CN115453148A - 一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器性能测试领域，具体涉及到一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的装置及方法。本发明包括计算机、解调系统、激振器、旋转底座测试横向串扰装置；其中旋转底座测试横向串扰装置包括传感器夹持模块和旋转施加模块两部分；传感器夹持模块中垂直固定架的间距可以调整，因此能够夹持不同尺寸的加速度传感器；旋转施加模块可以带动传感器夹持模块旋转，从而测试传感器夹持模块中加速度传感器的横向串扰。本发明的优点是能够消除测试平台由于加工误差以及安装过程中引入的角度偏差对加速度传感器横向串扰测试结果的影响，提高了横向串扰测试的精度；此外该装置结构简单、易于实现，可广泛应用于各类加速度传感器的横向串扰测试。

Description

一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的装置及方法

技术领域

本发明设计属于传感器性能测试领域，具体涉及到一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的装置及方法。

背景技术

加速度是物体速度的变化率，物体的运动状态可以用加速度来描述，通过对加速度进行积分运算，可以得到运动物体的速度和位移。用于测量加速度这一物理量的传感器称为加速度传感器。加速度传感器广泛应用于惯性导航、地震观测、资源勘探、控制监测等领域，对加速度这一物理量的高精度测量在军用和民用领域都备受重视。通常衡量加速度传感器的性能指标主要有灵敏度、谐振频率、动态范围及横向串扰等参数。

本项发明设计主要针对加速度传感器的横向串扰测试。加速度传感器可以等效为弹簧-质量系统，认为其只沿弹簧的单一弹性方向产生相对位移。在这种理想模型条件下，传感器将只对沿弹簧轴向方向的加速度信号产生响应，对于垂直于弹簧轴向方向的加速度信号将没有响应。但是在实际的加速度传感器中，由于弹簧-质量系统在垂直于其轴向方向上也具有等效刚度，以及传感器制造和加工的误差将会不可避免的产生垂直于轴向方向的响应。将传感器对垂直于传感器敏感轴方向的加速度响应定义为横向灵敏度，而横向串扰定义为横向灵敏度与轴向灵敏度比值的对数值的20倍，其表达式为：

实际情况中加速度传感器并不是完全的轴对称结构，由于加工误差等问题会导致加速度传感器实际敏感轴方向与传感器法线方向存在一个微小的角度，这个角度又称为传感器自身偏差角。因此，横向灵敏度与轴向灵敏度的比值可表示为：

公开号为CN105067839B的中国发明专利，于2015年11月18日公开了一种加速度横向灵敏度测试装置，它包括左支架、测试转轮、连接板、右支架、空心支撑轴、滑块、耳板螺栓、滑轮、轴栓、压杆、底座、卡杆和耳板等部件。公开号为CN105606847B的中国发明专利，于2016年5月25日公开了一种面向压电式加速度传感器横向灵敏度标定的振动台。所述振动台由柔性铰链机构固定在平面二轴振动发生装置上构成。平面二轴振动发生装置通过压电陶瓷驱动器驱动柔性铰链机构运动，通过长度计对终端平台转换块的位移信号进行采集和反馈，带动终端平台转换块上的压电式加速度传感器在较高频率下运动；可以实现压电式加速度传感器的高频率高精度平面圆形轨迹运动，其向心加速度幅值稳定度和频率稳定度高，从而能够实现对压电式加速度传感器横向灵敏度的标定；公开号为CN110672878A的中国发明专利，于2019年10月10日公开了一种三轴高量程加速度传感器横向灵敏度比测试装置，包括沿X轴向设置的撞击体与霍普金森杆，霍普金森杆的尾部设置待测的传感器，传感器的X轴、Y轴与Z轴分别对应设置有X轴激光多普勒分析仪、Y轴激光多普勒分析仪与Z轴激光多普勒分析仪，通过在三个方向上安装激光多普勒分析仪实现三个方向上同步的加速度测量，实现传感器的横向灵敏度比测试。但是上述各种横向灵敏度测试均为考虑装置在制造与安装过程中引入的偏差角度对于测试结果的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的装置及方法。

本发明提出一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的装置及方法，包括计算机1、解调系统2、激振器3、旋转底座测试横向串扰装置4，具体连接关系为：

