CN112611889A - 基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微机械加速度计的标定方法，具体是一种基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法。本发明解决了现有微机械加速度计标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限的问题。基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）产生静电等效力；2）产生反馈力；3）提取出静电等效力对应的电信号中的幅值信号；4）解算出低通滤波器的输出信号的幅值；5）标定微机械加速度计的参数。本发明适用于微机械加速度计的标定。
Description
技术领域
本发明涉及微机械加速度计的标定方法，具体是一种基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法。
背景技术
微机械加速度计是一种敏感载体输入加速度信息的传感器，其具有体积小、功耗低、重量轻、成本低、抗过载特性强、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，微机械加速度计包括微机械加速度计结构、微机械加速度计测控电路。所述微机械加速度计结构包括微机械加速度计敏感质量、检测信息提取结构、静电等效力施力结构、反馈机构。所述微机械加速度计测控电路包括敏感信号处理回路、微机械加速度计自标定回路。所述敏感信号处理回路包括信号调理模块、信号分离模块、自标定解调器、低通滤波器、参数计算模块、输出调理模块、反馈控制器。所述微机械加速度计自标定回路包括高精度交流信号产生模块、高精度直流信号产生模块、叠加器。
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，需要时刻对微机械加速度计的参数进行标定。目前，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。基于此，有必要发明一种基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法，以解决现有微机械加速度计标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限的问题。
发明内容
本发明为了解决现有微机械加速度计标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限的问题，提供了一种基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法，该方法是采用如下步骤实现的：
1）产生静电等效力；具体产生步骤如下：
1.1）高精度交流信号产生模块产生幅值可调的自标定交流信号；高精度直流信号产生模块产生自标定直流信号；将自标定交流信号分别送入叠加器和自标定解调器，将自标定直流信号送入叠加器，自标定交流信号和自标定直流信号在叠加器中叠加形成自标定电压信号；
1.2）将自标定电压信号送入静电等效力施力结构，静电等效力施力结构根据自标定电压信号产生静电等效力，静电等效力的方向与微机械加速度计的敏感方向一致；
2）产生反馈力；具体产生步骤如下：
反馈控制器产生反馈力信号；将反馈力信号送入反馈机构，反馈机构根据反馈力信号产生反馈力；
3）提取出静电等效力对应的电信号中的幅值信号；具体提取步骤如下：
3.1）将外界输入加速度、反馈力、静电等效力共同施加给微机械加速度计敏感质量，由此使得微机械加速度计敏感质量产生合力信号；
3.2）将合力信号送入检测信息提取结构，检测信息提取结构根据合力信号产生加速度信息总信号；
3.3）将加速度信息总信号送入信号调理模块进行调理；
3.4）将信号调理模块的输出信号送入信号分离模块，信号分离模块将信号调理模块的输出信号分离为外界输入加速度对应的电信号、反馈力对应的电信号、静电等效力对应的电信号；
3.5）将外界输入加速度对应的电信号送入输出调理模块，输出调理模块将外界输入加速度对应的电信号转化为微机械加速度计输出信号；将反馈力对应的电信号送入反馈控制器，反馈控制器将反馈力对应的电信号转化为反馈力信号；将静电等效力对应的电信号送入自标定解调器，自标定解调器以自标定交流信号为基准，对静电等效力对应的电信号进行相敏解调，由此提取出静电等效力对应的电信号中的幅值信号；
