CN116699177A - 一种加速度计性能测试装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加速度计性能测试装置、方法及系统，属于高精度惯性传感器测试技术领域。本发明基于四线摆主动隔振系统，可减小地面振动噪声对摆台残余振动的影响，为待测加速度计提供水平方向10^‑9m/s²量级低噪声的测试环境。本发明利用位移监测仪器记录摆台水平位移变化，经校准可作为理论输入，与待测加速度计在标定方向上的实测加速度数据进行幅值谱对比，并通过改变注入电磁激励信号的幅值和频率，得到待测加速度计的性能测试结果，实现高精度加速度计0.1Hz～1Hz频段水平轴10^‑9m/s²量级的分辨率测试和灵敏度标定，还具有可提供低噪声环境、可实现加速度计不同频率加速度响应测量等优点。

Description

一种加速度计性能测试装置、方法及系统

技术领域

本发明属于高精度惯性传感器测试技术领域，更具体地，涉及一种加速度计性能测试装置、方法及系统。

背景技术

高精度空间静电加速度计分辨率通常在10^-9m/s²以上，在国内外卫星重力测量等计划中作为重要载荷已有多次成功应用，更高精度空间惯性传感器研究已成为空间科学领域的重要研究任务之一。在地面对高精度静电加速度计的功能性能进行全面的测试是其在轨应用前必不可少的步骤，其中高压悬浮测试方法采用静电力平衡加速度计检验质量的重力，是其地面测试中的一种重要方法，可用于对加速度计水平轴的分辨率和灵敏度等性能进行测试和验证。

传统的加速度计分辨率测试和灵敏度标定方法对10^-9m/s²乃至更高精度的加速度计已经不再适用，而高精度空间静电加速度计高压悬浮实验的性能测试水平常受限于地面振动等因素。因此，为进一步提高加速度计主要性能参数的测试与评估水平，需要改进现有加速度计性能测试方法，提供低振动噪声的测试平台，完成对加速度计的功能检验、水平轴分辨率测试及灵敏度系数标定，将对空间惯性传感器地面测试及其在卫星重力测量等领域的应用提供重要支撑。此外，MEMS加速度计、微震仪、重力仪等惯性传感器，其分辨率和灵敏度等性能测试也依赖于高性能的隔振装置和标定测试系统。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种加速度计性能测试装置、方法及系统，旨在解决传统的加速度计分辨率测试和灵敏度标定方法对10^-9m/s²乃至更高精度的加速度计已经不再适用的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种加速度计性能测试装置，包括：支撑框架、四根等长悬线、隔振平台、若干运动传感器、主动隔振控制器、驱动控制器、若干电磁驱动器和位移监测仪器；

所述悬线的一端与支撑框架上的横梁固定，另一端与隔振平台连接，用于悬吊隔振平台，其长度能确保四线摆可沿水平两个平动自由度方向进行运动；

所述隔振平台台面中央位置上固定放置待测加速度计；

所述若干运动传感器，用于获取隔振平台的绝对速度信息，输出至主动隔振控制器；

所述主动隔振控制器，用于根据隔振平台的绝对速度信息，产生主动隔振控制信号，再通过信号调理电路产生相应的电流，输出至电磁驱动器；

所述驱动控制器，用于产生幅值为A、标定所需频率为f_a的正弦电压信号，并通过信号调理电路产生相应的电流，输出至电磁驱动器；

所述若干电磁驱动器，用于首先接收主动隔振控制器产生的电流，形成用于减小隔振平台振动程度的反馈力，待隔振平台隔振进入最佳状态后，接收驱动控制器产生的电流，并基于磁力传动原理形成标定所需频率f_a的电磁驱动力，驱动隔振平台沿标定方向产生平动位移变化；

所述位移监测仪器，用于监测并记录隔振平台在水平两个平动自由度方向上的位移数据；

所述支撑框架、四根等长悬线和隔振平台共同构成被动隔振结构，并与所述运动传感器、主动隔振控制器和电磁驱动器共同构成主动隔振系统，使得隔振系统具备0.1～10Hz频段水平方向地面振动噪声隔振功能。