1)计算机1的电脑通信接口11通过通信线缆23连接至解调系统2的通信接口21；解调系统2的线缆接口22通过线缆24连接至待测传感器；旋转底座测试横向串扰装置4通过螺丝孔位固定在激振器3上；

2)其中旋转底座测试横向串扰装置4包括旋转施加模块41、传感器夹持模块42；旋转施加模块41包括：通用底板411、R轴旋转台412；加速度传感器夹持模块包括：通用底板421、垂直固定架422、探头固定圆筒423、垂直固定架424、石英加速度计安装板425、石英挠性加速度计426。

通用底板411整体形状为圆柱形，其底部有一个凸台，凸台直径略大于激振器的尺寸；通用底板411上有4个激振器安装固定孔：螺丝孔4111、4112、4113、4114，圆周90°分布，孔位与激振器安装孔一致；通用底板411上表面有4个R轴旋转台的安装固定孔：螺丝孔4115、4116、4117、4118，圆周90°分布，孔位与R轴旋转台安装孔一致。

R轴旋转台412下半部分底座固定在通用底板411上，上半部分旋转台为扁平圆柱形，其表面有4个通用底板421的安装固定孔：螺丝孔4121、4122、4123、4124，圆周90°分布。

通用底板421整体形状为圆柱形，其底部有一凸台，凸台直径略大于R轴旋转台圆柱形部分上表面直径；通用底板421上有4个与R轴旋转台的安装固定孔，孔位与R轴旋转台安装孔一致；通用底板421上表面周边有8个垂直固定架的安装固定孔。

垂直固定架422由3部分组成，分别是：底板、垂直夹板、加强筋；其中底板呈梯形，底板下底边长度小于通用底板421的直径，且底板中部有两条贯穿的固定槽4221、4222，用来与通用底板421装配；垂直固定架424与垂直固定架422结构类似；基于这种条状的固定槽设计，可以调整垂直固定架422与垂直固定架424的装配位置来改变它们的间距，从而适配不同厚度的加速度传感器；垂直固定架的垂直夹板与底板之间的装配夹角要保证在90°±0.01°的误差范围内。

石英加速度计安装板425整体形状为扁平的长方体，上有4条贯穿的固定槽4251、4252、4253、4254，用来与两侧的垂直固定架422、424进行装配。条形固定槽的设计与垂直固定架底座上的条形固定槽类似，可以改变固定架的固定位置来适配不同厚度的加速度传感器。

本发明提出一种加速度传感器低横向串扰性能的测试方法，包括测试流程与数据处理两部分。其中测试流程包括以下几个步骤：

S1：首先将待测加速度传感器固定在探头固定圆筒423上，用两侧的垂直固定架422，424将传感器夹紧；

S2：转动旋转台的旋钮，调整好旋转台的位置后，旋紧旋转台旋钮，固定底座，防止测试过程中出现角度偏差给最终结果带来较大误差；

S3：记录此时的旋转台刻度为旋转角；

S4：开启激振台，测试加速度传感器在该旋转角度下的横向加速度响应，并记录相应的数值；

S5：完成该旋转角度下横向加速度响应测试后，关闭激振台，松开旋转台旋钮，将旋转台旋转30°；

S6：重复S2至S5，直至底座旋转一周；

其中数据处理：

待底座旋转一周后，将记录得到的横向加速度响应与旋转台刻度一系列数据导入数据处理软件，绘制出实测的横向灵敏度随旋转角度变化曲线；利用由传感器横向串扰测试模型推导得到的计算公式拟合得到加速度传感器自身夹角、测试装置夹角、旋转初始角等参数，并同时绘制出理论横向灵敏度随旋转角度变化曲线，以均方差拟合误差大小。

传感器横向串扰测试原理：

将待测加速度传感器沿辅助机构夹持平面的法线旋转一周，则该旋转模型如图7所示：

其中xyz代表三维空间坐标系的坐标轴，激振器施加的加速度方向沿坐标轴z方向；假设传感器自身的偏差角度为θ，辅助夹持面的法线与水平面之间的夹角为α，且偏差角度θ和α在yoz平面内。

