一种高精度、高分辨率石英扰性传感器的静态标定方法与流程

本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种高精度、高分辨率石英扰性传感器的静态标定方法。

背景技术：

加速度传感器是惯性导航和惯性制导核心元件之一，其准确性对导航精度具有重要意义。特别对于加速度传感器采用安装方式（内置或外置）的差异性，也会对测量精度产生不同影响。克服现有一维石英挠性加速度传感器存在的误差及测量误差高的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种高精度、高分辨率石英扰性传感器的静态标定方法，以实现既满足航天系统领域中地面的微重力测量功能和性能指标要求，同时真实模拟在空间站在轨状态的标定参数。经对在轨数据分析后，其准确性真实可靠，为空间站相关实验的展开提供可靠地保障。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高精度、高分辨率石英扰性传感器的静态标定方法，主要包括：

步骤1：利用牛顿迭代公式简化传统的加速计在地面重力下测试时的模型方程；

步骤2：测量重力分量数据输入量；

步骤3：测量电压数据输出量；

步骤4：确定输入量和输出量关系以及传递函数；

步骤5：数据处理；

步骤6：偏值校正和误差补偿。

进一步地，步骤1具体为将传统的加速计在地面重力下测试时的模型方程

（1）

利用不同组的标定参数代入加速度传感器模型公式采用牛顿迭代公式进行数值计算，利用该方程不断进行迭代，逐渐向最优值靠近，最终将系数误差控制在指定的范围内，迭代的过程中利用最小二乘法来求解系数,将公式（1）最终简化为，

为标度因数 （2）；

（3）。

进一步地，步骤2具体为，输入重力分量其中为重力加速度分量，为失准角,对标定测试分度回转台“调零”，通电后进行测试并作记录为a0,设置分度回转台从“0”角度旋转某一角度后，且系统稳定后，测量设备开始测试并记录重力分量a1,a2，……an，记录完成后再次设置分度回转台从测量范围最大角度反向旋转某一角度后，且系统稳定后，测量设备开始测试且进行记录an’…a1’，最后返回“0”角度位置a0。

进一步地，将加速度测量数据通过数据处理软件解析后得到数据即电压值，在运行数据处理软件置标度参数为，偏值为，得到测量数据输出量。

进一步地，步骤4具体为，由受测产品测量的电压值作为输出量，采用重力倾角法进行标定，利用该坐标方向输出与输入加速度之间的一组对应数据，进行线性拟合即可得到测量加速度与电压的对应线性函数关系，并求出标度因数G1和G2，以及偏值b1和b2，比较G1与G2的差值是否等于0，如果不是则重新执行步骤3，如果是则比较b1与b2的差值，如果有偏差，并求其偏值平均值b=1/2(b1+b2)，并对偏值进行修改，然后标定测试设备的安装角度带来的偏值b3，标定测试设备的水平最表于测试品台的夹角误差，采用三坐标测试偏值b4，对同角度测试数据不同旋转角度测量结果求差值，计算其安装面不平整度带来的偏值b5，对b3，b4和b5求和加入到拟合曲线b中。

进一步地，步骤5具体为，将测试原始数据导入到微重力仪地面数据处理软件，进行数据解析，得到每个测点采集数据的统计平均值，去除动态干扰；导入到Origin软件中进行处理，利用Origin软件进行一阶线性拟合即最小二乘法，得到不同通道传感器在不同方向标定状态下的输入加速度与输出电压之间的关系方程及线性度，拟合关系方程形式为：对每一个通道进行标定数据线性拟合处理，

地面测试时，按照受测产品坐标指天或指地状态不同应用不同公式；

对于同一通道不同方向标度因数进行平均，偏值进行平均，得到最终待测通道的标定方程，作为在轨使用公式；

利用处理后的数据进行各个误差项的解算并进行误差分析与误差补偿。

进一步地，步骤6具体为，对安装残角进行测试，然后对测试数据绝对值加权平均计入偏值中，零偏值与测量指标比较做预估实际计算，传感器漂移指标为月综合误差50µg₀，不计入偏值中，对误差补偿采用回归测试对标定函数进行修正。

