Метод испытаний смещения и масштабного коэффициента кварцевого гибкого акселерометра: полное руководство и анализ температурной чувствительности
31 марта 2025«Ниже приведен подробный анализ методов испытаний смещения (нулевого смещения) и масштабного коэффициента кварцевых гибких акселерометров, включая специализированные методики, такие как четырехточечное перекатывающее испытание и двухточечное испытание, а также формулы расчета температурной чувствительности. Материал применим к высокоточным областям, таким как инерциальная навигация и космические аппараты».
Смещение (нулевое смещение) и масштабный коэффициент кварцевых гибких акселерометров напрямую определяют точность измерения и долговременную стабильность акселерометра, особенно в высокоточных приложениях, таких как инерциальная навигация и управление ориентацией. Поэтому это два ключевых показателя эффективности для оценки кварцевых акселерометров.
Ключевое значение смещения (нулевого смещения) заключается в том, что оно представляет собой внутреннюю системную ошибку акселерометра, которая напрямую вызывает базовое отклонение всех результатов измерения. Например, если нулевое смещение составляет 1 mg, эта ошибка будет добавляться к результату независимо от фактического ускорения. Нулевое смещение также дрейфует под воздействием времени, температуры и вибрации. В системах инерциальной навигации этот дрейф непрерывно усиливается интегрированием, вызывая накопленные ошибки положения и скорости. Температурные характеристики кварцевых материалов также приводят к изменению нулевого смещения с температурой, поэтому в высокоточных приложениях необходимы алгоритмы температурной компенсации. Масштабный коэффициент означает пропорциональную зависимость между выходным сигналом акселерометра и фактическим входным ускорением. Ошибка масштабного коэффициента напрямую вызывает пропорциональное искажение результатов измерения, а его стабильность влияет на работу системы в условиях широкого динамического диапазона или переменной температуры. При двойном интегрировании ускорения в инерциальной навигации ошибка масштабного коэффициента дополнительно увеличивает ошибку положения.
Именно поэтому смещение и масштабный коэффициент стали ключевыми показателями кварцевых гибких акселерометров: они одновременно являются фундаментальными источниками ошибок и основными ограничениями долговременной стабильности. На уровне системных приложений характеристики этих двух параметров напрямую определяют, может ли акселерометр удовлетворять требованиям высокой точности и высокой надежности, особенно в сценариях беспилотного вождения, космических аппаратов и подводной навигации, где ошибки практически недопустимы.
Испытание смещения может выполняться двумя способами: четырехточечным перекатывающим испытанием (положения 0°, 90°, 180°, 270°) или двухточечным испытанием (положения 90°, 270°). Испытание масштабного коэффициента может проводиться тремя способами: четырехточечное перекатывающее испытание (0°, 90°, 180°, 270°), двухточечное испытание (90°, 270°) и вибрационное испытание. В данной статье в качестве примера используется четырехточечный метод перекатывания для объяснения того, как получить смещение и масштабный коэффициент датчика ускорения.
1. Методы испытания смещения и масштабного коэффициента
a) Установите акселерометр на специальный испытательный стенд (многошлицевую индексационную головку).
b) Запустите испытательный стенд.
c) Поверните стенд по часовой стрелке в положение 0°, стабилизируйте его и зарегистрируйте выход нескольких наборов данных испытуемого изделия с заданной частотой дискретизации. В качестве результата измерения примите среднее арифметическое.
d) Поверните стенд по часовой стрелке в положение 90°, стабилизируйте его и зарегистрируйте выход нескольких наборов данных испытуемого изделия с заданной частотой дискретизации. В качестве результата измерения примите среднее арифметическое.
e) Поверните стенд по часовой стрелке в положение 180°, стабилизируйте его и зарегистрируйте выход нескольких наборов данных испытуемого изделия с заданной частотой дискретизации. В качестве результата измерения примите среднее арифметическое.
f) Поверните стенд по часовой стрелке в положение 270°, стабилизируйте его и зарегистрируйте выход нескольких наборов данных испытуемого изделия с заданной частотой дискретизации. В качестве результата измерения примите среднее арифметическое.
g) Поверните стенд по часовой стрелке до 360°, затем против часовой стрелки так, чтобы углы вращения снова соответствовали положениям 270°, 180°, 90° и 0°. После стабилизации зарегистрируйте выход нескольких наборов данных испытуемого изделия с заданной частотой дискретизации и примите среднее арифметическое как результат измерения.
h) Рассчитайте смещение и масштабный коэффициент испытуемого изделия по формулам (1) и (2), приведенным ниже.
K0 = 
-------------------------------------- (1)
K1 = 
-------------------------------------- (2)
Где:
K0 ------- Смещение
K1 ------- Масштабный коэффициент
------- Общее среднее значение прямых и обратных показаний в положении 0°
----- Общее среднее значение прямых и обратных показаний в положении 90°
--- Общее среднее значение прямых и обратных показаний в положении 180°
--- Общее среднее значение прямых и обратных показаний в положении 270°
2. Метод испытания температурной чувствительности смещения и масштабного коэффициента
a) Запустите испытательный стенд.
b) Вычислите смещение и масштабный коэффициент в каждой температурной точке по формулам (1) и (2) при комнатной температуре, при верхнем пределе рабочей температуры акселерометра и при нижнем пределе рабочей температуры.
c) Рассчитайте температурную чувствительность акселерометра по формулам (3) и (4), приведенным ниже.
---------------------(3)
где:
---- Температурная чувствительность смещения
---- Смещение при верхней предельной температуре датчика
---- Смещение датчика при комнатной температуре
----- Смещение при нижней предельной температуре датчика
------ Верхний предел температуры
------ Комнатная температура
------- Нижний предел температуры
---------------------(4)
Где:
---- Температурная чувствительность масштабного коэффициента
------ Масштабный коэффициент
---- Масштабный коэффициент при верхней предельной температуре датчика
---- Масштабный коэффициент датчика при комнатной температуре
----- Масштабный коэффициент при нижней предельной температуре датчика
------ Верхний предел температуры
------ Комнатная температура
------- Нижний предел температуры