黑色粗线表示测试装置平面，黑色箭头V表示探头矢量，用S₀代表待测加速度传感器沿灵敏轴方向的灵敏度响应；黑色细线箭头N表示测试装置平面法线。探头旋转一周可以在三维空间表示为矢量V绕N旋转一周。

矢量V的轨迹在空间中为一个圆，该圆的法向量为：

N₀＝(0，sinα，cosα) (3)

该圆的半径为：

R_s＝S₀cosθ (4)

为得到圆内相互正交的两个单位向量，通过N₁＝N₀×i，得到单位向量：

N₁＝(0，cosα，-sinα) (5)

通过N₂＝N₀×N₁，得到单位向量：

N₂＝(-1，0，0) (6)

则矢量V经过旋转角度

后得到的矢量V′可以表示为：

其中

为矢量V在圆内的初始角度，

为传感器旋转角度值，则矢量V′的z分量的表达式为：

测试的横向灵敏度为z分量的绝对值：

通过绘制测试旋转角度和测试横向加速度响应数据，即可利用计算公式(9)得到角度θ和α，从而计算出探头横向串扰。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：

(1)考虑到测试平台与辅助夹持装置由于加工等误差引入的偏角对传感器横向串扰测试的影响，可以通过消除振动测试平台的偏差角度与固定装置的安装偏差角度的影响，准确测出传感器的自身偏差角度，从而实现传感器横向串扰性能精确测试；

(2)装置简单，易于实现，稳定可靠，通过调节垂直固定架的固定位置可适用于不同类型的传感器的横向串扰性能测试。

附图说明：

图1是通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的系统结构图；

图2是旋转底座测试横向串扰装置的结构示意图；

图3是旋转底座测试横向串扰装置的通用底板结构示意图；

图4是旋转底座测试横向串扰装置旋转施加模块结构示意图；

图5是旋转底座测试横向串扰装置的探头夹持模块结构示意图；

图6是旋转底座测试横向串扰装置的探头夹持模块结构俯视图；

图7是旋转底座横向加速度响应测试模型；

图8是通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的测试流程图；

图9是加速度传感器横向串扰测试数据图。

具体实施方式：

为了能够更清晰地说明本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1：

加速度传感器的横向串扰测试装置在加速度传感器测试中的应用。

加速度传感器的横向串扰测量装置如图1-图6所示，其中，应用于加速度传感器测试中的测试系统如图1所示。

测试流程：

S1：首先将灵敏度14562rad/g的双盘探头固定在探头固定圆筒上，用两侧的垂直固定架将传感器夹紧；

S2：转动旋转台的旋钮，调整好旋转台的位置后，旋紧旋转台旋钮，使得底座不能再旋转，防止测试过程中出现角度偏差给最终结果带来较大误差；

S3：记录此时的旋转台刻度，此时旋转台刻度为360°；

S4：开启激振台，测试加速度传感器在该方向的横向加速度响应，并记录相应的数值；

S5：完成该方向横向加速度响应测试后，关闭激振台，松开旋转台旋钮，将旋转台旋转30°；

S6：重复S2至S5，直至底座旋转一周。

记录测试过程中的相关数据。

测试数据分析与处理：

待底座旋转一周后，将记录得到的横向加速度响应与旋转台刻度一系列数据导入数据处理软件，并且在数据处理软件中输入传感器灵敏度，点击运行绘制出实测的横向灵敏度随旋转角度变化曲线；带入传感器横向串扰测试模型，得到拟合结果为矩阵p，分别为测试装置夹角、探头自身夹角和旋转初始角。最终得到底座角度偏差为：1.0885°；探头角度偏差为0.3186°；横向串扰值为-45.10dB。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或改动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的装置，其特征在于：本装置由计算机(1)、解调系统(2)、激振器(3)、旋转底座测试横向串扰装置(4)组成，其中：

计算机(1)的电脑通信接口(11)通过通信线缆(23)连接至解调系统(2)的通信接口(21)；解调系统(2)的线缆接口(22)通过线缆(24)连接至待测加速度传感器；旋转底座测试横向串扰装置(4)通过螺丝孔位固定在激振器(3)上。

2.根据权利要求1所述的一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的装置，其特征在于旋转底座测试横向串扰装置(4)包括旋转施加模块(41)，其中：

