RU2546983C2 - Method for determining dynamic errors of micromechanical inertial sensors and inertial measurement modules on their basis - Google Patents

Method for determining dynamic errors of micromechanical inertial sensors and inertial measurement modules on their basis Download PDF

Info

Publication number
RU2546983C2
RU2546983C2 RU2013139118/28A RU2013139118A RU2546983C2 RU 2546983 C2 RU2546983 C2 RU 2546983C2 RU 2013139118/28 A RU2013139118/28 A RU 2013139118/28A RU 2013139118 A RU2013139118 A RU 2013139118A RU 2546983 C2 RU2546983 C2 RU 2546983C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
module
sensor
micromechanical
frequency
stand
Prior art date
Application number
RU2013139118/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013139118A (en
Inventor
Дмитрий Геннадиевич Грязин
Ольга Олеговна Величко
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" filed Critical Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority to RU2013139118/28A priority Critical patent/RU2546983C2/en
Publication of RU2013139118A publication Critical patent/RU2013139118A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2546983C2 publication Critical patent/RU2546983C2/en

Links

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to metrology. A method for determining dynamic errors of micromechanical inertial sensors consists in the fact that determination of a dynamic error is performed by comparison of characteristics set by a stand of oscillations to characteristics reproduced with a micromechanical sensor or a module. With that, oscillations are reproduced with the stand and recorded with the micromechanical sensor or an inertial measurement module in a frequency spectrum covering the whole frequency range of the object operation and corresponding to certain operating conditions with further treatment by the following formula: Sout(ω)=|W(jω)|2·Sin(ω), where Sout(ω) - spectral power density of a signal of the micromechanical sensor or module, Sin(ω) - spectral power density of an input signal from the stand, |W(jω)| - an amplitude-frequency characteristic of the sensor or the module being tested. A calculation of spectral densities of power of input and output signals is performed by transition from a time domain to a frequency domain by Fourier transformation; with that, an experimentally determined amplitude-frequency characteristic |W(jω)| of the sensor or the module characterises dispersion D of error of the object being tested in the specified frequency spectrum, and root-mean-square deviation of dynamic error of the micromechanical sensor is in compliance with the following expression: σ = D .
Figure 00000007
EFFECT: higher accuracy.

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров) и инерциальных измерительных модулей на их основе.The invention relates to the field of measurement technology and can be used to determine the dynamic errors of micromechanical inertial sensors (gyroscopes and accelerometers) and inertial measuring modules based on them.

Известен способ определения динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров) и инерциальных измерительных модулей на основе задания гармонических колебаний с помощью испытательного стенда. Исследуемый объект устанавливается на испытательный стенд и задаются колебания с фиксированной частотой. Для оценки динамических погрешностей в частотном диапазоне работы датчика или модуля проводится серия испытаний на различных фиксированных значениях частоты колебаний, задаваемых испытательным стендом, и сравнение характеристик, задаваемых стендом, и характеристик, воспроизводимых инерциальным датчиком или измерительным модулем [Иванов В.А. Метрологическое обеспечение гироприбров. - Л.: Судостроение, 1983, с. 134].A known method for determining the dynamic errors of micromechanical inertial sensors (gyroscopes and accelerometers) and inertial measuring modules based on setting harmonic vibrations using a test bench. The object under study is installed on the test bench and oscillations with a fixed frequency are set. To assess the dynamic errors in the frequency range of the sensor or module, a series of tests is carried out on various fixed values of the oscillation frequency set by the test bench, and a comparison of the characteristics set by the bench and the characteristics reproduced by an inertial sensor or measuring module [Ivanov V.A. Metrological support of gyro devices. - L .: Shipbuilding, 1983, p. 134].

Кроме того, существует способ, реализованный в испытательном стенде для снятия статических и динамических характеристик датчиков линейной скорости, при котором одновременно производится сравнение характеристик испытуемого датчика с эталонными характеристиками ползуна механизма стенда [авторское свидетельство SU 1024856 А1 (Пивоваров Л.В.)].In addition, there is a method implemented in a test bench for taking the static and dynamic characteristics of linear speed sensors, which simultaneously compares the characteristics of the tested sensor with the reference characteristics of the slide mechanism of the stand [copyright certificate SU 1024856 A1 (Pivovarov L.V.)].