4）解算出低通滤波器的输出信号的幅值；具体解算步骤如下：
4.1）将静电等效力对应的电信号中的幅值信号送入低通滤波器进行滤波；
4.2）将低通滤波器的输出信号送入参数计算模块，参数计算模块解算出低通滤波器的输出信号的幅值；
5）标定微机械加速度计的参数；具体标定步骤如下：
5.1）将自标定交流信号的频率保持不变，并对自标定交流信号的幅值进行多次设定，且历次的设定值各不相同，由此使得参数计算模块多次解算出低通滤波器的输出信号的幅值，且历次的解算结果各不相同；
5.2）参数计算模块将历次的解算结果进行拟合，由此得到拟合直线；
5.3）参数计算模块一方面将拟合直线的斜率确定为微机械加速度计的灵敏度，另一方面将拟合直线与零位的交点确定为微机械加速度计的零位值，然后将微机械加速度计的灵敏度和零位值共同确定为微机械加速度计的参数。
所述步骤5.2）中，参数计算模块采用最小二乘法将历次的解算结果进行拟合，由此得到拟合直线。
与现有微机械加速度计标定方法相比，本发明所述的基于静电等效力的微机械加速度计自标定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，而是通过施加静电等效力实现了微机械加速度计的标定，由此具备了如下优点：其一，本发明无需进行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）均可对微机械加速度计进行标定，由此使得应用范围不再受限。
本发明有效解决了现有微机械加速度计标定方法标定过程繁琐、标定结果精度低、应用范围受限的问题，适用于微机械加速度计的标定。
附图说明
图1是微机械加速度计的结构示意图。
图2是微机械加速度计的敏感信号处理回路的结构示意图。
图3是微机械加速度计的微机械加速度计自标定回路的结构示意图。
图4是本发明中步骤5）的流程示意图。
图4中：N表示自标定交流信号的幅值设定次数。
具体实施方式
基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法，该方法是采用如下步骤实现的：
1）产生静电等效力FAC；具体产生步骤如下：
1.1）高精度交流信号产生模块产生幅值可调的自标定交流信号ACJ；高精度直流信号产生模块产生自标定直流信号ACD；将自标定交流信号ACJ分别送入叠加器和自标定解调器，将自标定直流信号ACD送入叠加器，自标定交流信号ACJ和自标定直流信号ACD在叠加器中叠加形成自标定电压信号AAC；
1.2）将自标定电压信号AAC送入静电等效力施力结构，静电等效力施力结构根据自标定电压信号AAC产生静电等效力FAC，静电等效力FAC的方向与微机械加速度计的敏感方向一致；
2）产生反馈力FF；具体产生步骤如下：
反馈控制器产生反馈力信号AF；将反馈力信号AF送入反馈机构，反馈机构根据反馈力信号AF产生反馈力FF；
3）提取出静电等效力对应的电信号VFAC中的幅值信号；具体提取步骤如下：
3.1）将外界输入加速度FIN、反馈力FF、静电等效力FAC共同施加给微机械加速度计敏感质量，由此使得微机械加速度计敏感质量产生合力信号FA；
3.2）将合力信号FA送入检测信息提取结构，检测信息提取结构根据合力信号FA产生加速度信息总信号Ameasure；
3.3）将加速度信息总信号Ameasure送入信号调理模块进行调理；
3.4）将信号调理模块的输出信号送入信号分离模块，信号分离模块将信号调理模块的输出信号分离为外界输入加速度对应的电信号VFIN、反馈力对应的电信号VFF、静电等效力对应的电信号VFAC；
3.5）将外界输入加速度对应的电信号VFIN送入输出调理模块，输出调理模块将外界输入加速度对应的电信号VFIN转化为微机械加速度计输出信号Aout；将反馈力对应的电信号VFF送入反馈控制器，反馈控制器将反馈力对应的电信号VFF转化为反馈力信号AF；将静电等效力对应的电信号VFAC送入自标定解调器，自标定解调器以自标定交流信号ACJ为基准，对静电等效力对应的电信号VFAC进行相敏解调，由此提取出静电等效力对应的电信号VFAC中的幅值信号；
4）解算出低通滤波器的输出信号Vs的幅值；具体解算步骤如下：
4.1）将静电等效力对应的电信号VFAC中的幅值信号送入低通滤波器进行滤波；
4.2）将低通滤波器的输出信号Vs送入参数计算模块，参数计算模块解算出低通滤波器的输出信号Vs的幅值；
5）标定微机械加速度计的参数Acal；具体标定步骤如下：
