一体化三轴线加速度计静态标定方法的研究

　　加速度作为描述物体运动状态的一个重要物理量, 被广泛应用于社会生产实践的诸多方面, 如航空航天、军事、医疗、体育与文化娱乐、机械工程等。而对加速度信号的获取主要是通过相应的加速度传感器来实现的。早期的加速度传感器只能实现单维的线加速度或角加速度的测量; 随着传感技术、半导体技术、计算机技术等发展, 能实现多维加速度测量的传感器、尤其是各种三维线加速度计已见诸报端并趋于成熟, 其性能也有了很大提高。

　　另方面, 由于三维线加速度计结构上的特殊性等, 使得对其标定及性能测试较为困难; 且关于这方面的研究报道很少。而至今, 国内外仍未建立统一的三维线加速度计标定测试标准。从仅有的几篇文献上看, 仍主要借助于单维线加速度计的标定方法, 在对测试设备进行相关的改进后, 在重力场中, 通过翻滚试验、离心机试验或振动试验等方法来实现对三维线加速度计标定。如文献[ 1] 借助一个精密的直角标定架, 实现振动台在x, y, z 三个方向的激振, 进而采用比对法对一种三维组合压组式低频加速度传感器进行了标定。文献[ 2] 介绍了一种国外对三轴加速度计组传感器实现标定的方法,其将传感器安装在一精密的双轴转台系统上, 测试结果相当精确。前者要求有精密直角架, 并能被准确地安装在振动台上; 后者的转台系统非常精密与复杂, 加速度计的安装也很复杂。

　　本文结合近年来, 中国科学院合肥智能机械研究所机器人传感器实验室研制成功的一种基于厚膜技术E 型一体化三维线加速度传感器及相关研究工作, 从加速度计结构、性能及特性矩阵分析着手, 就其在重力场中进行静态标定的原理方法、标定的数学模型等进行理论推导与实验研究, 为后续三维加速度计动态性能分析、为三维加速度计乃至更多维加速度计的标定、测试提供分析方法与理论依据。

　　1 E 型三维加速度传感器结构与原理

　　此E 型三维加速度传感器采用特殊的组桥方式来实现对三维加速度信息的检测。

　　基本结构: 传感器由外壳( 陶瓷基体与之固接在一起) 、谐振质量块、采用厚膜技术烧结在陶瓷基体上的敏感单元3 个部分构成, 其侧视图形状类似E 字母, 如图1( a) 所示。其敏感单元共12 个分成3组; 其中有两组互相垂直, 用来检测x、y 轴向加速度, 第三组与此两组相交成45 度, 用来检测对z 轴向加速度, 如图1( b) 所示。

　　加速度信号获取原理: 将传感器固定于被测对象, 则当测试对象沿z 向存在加速运动时, 由于质量块保持惯性, 而使得陶瓷基片受力发生变形, 导致z 向敏感单元所组成的惠斯通电桥有输出, 变形图见图1( c) 。其沿x 向存在加速运动时, 陶瓷基片也会受力发生变形, 并导致x 向有输出; 由于y 与x向具有一定对称性, y 向的情况类似于x 向, 见图1( d) 。