Указанные способы определения динамических погрешностей датчиков или модулей требуют значительных временных затрат и не обеспечивают достоверного определения погрешностей применительно к конкретным условиям эксплуатации исследуемых датчиков или модулей.These methods for determining the dynamic errors of sensors or modules require considerable time and do not provide reliable determination of errors in relation to the specific operating conditions of the studied sensors or modules.

Известен способ определения динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров) и инерциальных модулей на их основе. Способ заключается в том, что колебания воспроизводятся стендом и регистрируются микромеханическим датчиком или инерциальным модулем в спектре частот, охватывающем весь частотный диапазон работы исследуемого объекта и соответствующем конкретным условиям эксплуатации. Последующая обработка производится по формуле S в ы х ( ω ) = | W ( j ω ) | 2 S в х ( ω ) ,

Figure 00000001
где S в ы х ( ω )
Figure 00000002
- спектральная плотность мощности сигнала микромеханического датчика или модуля, S в х ( ω )
Figure 00000003
- спектральная плотность мощности входного сигнала со стенда, | W ( j ω ) |
Figure 00000004
- амплитудно-частотная характеристика исследуемого датчика или модуля. Указанный способ позволяет экспериментально определить амплитудно-частотную характеристику исследуемого датчика или модуля [Грязин Д.Г. и др. Метрологическое обеспечение испытаний микромеханических датчиков и модулей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2012, №7, с. 67-76].A known method for determining the dynamic errors of micromechanical inertial sensors (gyroscopes and accelerometers) and inertial modules based on them. The method consists in the fact that the vibrations are reproduced by the stand and recorded by a micromechanical sensor or an inertial module in the frequency spectrum, covering the entire frequency range of the object under study and corresponding to specific operating conditions. Subsequent processing is performed according to the formula S at s x ( ω ) = | W ( j ω ) | 2 S at x ( ω ) ,
Figure 00000001
Where S at s x ( ω )
Figure 00000002
- spectral power density of the signal of the micromechanical sensor or module, S at x ( ω )
Figure 00000003
- spectral power density of the input signal from the stand, | W ( j ω ) |
Figure 00000004
- amplitude-frequency characteristic of the studied sensor or module. The specified method allows you to experimentally determine the amplitude-frequency characteristic of the investigated sensor or module [Gryazin DG et al. Metrological support for testing micromechanical sensors and modules // Bulletin of Tula State University. Engineering, 2012, No. 7, p. 67-76].

Данный способ выбран за прототип изобретения.This method is selected for the prototype of the invention.

Указанный способ применим для определения частотных характеристик датчиков или модулей, но не позволяет определить динамическую погрешность датчика или модуля в частотном диапазоне его работы.The specified method is applicable for determining the frequency characteristics of sensors or modules, but does not allow to determine the dynamic error of the sensor or module in the frequency range of its operation.

Задачей изобретения является определение динамических погрешностей датчиков в реальных условиях эксплуатации.The objective of the invention is to determine the dynamic errors of the sensors in real operating conditions.

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

Воспроизводимые с помощью стенда гармонические колебания задаются в спектре частот, охватывающем весь частотный диапазон работы исследуемого объекта и соответствующем конкретным условиям эксплуатации. Исследуемый модуль устанавливается на стенд колебаний, способный воспроизводить колебания с заданным спектром частот, и производится запись характеристик, задаваемых стендом, и характеристик, воспроизводимых микромеханическим датчиком или инерциальным измерительным модулем. На основе полученных данных осуществляется расчет спектральных плотностей мощности (далее - спектры) входного и выходного сигналов путем перехода из временной области в частотную с помощью преобразования Фурье. Полученный спектр выходного сигнала модуля сравнивается со спектром входного сигнала стенда, соответствующим конкретным условиям эксплуатации, в соответствии с выражением S в ы х ( ω ) = | W ( j ω ) | 2 S в х ( ω ) ,