本发明各实施例的高精度、高分辨率石英扰性传感器的静态标定方法，由于主要包括：利用牛顿迭代公式简化传统的加速计在地面重力下测试时的模型方程，分度回转台测量重力分量数据输入量，测量电压数据数据输出量，确定输入量和输出量关系以及传递函数，数据处理；偏值校正和误差补偿；从而可以克服现有技术中一维石英挠性加速度传感器存在的误差及测量误差高的缺陷优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为加速度测试系统组成原理图；

图2为标定测试设备系统组成结构图；

图3为+Z指天方向坐标示意图；

图4为+Z指地方向坐标示意图；

图5为标定测试具体实施图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。本发明内容针对加速度传感器内置安装结构，通过对感知加速度信号、信号放大、模数转换、处理器数据运算及通过数据传输后，计算机获得加速度测量数据。最后对测量信号借助标定测量设备进行静态标定，其目的是提高测量数据的准确性。

本发明用途是为测量空间微重力环境。加速度传感器类型采用石英扰性加速度传感器，该加速度传感器具有的特点是：采用电容式差分测量设计，测量频带范围广、测量精度高、分辨率高、动态范围大等特点，尤其适合于测量准稳态加速度和微小加速度信号。本发明可应用在空间微重力科学实验、卫星无拖曳控制、主动减振、卫星重力测量等科学实验卫星及空间站等领域。

该标定方法由加速度测试系统和标定测试设备两部分组实现：

1）加速度测试系统组成见附图1；

2）标定测试设备组成结构见附图2。

静态标定设计思路：

1)简化模型方程：传统的加速计在地面重力下测试时的模型方程为：

（1）

（1）式中，为X轴的偏值，为X轴的标度因数为X轴的实际加速度为X轴的二阶非线性系数,为X轴的三阶非线性系数, 为X轴与Y轴的交叉耦合系数。为X轴与Z轴的交叉耦合系数且和为实际加速度交叉耦合效应是加速度传感器某个敏感轴的偏值因该轴向及与之正交方向同时受到加速度作用而发生轻微改变的现象，变化量与这两个加速度的乘积成正比，比例系数称为交叉耦合系数。对于两敏感轴之间的耦合通常采用重力八点法翻滚求出耦合系数，对360°角度范围内等角度取值，其角度对于该传感器处于饱和状态或处于频率共频整数倍，测量数据误差较大，耦合系数准确率较低。四点法的特点是标定加速度传感器的零偏和二阶非线性系数，具有测试时间短，数据处理简单的特点，常用于稳定性、重复性测试及其他标定中。但四点法有无法分离标度因数和三阶非线性系数的缺点，因此不能解出三阶非线性系数，也不能确定交叉耦合系数，在不计三阶非线性系数的条件下，四点法可以得到标度因数和输入轴失准角的近似值。准确地标定标度因数和输入轴失准角，并确定交叉轴耦合系数，需要采用八点法或更多点法试验，但带来的结果是测试过程复杂，由于每次安装夹具的重复性较差，系统级中每一状态的改变影响原有标定结果。有些采取不同组的标定参数代入加速度传感器模型公式采用牛顿迭代公式进行数值计算，利用该方程不断进行迭代，逐渐向最优值靠近，最终将系数误差控制在指定的范围内。由于数据采集的过程中存在噪声干扰，所以为了减小噪声对最终标定系数精度的影响，可以在每个位置采集尽可能长时间的数据，然后求平均，或者选取更多的位置，迭代的过程中利用最小二乘法来求解系数,其特点是每两个位置相差越大越好，但对于量程小，精确度高的加速度传感器这种方法很难满足要求。对（1）模型公式进行简化可得：

2）测量数据输入量：输入重力分量为其中为重力加速度分量，为失准角）对于石英挠性加速计厂家失准角：≤2 10^-3rad(=6 )，按照加速度传感器参数5）中最大分辨率其对应角度为≤1 10^-4rad（=3″)’相对于最大倾角明显很小约为5%，在实际测量时，。而分度回转台时，摆台标示的水平状态与实际水平状态的偏离、加速度传感器基座与分度回转台间的安装残角都会反映到中。因此，静态标定的首要困难在于准确测定值。而分度回转台精度分度台倾角误差为±3″，满足加速计最大分辨率的测量要求。而在实际测量时，要求；

