对谐振式微机械加速度计进行自补偿；具体自补偿步骤如下：

4.1）自补偿基准模块分别产生灵敏度基准、零位值基准；

4.2）将灵敏度基准、零位值基准均送入自补偿信息解算和控制模块；

4.3）自补偿信息解算和控制模块将谐振式微机械加速度计的灵敏度标定结果与灵敏度基准进行比较，并根据比较结果判断二者是否一致；若二者不一致，则执行步骤4.4）；若二者一致，则执行步骤4.5）；

4.4）将比较结果送入灵敏度补偿模块，灵敏度补偿模块根据比较结果产生灵敏度补偿信号；将灵敏度补偿信号送入静电刚度产生结构，静电刚度产生结构根据灵敏度补偿信号产生静电负刚度；将静电负刚度施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此使得谐振式微机械加速度计的灵敏度标定结果发生改变，然后返回步骤4.3）；

4.5）自补偿信息解算和控制模块将谐振式微机械加速度计的零位值标定结果与零位值基准进行比较，并根据比较结果对谐振式微机械加速度计的零位值标定结果进行补偿，由此使得谐振式微机械加速度计的零位值标定结果与零位值基准一致。

所述步骤4.5）中，自补偿信息解算和控制模块基于加减法原理对谐振式微机械加速度计的零位值标定结果进行补偿。

与现有谐振式微机械加速度计标定方法相比，本发明所述的基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法不再依赖分度头、翻转台、离心机、冲击台等加速度计标定设备，而是通过施加虚拟惯性力实现了谐振式微机械加速度计的标定补偿，由此具备了如下优点：其一，本发明无需进行谐振式微机械加速度计与加速度计标定设备之间的安装和拆卸，由此有效简化了标定过程。其二，本发明有效避免了加速度计标定设备的误差和干扰对标定结果造成的影响，由此有效提高了标定结果精度。其三，本发明在各种实际应用条件下（例如野外环境、太空环境、远洋轮船、水下环境）均可对谐振式微机械加速度计进行标定，由此使得应用范围不再受限。其四，本发明在完成标定后对谐振式微机械加速度计进行补偿，由此使得谐振式微机械加速度计的参数标定结果与之前装填在系统中的参数一致，从而无需将参数标定结果重新装填在系统中，进而有效避免了系统的测量和控制精度降低。

本发明有效解决了现有谐振式微机械加速度计标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限、容易导致系统的测量和控制精度降低的问题，适用于谐振式微机械加速度计的标定补偿。

附图说明

图1是谐振式微机械加速度计的结构示意图。

图2是谐振式微机械加速度计控制回路的结构示意图。

图3是谐振式微机械加速度计自补偿回路的结构示意图。

图4是本发明中步骤3）的流程示意图。

图5是本发明中步骤4）的流程示意图。

具体实施方式

1.1）将外界输入加速度FIN施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此使得谐振式微机械加速度计敏感质量产生位移信息r；

1.2）将位移信息r送入位移信息提取结构，位移信息提取结构将位移信息r转换为电容信号Amove；

1.3）将电容信号Amove送入电容-电压转换接口，电容-电压转换接口将电容信号Amove转换为电压信号；

1.6）将进一步放大后的电压信号分别送入1/4周期迟滞器、幅值提取装置、频率-电压转换器；1/4周期迟滞器对电压信号进行移相，由此得到交流基准信号；幅值提取装置对电压信号进行幅值提取，由此得到幅值信号；频率-电压转换器将电压信号转换为谐振频率信息Afo；

1.7）质量块位移工作点设置模块产生质量块运动幅值控制基准；将质量块运动幅值控制基准、幅值信号均送入比较器，质量块运动幅值控制基准、幅值信号在比较器中进行比较；将比较结果送入质量块位移控制器，质量块位移控制器根据比较结果产生质量块位移控制信号；将质量块位移控制信号、交流基准信号均送入乘法器，质量块位移控制信号、交流基准信号在乘法器中叠加形成交流控制信号；将交流控制信号送入直流信号叠加装置，交流控制信号、直流信号叠加装置中的直流基准信号叠加形成驱动信号Afb；