Figure 00000001
где S в ы х ( ω )
Figure 00000002
- спектральная плотность мощности сигнала микромеханического датчика или модуля, S в х ( ω )
Figure 00000003
- спектральная плотность мощности входного сигнала со стенда, | W ( j ω ) |
Figure 00000004
- амплитудно-частотная характеристика исследуемого датчика или модуля. Экспериментально определенная амплитудно-частотная характеристика | W ( j ω ) |
Figure 00000004
датчика или модуля характеризует дисперсию D погрешности исследуемого объекта в заданном спектре частот. Среднеквадратичное отклонение динамической погрешности σ микромеханического датчика или инерциального измерительного модуля находится в соответствии с выражением σ = D
Figure 00000005
. Рассчитанное значение характеризует погрешность исследуемого прибора применительно к конкретным условиям эксплуатации, соответствующим задаваемому спектру входного воздействия.Harmonic oscillations reproduced with the help of the test bench are set in the frequency spectrum, covering the entire frequency range of the object under study and corresponding to specific operating conditions. The module under study is installed on an oscillation stand capable of reproducing oscillations with a given frequency spectrum, and the characteristics specified by the stand and the characteristics reproduced by a micromechanical sensor or an inertial measuring module are recorded. Based on the obtained data, the spectral power densities (hereinafter referred to as spectra) of the input and output signals are calculated by switching from the time domain to the frequency domain using the Fourier transform. The resulting spectrum of the output signal of the module is compared with the spectrum of the input signal of the stand corresponding to specific operating conditions, in accordance with the expression S at s x ( ω ) = | W ( j ω ) | 2 S at x ( ω ) ,
Figure 00000001
Where S at s x ( ω )
Figure 00000002
- spectral power density of the signal of the micromechanical sensor or module, S at x ( ω )
Figure 00000003
- spectral power density of the input signal from the stand, | W ( j ω ) |
Figure 00000004
- amplitude-frequency characteristic of the studied sensor or module. Experimentally determined amplitude-frequency response | W ( j ω ) |
Figure 00000004
sensor or module characterizes the variance D of the error of the investigated object in a given frequency spectrum. The standard deviation of the dynamic error σ of the micromechanical sensor or inertial measuring module is in accordance with the expression σ = D
Figure 00000005
. The calculated value characterizes the error of the instrument under study in relation to specific operating conditions corresponding to the specified input exposure spectrum.

Способ реализуется следующим образом. Исследуемый микромеханический инерциальный датчик или измерительный модуль устанавливается на стенд, способный воспроизводить колебания в спектре частот, охватывающем весь частотный диапазон работы исследуемого объекта. Задаются колебания со спектром, соответствующим конкретным условиям эксплуатации. Производится запись характеристик, задаваемых стендом, и характеристик, воспроизводимых датчиком или модулем. Полученные данные с помощью преобразования Фурье переводятся в частотную область для вычисления спектральной плотности мощности сигналов. Спектры входного сигнала стенда и выходного сигнала датчика или модуля сравниваются в соответствии с выражением S в ы х ( ω ) = | W ( j ω ) | 2 S в х ( ω ) ,

Figure 00000001
для экспериментального определения частотной передаточной функции | W ( j ω ) |
Figure 00000004
исследуемого объекта, которая определяет динамическую погрешность датчика или модуля во всем частотном диапазоне его работы.The method is implemented as follows. The studied micromechanical inertial sensor or measuring module is mounted on a stand capable of reproducing fluctuations in the frequency spectrum, covering the entire frequency range of the object under study. Vibrations with a spectrum corresponding to specific operating conditions are set. The characteristics set by the stand and the characteristics reproduced by the sensor or module are recorded. The data obtained using the Fourier transform are transferred to the frequency domain to calculate the spectral power density of the signals. The spectra of the input signal of the stand and the output signal of the sensor or module are compared in accordance with the expression S at s x ( ω ) = | W ( j ω ) | 2 S at x ( ω ) ,
Figure 00000001
for experimental determination of the frequency transfer function | W ( j ω ) |
Figure 00000004
the studied object, which determines the dynamic error of the sensor or module in the entire frequency range of its operation.

Достигаемый технический результат - определение динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков и инерциальных измерительных модулей на их основе в режиме их функционирования, повышение достоверности определения динамических погрешностей применительно к конкретным условиям эксплуатации, сокращение времени определения динамических погрешностей при серийном производстве микромеханических датчиков и модулей.The technical result achieved is the determination of dynamic errors of micromechanical inertial sensors and inertial measuring modules based on them in the mode of their operation, increasing the reliability of determining dynamic errors in relation to specific operating conditions, reducing the time for determining dynamic errors in the serial production of micromechanical sensors and modules.

