摆式加速度计零偏测量中安装误差的分析

　　0　引　言

　　惯性传感器是惯性导航系统的重要组成部分,其观测精度直接关系到导航系统的精度。作为一种惯性传感器,摆式加速度计以其结构简单、便于加工和可靠性好等特点得到了广泛的应用^[1~3]。摆式加速度计在输入加速度为0时,其输出信号一般并不为0(理想情况下应该为0),这时的输出信号称为零偏。零偏的大小受到机械部分和检测电路部分两方面的影响,它随时间、环境温度等因素的变化而变化,是影响惯性传感器测量精度的重要因素^[4]。因此,在惯性传感器研制过程中,必须对其零偏进行精确测量。如何提高零偏测量的精度对高精度惯性传感器的研制具有重要意义^[5~7]。

　　利用重力加速度在摆式加速度计敏感方向的分量作为输入量,进行加速度计翻滚测试,可以测量加速度计的各项静态性能指标,如,零偏、标度因子、非线性系数、交叉耦合系数等。在实验中,通常利用分度头来获得重力加速度的各种分量,从而对加速度计的性能指标进行测量,方法有两点法、四点法等^[8,9]。无论采用哪种方法,测量误差按照来源都可分为输入加速度的误差(加速度计的输入轴相对于重力加速度方向的定位误差)和输出测量系统带来的误差。

　　通过选取高精度的测量工具可以减小输出测量误差,因而,输入加速度的误差便成为主要的误差来源。输入加速度的误差主要取决于加速度计与分度头盘面的安装误差、分度头的分度误差、加速度计的正交耦合效应引起的误差等^[9]。

　　本文针对安装误差这一重要误差来源,详细讨论了其对摆式加速度计零偏测量结果的影响。

　　1　摆式加速度计零偏的测量

　　摆式加速度计敏感部分的结构示意图如图1所示,图中,质量为m的方块代表检验质量,该检验质量由柔软的簧片与框架相连,构成一个摆式敏感振子。位置1为输入零位,即输入加速度为0时检验质量所处的位置;位置2为输出零位,即输出信号为0时检验质量所处的位置;位置3为由摆轴和框架侧边所确定的参考平面。在敏感方向输入加速度较小的情况下,检验质量相对输出零位的偏角很小,其输出与该偏角成正比,因此,本文讨论的以检验质量相对输出零位的偏角θ作为加速度计的输出。显然,位置1(输入零位)和位置2(输出零位)之间的夹角θ_⁰便代表了加速度计的机械零偏。

　　摆式加速度计的零偏测量方法有多种,其中,两点法是一种较为常用的方法,其基本原理是:首先,使加速度计敏感振子处于正摆状态(簧片在上,重力回复系数为正),然后,将分度头旋转180°,使之处于倒摆状态(簧片在下,重力回复系数为负),反复调整多次直到2个状态下的输出相等,这时的输出即为零偏_^[8,9]。正倒摆四点法_^[10]是一种新的测量零偏的方法,该方法不需要反复调整分度头,具有简单方便、快速、实用性强等优点。