1.8）将驱动信号Afb送入静电驱动机构，静电驱动机构根据驱动信号Afb产生静电力Fr；

1.9）将静电力Fr施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此使得谐振式微机械加速度计工作在谐振模态下；

2）产生虚拟惯性力FAC；具体产生步骤如下：

2.1）高精度自标定信号产生模块产生幅值可调的自标定信号CAL；

2.2）将自标定信号CAL送入虚拟惯性力施力结构，虚拟惯性力施力结构根据自标定信号CAL产生虚拟惯性力FAC，虚拟惯性力FAC的方向与谐振式微机械加速度计的敏感方向一致；

3.1）在外界输入加速度FIN、静电力Fr均保持不变的情况下，通过逐次调节自标定信号CAL的幅值，将虚拟惯性力FAC的等效加速度逐次设定为1g、0g、-1g、0g、2g、0g、-2g；

3.2）将虚拟惯性力FAC逐次施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此逐次得到谐振频率信息Afo；

3.3）将逐次调节的自标定信号CAL、逐次得到的谐振频率信息Afo均送入自补偿信息解算和控制模块，自补偿信息解算和控制模块先对自标定信号CAL、谐振频率信息Afo进行误差处理，再根据自标定信号CAL、谐振频率信息Afo进行解算及拟合，由此得到谐振式微机械加速度计的参数标定结果Aout；所述谐振式微机械加速度计的参数标定结果Aout包括谐振式微机械加速度计的灵敏度标定结果Snow、谐振式微机械加速度计的零位值标定结果Anow；

4.1）自补偿基准模块分别产生灵敏度基准Sref、零位值基准Aref；

4.2）将灵敏度基准Sref、零位值基准Aref均送入自补偿信息解算和控制模块；

4.3）自补偿信息解算和控制模块将谐振式微机械加速度计的灵敏度标定结果Snow与灵敏度基准Sref进行比较，并根据比较结果判断二者是否一致；若二者不一致，则执行步骤4.4）；若二者一致，则执行步骤4.5）；

4.4）将比较结果送入灵敏度补偿模块，灵敏度补偿模块根据比较结果产生灵敏度补偿信号SAC；将灵敏度补偿信号SAC送入静电刚度产生结构，静电刚度产生结构根据灵敏度补偿信号SAC产生静电负刚度KAC；将静电负刚度KAC施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此使得谐振式微机械加速度计的灵敏度标定结果Snow发生改变，然后返回步骤4.3）；

4.5）自补偿信息解算和控制模块将谐振式微机械加速度计的零位值标定结果Anow与零位值基准Aref进行比较，并根据比较结果对谐振式微机械加速度计的零位值标定结果Anow进行补偿，由此使得谐振式微机械加速度计的零位值标定结果Anow与零位值基准Aref一致。

所述步骤4.5）中，自补偿信息解算和控制模块基于加减法原理对谐振式微机械加速度计的零位值标定结果Anow进行补偿。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

1.1）将外界输入加速度（FIN）施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此使得谐振式微机械加速度计敏感质量产生位移信息（r）；

1.2）将位移信息（r）送入位移信息提取结构，位移信息提取结构将位移信息（r）转换为电容信号（Amove）；

1.3）将电容信号（Amove）送入电容-电压转换接口，电容-电压转换接口将电容信号（Amove）转换为电压信号；

1.6）将进一步放大后的电压信号分别送入1/4周期迟滞器、幅值提取装置、频率-电压转换器；1/4周期迟滞器对电压信号进行移相，由此得到交流基准信号；幅值提取装置对电压信号进行幅值提取，由此得到幅值信号；频率-电压转换器将电压信号转换为谐振频率信息（Afo）；

