Методика измерения смещения и масштабного коэффициента кварцевого гибкого акселерометра: подробное руководство и анализ температурной чувствительности.

«Представлен углубленный анализ методов тестирования смещения (нулевого смещения) и масштабного коэффициента гибких кварцевых акселерометров, включая специализированные методы, такие как четырехточечный тест на качение и двухточечный тест, а также формулу расчета температурной чувствительности. Это применимо к высокоточным приложениям, таким как инерциальная навигация и космические аппараты».

Смещение (нулевое смещение) и масштабный коэффициент гибких кварцевых акселерометров напрямую определяют точность измерений и долговременную стабильность акселерометра, особенно в сценариях высокоточных применений, таких как инерциальная навигация и управление ориентацией. Поэтому они являются двумя ключевыми показателями производительности при оценке кварцевых акселерометров.

Основное значение смещения (нулевого смещения) заключается в присущей ему системной ошибке акселерометра, которая напрямую приводит к фундаментальному отклонению всех результатов измерений. Например, если нулевое смещение составляет 1 мг, то измеренное значение будет содержать эту ошибку независимо от фактического ускорения. Нулевое смещение также будет дрейфовать под воздействием таких факторов, как время, температура и вибрация (стабильность нулевого смещения). В инерциальных навигационных системах дрейф нуля непрерывно усиливается в результате операций интегрирования, что приводит к накоплению ошибок в положении и скорости. Температурные характеристики кварцевых материалов также могут вызывать изменение нулевого смещения с температурой (температурный коэффициент нулевого смещения), поэтому для подавления этого эффекта в высокоточных приложениях необходимы алгоритмы температурной компенсации. Масштабный коэффициент относится к пропорциональной зависимости между выходным сигналом акселерометра и фактическим входным ускорением. Ошибка масштабного коэффициента может напрямую приводить к пропорциональному искажению результатов измерений. Стабильность масштабного коэффициента напрямую влияет на производительность системы в условиях высокого динамического диапазона или переменной температуры. В операции интегрирования ускорения в инерциальной навигации ошибка масштабного коэффициента будет интегрироваться дважды, что еще больше усиливает ошибку положения.

Таким образом, причина, по которой смещение и масштабный коэффициент стали ключевыми показателями производительности гибких кварцевых акселерометров, заключается в том, что они являются как фундаментальными источниками ошибок, так и ключевыми ограничениями для долговременной стабильности. В системных приложениях производительность этих двух параметров напрямую определяет, сможет ли акселерометр соответствовать требованиям высокой точности и высокой надежности, особенно в таких сценариях, как беспилотное вождение, космические аппараты, навигация подводных лодок и т. д., где допустимы ошибки.

Онтест на предвзятостьИспытание на масштабный коэффициент может проводиться двумя методами: четырехточечным испытанием на прокатку (положения 0°, 90°, 180°, 270°) или двухточечным испытанием (положения 90°, 270°). Испытание на масштабный коэффициент может проводиться тремя методами: четырехточечный тест на качение (положения 0°, 90°, 180°, 270°), двухточечный тест (положения 90°, 270°) и вибрационный тест. На примере четырехточечного теста на качение в данной статье объясняется, как получить смещение и масштабный коэффициент акселерометра.

1.Методы проверки смещения и масштабирующих коэффициентов:

а)Установите акселерометр на специальном испытательном стенде (многозубчатая индексирующая головка).

б)Запуск испытательного стенда

с)Поверните испытательный стенд по часовой стрелке до положения 0°, зафиксируйте его и запишите результаты измерений нескольких комплектов тестируемых изделий в соответствии с заданной частотой дискретизации. В качестве результата измерения примите среднее арифметическое.

г)Поверните испытательный стенд по часовой стрелке до положения 90°, зафиксируйте его и запишите результаты измерений нескольких комплектов тестируемых изделий в соответствии с заданной частотой дискретизации. В качестве результата измерения примите среднее арифметическое.

е)Поверните испытательный стенд по часовой стрелке в положение 180°, зафиксируйте его и запишите результаты измерений нескольких комплектов тестируемых изделий в соответствии с заданной частотой дискретизации. В качестве результата измерения примите среднее арифметическое.

f)Поверните испытательный стенд по часовой стрелке в положение 270°, зафиксируйте его и запишите результаты измерений нескольких комплектов тестируемых изделий в соответствии с заданной частотой дискретизации. В качестве результата измерения примите среднее арифметическое.

г)Поверните испытательный стенд по часовой стрелке в положение 360°, затем против часовой стрелки, установив углы поворота 270°, 180°, 90° и 0°. После стабилизации запишите результаты измерений нескольких комплектов тестируемых изделий в соответствии с заданной частотой дискретизации и примите среднее арифметическое значение в качестве результата измерения.

час)Рассчитайте смещение и масштабный коэффициент.тестируемого продукта с использованием следующих формул (1) и (2).

K0 = -------------------------------------- (1)

К1 =-------------------------------------- (2)

Где:

K0 -------Смещение

K1 -------Масштабный коэффициент

        -------Среднее значение показаний прямого и обратного хода в положении 0°

        -----Среднее суммарное показание вращения вперед и назад в положении 90°

        --- Суммарное среднее значение прямого и обратного вращения в положении 180°

        --- Среднее значение показаний для прямого и обратного вращения в положении 270°

2.Метод тестирования температурной чувствительности смещения и температурной чувствительности масштабного коэффициента.

а)Запуск испытательного стенда

б)Рассчитайте коэффициенты смещения и масштабирования в каждой температурной точке, используя формулы (1) и (2) при комнатной температуре, верхнем пределе рабочей температуры, указанном акселерометром, и нижнем пределе температуры, указанном акселерометром.

с)Рассчитайтетемпературная чувствительностьакселерометра с использованием следующих формул (3) и (4):

  ---------------------(3)

где:

---- Смещение температурной чувствительности

----Смещение верхнего предела температуры датчика

----Погрешность датчика комнатной температуры

-----Смещение нижнего предела температуры датчика

Верхний предел температуры

Комнатная температура

Нижний предел температуры

  ---------------------(4)

Где:

----Температурная чувствительность масштабного коэффициента

------Масштабный коэффициент

----Масштабный коэффициент для верхнего предела температуры датчика

----Масштабный коэффициент комнатной температуры датчика

-----Масштабный коэффициент для нижнего предела температуры датчика

Верхний предел температуры

Комнатная температура

Нижний предел температуры