Исследуемый объект устанавливается на стенд, способный воспроизводить колебания в спектре частот. Задаются колебания со спектром, соответствующим реальным условиям эксплуатации. Производится запись характеристик, задаваемых стендом, и характеристик, воспроизводимых микромеханическим датчиком или инерциальным модулем. Последующая обработка входного и выходного сигналов по вышеприведенным формулам позволяет определить динамическую погрешность исследуемого объекта в режиме функционирования. Задание колебаний в спектре частот позволяет сократить время и повысить достоверность определения динамических погрешностей исследуемых объектов применительно к конкретным условиям эксплуатации.The object under study is mounted on a stand capable of reproducing fluctuations in the frequency spectrum. Oscillations are set with a spectrum corresponding to actual operating conditions. The characteristics set by the stand and the characteristics reproduced by the micromechanical sensor or inertial module are recorded. Subsequent processing of the input and output signals according to the above formulas allows you to determine the dynamic error of the investigated object in the operating mode. Setting oscillations in the frequency spectrum can reduce the time and increase the reliability of determining the dynamic errors of the studied objects in relation to specific operating conditions.

Claims (1)

Способ определения динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров) и инерциальных измерительных модулей на их основе, заключающийся в том, что определение динамической погрешности производится путем сравнения характеристик, задаваемых стендом колебаний, с характеристиками, воспроизводимыми микромеханическим датчиком или модулем, при этом колебания воспроизводятся стендом и регистрируются микромеханическим датчиком или инерциальным измерительным модулем в спектре частот, охватывающем весь частотный диапазон работы объекта и соответствующем конкретным условиям эксплуатации, с последующей обработкой по формуле S в ы х ( ω ) = | W ( j ω ) | 2 S в х ( ω ) ,
Figure 00000001
где S в ы х ( ω )
Figure 00000002
- спектральная плотность мощности сигнала микромеханического датчика или модуля, S в х ( ω )
Figure 00000003
- спектральная плотность мощности входного сигнала со стенда, | W ( j ω ) |
Figure 00000004
- амплитудно-частотная характеристика исследуемого датчика или модуля, отличающийся тем, что расчет спектральных плотностей мощности входного и выходного сигналов осуществляется путем перехода из временной области в частотную с помощью преобразования Фурье, при этом экспериментально определенная амплитудно-частотная характеристика | W ( j ω ) |
Figure 00000006
датчика или модуля характеризует дисперсию D погрешности исследуемого объекта в заданном спектре частот, при этом среднеквадратичное отклонение динамической погрешности σ микромеханического датчика или инерциального измерительного модуля находится в соответствии с выражением σ = D
Figure 00000005
и определяет погрешность исследуемого прибора применительно к конкретным условиям эксплуатации, соответствующим задаваемому спектру входного воздействия.
A method for determining the dynamic errors of micromechanical inertial sensors (gyroscopes and accelerometers) and inertial measuring modules based on them, which consists in determining the dynamic error by comparing the characteristics set by the vibration bench with the characteristics reproduced by the micromechanical sensor or module, while the vibrations are reproduced stand and recorded by a micromechanical sensor or inertial measuring module in the frequency spectrum, covering present the whole frequency range of operation of the object and corresponding to specific operating conditions, followed by treatment of the formula S at s x ( ω ) = | W ( j ω ) | 2 S at x ( ω ) ,
Figure 00000001
Where S at s x ( ω )
Figure 00000002
- spectral power density of the signal of the micromechanical sensor or module, S at x ( ω )
Figure 00000003
- spectral power density of the input signal from the stand, | W ( j ω ) |
Figure 00000004
- the amplitude-frequency characteristic of the studied sensor or module, characterized in that the calculation of the spectral power densities of the input and output signals is carried out by switching from the time domain to the frequency using the Fourier transform, while the experimentally determined amplitude-frequency characteristic | W ( j ω ) |
Figure 00000006
sensor or module characterizes the variance D of the error of the investigated object in a given frequency spectrum, while the standard deviation of the dynamic error σ of the micromechanical sensor or inertial measuring module is in accordance with the expression σ = D
Figure 00000005
and determines the error of the instrument under study in relation to specific operating conditions corresponding to a given input exposure spectrum.
RU2013139118/28A 2013-08-21 2013-08-21 Method for determining dynamic errors of micromechanical inertial sensors and inertial measurement modules on their basis RU2546983C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013139118/28A RU2546983C2 (en) 2013-08-21 2013-08-21 Method for determining dynamic errors of micromechanical inertial sensors and inertial measurement modules on their basis

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013139118/28A RU2546983C2 (en) 2013-08-21 2013-08-21 Method for determining dynamic errors of micromechanical inertial sensors and inertial measurement modules on their basis