1.7）质量块位移工作点设置模块产生质量块运动幅值控制基准；将质量块运动幅值控制基准、幅值信号均送入比较器，质量块运动幅值控制基准、幅值信号在比较器中进行比较；将比较结果送入质量块位移控制器，质量块位移控制器根据比较结果产生质量块位移控制信号；将质量块位移控制信号、交流基准信号均送入乘法器，质量块位移控制信号、交流基准信号在乘法器中叠加形成交流控制信号；将交流控制信号送入直流信号叠加装置，交流控制信号、直流信号叠加装置中的直流基准信号叠加形成驱动信号（Afb）；

1.8）将驱动信号（Afb）送入静电驱动机构，静电驱动机构根据驱动信号（Afb）产生静电力（Fr）；

1.9）将静电力（Fr）施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此使得谐振式微机械加速度计工作在谐振模态下；

2）产生虚拟惯性力（FAC）；具体产生步骤如下：

2.1）高精度自标定信号产生模块产生幅值可调的自标定信号（CAL）；

2.2）将自标定信号（CAL）送入虚拟惯性力施力结构，虚拟惯性力施力结构根据自标定信号（CAL）产生虚拟惯性力（FAC），虚拟惯性力（FAC）的方向与谐振式微机械加速度计的敏感方向一致；

3.1）在外界输入加速度（FIN）、静电力（Fr）均保持不变的情况下，通过逐次调节自标定信号（CAL）的幅值，将虚拟惯性力（FAC）的等效加速度逐次设定为1g、0g、-1g、0g、2g、0g、-2g；

3.2）将虚拟惯性力（FAC）逐次施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此逐次得到谐振频率信息（Afo）；

3.3）将逐次调节的自标定信号（CAL）、逐次得到的谐振频率信息（Afo）均送入自补偿信息解算和控制模块，自补偿信息解算和控制模块先对自标定信号（CAL）、谐振频率信息（Afo）进行误差处理，再根据自标定信号（CAL）、谐振频率信息（Afo）进行解算及拟合，由此得到谐振式微机械加速度计的参数标定结果（Aout）；所述谐振式微机械加速度计的参数标定结果（Aout）包括谐振式微机械加速度计的灵敏度标定结果（Snow）、谐振式微机械加速度计的零位值标定结果（Anow）；

4.1）自补偿基准模块分别产生灵敏度基准（Sref）、零位值基准（Aref）；

4.2）将灵敏度基准（Sref）、零位值基准（Aref）均送入自补偿信息解算和控制模块；

4.3）自补偿信息解算和控制模块将谐振式微机械加速度计的灵敏度标定结果（Snow）与灵敏度基准（Sref）进行比较，并根据比较结果判断二者是否一致；若二者不一致，则执行步骤4.4）；若二者一致，则执行步骤4.5）；

4.4）将比较结果送入灵敏度补偿模块，灵敏度补偿模块根据比较结果产生灵敏度补偿信号（SAC）；将灵敏度补偿信号（SAC）送入静电刚度产生结构，静电刚度产生结构根据灵敏度补偿信号（SAC）产生静电负刚度（KAC）；将静电负刚度（KAC）施加给谐振式微机械加速度计敏感质量，由此使得谐振式微机械加速度计的灵敏度标定结果（Snow）发生改变，然后返回步骤4.3）；

4.5）自补偿信息解算和控制模块将谐振式微机械加速度计的零位值标定结果（Anow）与零位值基准（Aref）进行比较，并根据比较结果对谐振式微机械加速度计的零位值标定结果（Anow）进行补偿，由此使得谐振式微机械加速度计的零位值标定结果（Anow）与零位值基准（Aref）一致。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟惯性力的谐振式微机械加速度计自标定补偿方法，其特征在于：所述步骤4.5）中，自补偿信息解算和控制模块基于加减法原理对谐振式微机械加速度计的零位值标定结果（Anow）进行补偿。