旋转施加模块(41)包括：通用底板(411)、R轴旋转台(412)；通用底板(411)整体形状为圆柱形，其底部有一个凸台，凸台直径略大于激振器的尺寸；通用底板(411)上有4个激振器安装固定孔：螺丝孔(4111、4112、4113、4114)，圆周90°分布，孔位与激振器安装孔一致；通用底板(411)上有4个R轴旋转台的安装固定孔：螺丝孔(4115、4116、4117、4118)，圆周90°分布，孔位与R轴旋转台安装孔一致；R轴旋转台(412)下半部分底座固定在通用底板(411)上，上半部分旋转台为扁平圆柱形，其表面有4个通用底板(421)的安装固定孔：螺丝孔(4121、4122、4123、4124)，圆周90°分布。

3.根据权利要求1所述的一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的装置，其特征在于旋转底座测试横向串扰装置(4)包括传感器夹持模块(42)，其中：

传感器夹持模块(42)包括：通用底板(421)、垂直固定架(422)、探头固定圆筒(423)、垂直固定架(424)、石英加速度计安装板(425)、石英挠性加速度计(426)；通用底板(421)整体形状为圆柱形，其底部有一凸台，凸台直径略大于R轴旋转台圆柱形部分上表面直径；通用底板(421)上有4个与R轴旋转台的安装固定孔，孔位与R轴旋转台安装孔一致；通用底板(421)上表面周边有8个垂直固定架的安装固定孔；垂直固定架(422)由3部分组成，分别是：底板、垂直夹板、加强筋；其中底板呈梯形，底板下底边长度小于通用底板(421)的直径，且底板中部有两条贯穿的固定槽(4221、4222)，用来与通用底板(421)装配，基于这种条状的固定槽设计，可以调整垂直固定架的装配位置，从而适配不同厚度的加速度传感器；垂直固定架(424)与垂直固定架(422)结构类似；石英加速度计安装板(425)整体形状为扁平的长方体，上有4条贯穿的固定槽(4251、4252、4253、4254)，用来与两侧的垂直固定架(422、424)进行装配；石英加速度计安装板(425)上的4个条形固定槽的设计与垂直固定架底座上的条形固定槽类似，可以改变固定架的装配位置来适配不同厚度的加速度传感器。

4.根据权利要求2所述的旋转施加模块(41)，其特征在于：

旋转施加模块(41)中R轴旋转台(412)可带动传感器夹持模块(42)转动任意角度；R轴旋转台(412)的精度为0.02mm，平行度为0.01mm。

5.根据权利要求3所述的传感器夹持模块(42)，其特征在于：

垂直固定架(422)中底板、垂直夹板和加强筋的装配侧面要求平整，平行度＜0.01mm；传感器夹持模块(42)中垂直固定架(422、424)的垂直夹板与底板之间的装配夹角要保证在90°±0.01°的误差范围内，这样可以提高加速度传感器的横向串扰测试精度。

6.一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的方法，其特征在于，包括以下测试步骤：

S1：首先将待测加速度传感器固定在探头固定圆筒(423)上，用两侧的垂直固定架(422、424)将传感器夹紧；

S2：转动旋转台的旋钮，调整好旋转台的位置后，旋紧旋转台锁紧旋钮，固定底座，防止测试过程中旋转台出现角度偏差给最终结果带来较大误差；

S3：记录此时的旋转台刻度为旋转角；

S4：开启激振台，测试加速度传感器在该旋转角度下的横向加速度响应，并记录相应的数值；

S5：完成该旋转角度下横向加速度响应测试后，关闭激振台，松开旋转台旋钮，将旋转台旋转30°；

S6：重复S2至S5，直至底座旋转一周。

7.一种通过旋转底座测试加速度传感器横向串扰的方法，其特征在于，数据处理流程为：

待底座旋转一周后，将记录得到的横向加速度响应与旋转台刻度一系列数据导入数据处理软件，绘制出实测的横向灵敏度随旋转角变化曲线；带入传感器横向串扰测试模型，拟合得到加速度传感器自身夹角、测试装置夹角、旋转初始角等参数，并同时绘制出理论横向灵敏度随旋转角变化曲线，以均方差衡量拟合误差大小。

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