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013139118A RU2013139118A (en) 2015-02-27
RU2546983C2 true RU2546983C2 (en) 2015-04-10

Family

ID=53279388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013139118/28A RU2546983C2 (en) 2013-08-21 2013-08-21 Method for determining dynamic errors of micromechanical inertial sensors and inertial measurement modules on their basis

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2546983C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2718691C1 (en) * 2019-07-25 2020-04-13 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method for determining dynamic error of magnetic compass caused by rolling and device for its implementation

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101290326A (en) * 2008-06-13 2008-10-22 哈尔滨工程大学 Rock quartz flexibility accelerometer measuring component parameter identification calibration method
RU2381511C1 (en) * 2008-10-01 2010-02-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение Геофизика-НВ" Comprehensive test procedure for unified positioning systems based on micromechanical accelerometres and gyroscopes and automated test bench therefor
US20110264393A1 (en) * 2010-04-27 2011-10-27 Dong An System and method for calibrating a three-axis accelerometer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101290326A (en) * 2008-06-13 2008-10-22 哈尔滨工程大学 Rock quartz flexibility accelerometer measuring component parameter identification calibration method
RU2381511C1 (en) * 2008-10-01 2010-02-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение Геофизика-НВ" Comprehensive test procedure for unified positioning systems based on micromechanical accelerometres and gyroscopes and automated test bench therefor
US20110264393A1 (en) * 2010-04-27 2011-10-27 Dong An System and method for calibrating a three-axis accelerometer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Иванов В.А. Метрологическое обеспечение гироприборов // Л.: Судостроение, 1983 (стр. 134). ГРЯЗИН Д.Г. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ И МОДУЛЕЙ // ИЗВЕСТИЯ ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, 2012, N7 стр.74; . О.О. ВЕЛИЧКО. МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПЫТАНИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ // XV КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ""Навигация и управление движением"", дата выступления с докладом 12.03.2013, 15.20-15.40, стр. 1-2. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2718691C1 (en) * 2019-07-25 2020-04-13 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method for determining dynamic error of magnetic compass caused by rolling and device for its implementation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013139118A (en) 2015-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Feldbusch et al. Vibration analysis using mobile devices (smartphones or tablets)
El-Sheimy et al. Analysis and modeling of inertial sensors using Allan variance
KR100994247B1 (en) Method and apparatus for determining phase sensitivity of an accelerometer based on an analysis of the harmonic components of the interference signal
CN105675186B (en) Method for measuring stress based on dynamic photoelasticity sexual system
Xu et al. Operational modal analysis of a rectangular plate using non-contact excitation and measurement
CN104462695A (en) Weak signal detection method based on double-coupling Duffing vibrators and scale varying
CN107991536B (en) Temperature correction method and equipment for frequency domain dielectric response test
RU2546983C2 (en) Method for determining dynamic errors of micromechanical inertial sensors and inertial measurement modules on their basis
CN110987016A (en) Dynamic characteristic calibration system for dynamically tuned gyroscope flexible assembly
Hadianfard et al. Analysis of modal frequencies estimated from frequency domain decomposition method
Veldman Implementation of an accelerometer transverse sensitivity measurement system
CN116522085A (en) Full-automatic inhaul cable frequency extraction, fixed-order and cable force identification method and application
Dudzik et al. Optimal dynamic error formula for charge output accelerometer obtained by the neural network
Bushuev et al. Detecting changes in the condition of a pressure transucer by analysing its output signal
RU2718691C1 (en) Method for determining dynamic error of magnetic compass caused by rolling and device for its implementation
CN111579748A (en) Metal material performance parameter measuring device and method
Klaus et al. Model parameter identification from measurement data for dynamic torque calibration
JP2002188955A (en) Strength deterioration detection method of structure by using ambiguous external force
Buchczik et al. Calibration of accelerometers using multisinusoidal excitation
RU2568973C1 (en) Method to determine parameters of attenuating transition process of temperature detector
RU2415387C1 (en) Method to analyse oscillations
US7545155B2 (en) Parallel AC measurement method
Hou et al. Broadband dynamic parameters measurement by longitudinal vibration testing using pulse wave
RU2608332C1 (en) Method for dynamic testing superstructures
Buchczik et al. Calibration and evaluation of accelerometers based on multisinusoidal excitation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150822

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20161120

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180822