3）测量数据输出量：将加速度测量数据通过数据处理软件解析后得到数据（电压值），在运行数据处理软件置标度参数为，偏值为；

4）输入~输出关系和传递函数：由受测产品测量的电压值作为输出量。采用重力倾角法进行标定。则利用该坐标方向输出与输入加速度之间的一组对应数据，进行线性拟合即可得到测量加速度与电压的对应线性函数关系；考虑到偏值的影响，同时对偏值进行修正，其目的是对拟合函数线性度最小，接近为0线性度为最佳。

5）数据处理：将测试原始数据导入到微重力仪地面数据处理软件，进行数据解析，得到每个测点采集数据的统计平均值，去除动态干扰；导入到Origin软件中进行处理，利用Origin软件进行一阶线性拟合（最小二乘法），得到不同通道传感器在不同方向标定状态下的输入加速度与输出电压之间的关系方程及线性度，拟合关系方程形式为：对每一个通道进行标定数据线性拟合处理。地面测试时，按照受测产品坐标指天或指地状态不同应用不同公式；对于同一通道不同方向标度因数进行平均，偏值进行平均，得到最终待测通道的标定方程，作为在轨使用公式。利用处理后的数据进行各个误差项的解算并进行误差分析与误差补偿为后续在轨标定数据打下好的基础；

6）偏值校正和误差补偿：对安装残角采用在坐标示意图见附图3和附图4方法测试。然后对测试数据绝对值加权平均计入偏值中，零偏值与测量指标比较做预估实际计算，传感器漂移指标为月综合误差50µg₀，不计入偏值中，对误差补偿采用回归测试对标定函数进行修正。

有鉴于此，本发明的目的是在对现有一维石英挠性加速度传感器存在的误差及测量误差高的缺陷，提出一种改进后的试验方法，其测试标定参数应用于实践中，标定数据准确性在在轨飞行器中得到了充分的验证。其准确性误差在±10%以内，线性度为≤0.001。

本发明标定测试方法在该类型石英挠性加速计实际应用具有在轨飞行经验的产品中得到充分的应用。由于造成惯性仪器的误差有很多，包括非随机性误差和随机性误差，非随机性误差有包括零偏(零漂)、安装系数误差等随机误差在分析中一般看作零均值的高斯白噪声。

本发明从工程应用角度出发，实现小量程、频带宽，精度高的静态标定方法。提供可靠地测试实验平台。并对单维加速度传感器标定时其他方向对测试数据的误差显著性分析，进行回归测试后对标度参数进行优化后，既满足航天系统领域中地面的微重力测量功能和性能指标要求，同时真实模拟在空间站在轨状态的标定参数。经对在轨数据分析后，其准确性真实可靠，为空间站相关实验的展开提供可靠地保障。

在实际标定过程中所涉及的参数指标：

1)4路通道加速度传感器3个敏感方向（X、Y和Z方向）；

2)测量范围：

X1路：（-150～+150）mg₀（允许偏差±15mg₀），X2、Y、Z路：（-10～+10）mg₀（允许偏差±1mg₀）;

3)测量带宽≤300Hz；

根据两种量程，分别计算测点的布置。按照标定试验线性拟合的要求，至少选取5个等间距的测点。对于小量程通道最大10mg，通过反正弦公式计算得到其对应角度为0.6°，因此确定7个待测点分别为-0.8°、-0.6°、-0.3°、0°、0.3°，0.6°、0.8°。同理，9°对应加速度值156mg，对于大量程通道确定待测点为-12°、-9°、-4.5°、0°、4.5°、9°、12°；

4)分辩率：测量范围（-150～+150）mg₀，≤100μg_0，

（-10～+10）mg₀，≤10μg₀

通过对包含24中工况进行验证试验结果表明：在不同工况下，在受测设备测量范围内测量误差小于0.36mg₀；加速度传感器信号经过检测电路后幅频曲线幅值相对误差在300Hz内误差±10%以内。

特别需要说明的是，考虑到以上因素是考虑到测量准确性误差在±10%以内，通过对安装残角、温漂及其他因素进行分析和验证后得出结论：该标定方法其综合误差最大不超过0.36mg₀，若按小量程（-10～+10）mg₀来看，满足允许偏差±1mg₀要求，测量精确度误差为3.6%，同样满足设计指标要求±10%以内要求。在实际采用该方法时，若对测量误差和测量精度要求不高的情况下，可省略对误差补偿采用回归测试这一过程，对测量数据结果不构成较大的影响，同时也减少了工作量，提高了工作有效性

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。