5.1）将自标定交流信号ACJ的频率保持不变，并对自标定交流信号ACJ的幅值进行多次设定，且历次的设定值各不相同，由此使得参数计算模块多次解算出低通滤波器的输出信号Vs的幅值，且历次的解算结果各不相同；
5.2）参数计算模块将历次的解算结果进行拟合，由此得到拟合直线；
5.3）参数计算模块一方面将拟合直线的斜率确定为微机械加速度计的灵敏度，另一方面将拟合直线与零位的交点确定为微机械加速度计的零位值，然后将微机械加速度计的灵敏度和零位值共同确定为微机械加速度计的参数Acal。
所述步骤5.2）中，参数计算模块采用最小二乘法将历次的解算结果进行拟合，由此得到拟合直线。
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 (2)
1.一种基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
1）产生静电等效力（FAC）；具体产生步骤如下：
1.1）高精度交流信号产生模块产生幅值可调的自标定交流信号（ACJ）；高精度直流信号产生模块产生自标定直流信号（ACD）；将自标定交流信号（ACJ）分别送入叠加器和自标定解调器，将自标定直流信号（ACD）送入叠加器，自标定交流信号（ACJ）和自标定直流信号（ACD）在叠加器中叠加形成自标定电压信号（AAC）；
1.2）将自标定电压信号（AAC）送入静电等效力施力结构，静电等效力施力结构根据自标定电压信号（AAC）产生静电等效力（FAC），静电等效力（FAC）的方向与微机械加速度计的敏感方向一致；
2）产生反馈力（FF）；具体产生步骤如下：
反馈控制器产生反馈力信号（AF）；将反馈力信号（AF）送入反馈机构，反馈机构根据反馈力信号（AF）产生反馈力（FF）；
3）提取出静电等效力对应的电信号（VFAC）中的幅值信号；具体提取步骤如下：
3.1）将外界输入加速度（FIN）、反馈力（FF）、静电等效力（FAC）共同施加给微机械加速度计敏感质量，由此使得微机械加速度计敏感质量产生合力信号（FA）；
3.2）将合力信号（FA）送入检测信息提取结构，检测信息提取结构根据合力信号（FA）产生加速度信息总信号（Ameasure）；
3.3）将加速度信息总信号（Ameasure）送入信号调理模块进行调理；
3.4）将信号调理模块的输出信号送入信号分离模块，信号分离模块将信号调理模块的输出信号分离为外界输入加速度对应的电信号（VFIN）、反馈力对应的电信号（VFF）、静电等效力对应的电信号（VFAC）；
3.5）将外界输入加速度对应的电信号（VFIN）送入输出调理模块，输出调理模块将外界输入加速度对应的电信号（VFIN）转化为微机械加速度计输出信号（Aout）；将反馈力对应的电信号（VFF）送入反馈控制器，反馈控制器将反馈力对应的电信号（VFF）转化为反馈力信号（AF）；将静电等效力对应的电信号（VFAC）送入自标定解调器，自标定解调器以自标定交流信号（ACJ）为基准，对静电等效力对应的电信号（VFAC）进行相敏解调，由此提取出静电等效力对应的电信号（VFAC）中的幅值信号；
4）解算出低通滤波器的输出信号（Vs）的幅值；具体解算步骤如下：
4.1）将静电等效力对应的电信号（VFAC）中的幅值信号送入低通滤波器进行滤波；
4.2）将低通滤波器的输出信号（Vs）送入参数计算模块，参数计算模块解算出低通滤波器的输出信号（Vs）的幅值；
5）标定微机械加速度计的参数（Acal）；具体标定步骤如下：
5.1）将自标定交流信号（ACJ）的频率保持不变，并对自标定交流信号（ACJ）的幅值进行多次设定，且历次的设定值各不相同，由此使得参数计算模块多次解算出低通滤波器的输出信号（Vs）的幅值，且历次的解算结果各不相同；
5.2）参数计算模块将历次的解算结果进行拟合，由此得到拟合直线；
5.3）参数计算模块一方面将拟合直线的斜率确定为微机械加速度计的灵敏度，另一方面将拟合直线与零位的交点确定为微机械加速度计的零位值，然后将微机械加速度计的灵敏度和零位值共同确定为微机械加速度计的参数（Acal）。
2.根据权利要求1所述的基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法，其特征在于：所述步骤5.2）中，参数计算模块采用最小二乘法将历次的解算结果进行拟合，由此得到拟合直线。
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