优选地，所述电磁驱动器包括：安装于隔振平台台面上的永磁铁和沿永磁铁方向且安装在地面固连基座上的电磁线圈。

优选地，所述若干个电磁驱动器包括：

第一电磁驱动器，位于隔振平台的东西轴线上，控制隔振平台的东西方向平动自由度运动；

第二电磁驱动器和第三电磁驱动器，对称布置于隔振平台的南北轴线两侧，共同实现隔振平台的南北方向平动自由度运动和转动自由度运动的同时控制。

优选地，所述装置还包括：磁屏蔽罩；

所述磁屏蔽罩将电磁驱动器进行覆盖，用于屏蔽电磁驱动器对待测加速度计产生的磁场干扰或磁泄露。

为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种加速度计性能测试方法，应用于第一方面所述的加速度计性能测试装置，该方法包括：

待隔振平台隔振进入最佳状态、待测加速度计输出数据稳定后，获取相同时间段位移监测仪器和待测加速度计的输出数据；

对位移监测仪器的输出数据进行差分处理，得到隔振平台的平动加速度信号，进一步对该信号进行幅值谱计算，作为加速度理论输出幅值；

将理论加速度与待测加速度计在标定方向上的实测加速度进行幅值谱对比，判断是否在误差范围内吻合，得到待测加速度计的分辨率测试结果。

优选地，该方法还包括：

通过对不同幅值电磁激励信号下待测加速度计和位移监测仪器的响应加速度幅值谱进行线性拟合，得到待测加速度计的灵敏度标定结果。

优选地，该方法还包括：

通过改变注入电磁激励信号的频率，对待测加速度计的传递函数或者低频响应特性进行分析。

为实现上述目的，第三方面，本发明提供了一种加速度计性能测试系统，包括：如第一方面所述的加速度计性能测试装置、存储器和处理器；

所述存储器，用于存储计算机程序和执行指令；

所述处理器，用于执行所述计算机执行指令，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得第二方面所述的方法被执行。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供了一种加速度计性能测试装置，基于四线摆主动隔振系统，可减小地面振动噪声对摆台残余振动的影响，为待测加速度计提供水平方向10^-9m/s²量级低噪声的测试环境。采用无接触式的电磁驱动器，可在摆台水平两个平动自由度方向提供电磁激励信号。此外，相比于接触式驱动器会阻碍隔振摆台的自由运动从而影响系统性能，无接触式驱动器干扰较小，且具有输出量程较大和无滞后现象的特点，更适用于精密测量领域的主动隔振系统。

(2)本发明提供了一种加速度计性能测试方法，利用位移监测仪器记录摆台水平位移变化，经校准可作为理论输入，与待测加速度计在标定方向上的实测加速度数据进行幅值谱对比，最终可通过改变注入激励信号的幅值和频率，对待测加速度计进行性能测试，实现高精度加速度计0.1Hz～1Hz频段水平轴10^-9m/s²量级的分辨率测试和灵敏度标定，还具有可提供低噪声环境、可实现加速度计不同频率加速度响应测量等优点。

附图说明

图1是本发明提供的一种高精度加速度计性能测试装置结构示意图。

图2是本发明提供的一种高精度加速度计性能测试装置主视图。

图3是本发明提供的一种加速度计性能测试方法流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-支撑框架；2-悬线；3-隔振平台；4-运动传感器；5-控制器；6-电磁驱动器；7-位移监测仪器；8-待测加速度计；9-数据处理系统；10-磁屏蔽罩；51-主动隔振控制器；52-驱动控制器；53-信号调理电路；61-永磁铁；62-地面固连基座；63-电磁线圈；91-数据处理模块；92-结果显示模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明提供一种高精度加速度计性能测试装置，包括：支撑框架1、四根等长悬线2、隔振平台3、若干运动传感器4、控制器5、若干电磁驱动器6、位移监测仪器7、待测加速度计8、数据处理系统9和磁屏蔽罩10。

支撑框架1放置于平整地面上，所述悬线2上方与支撑框架1的横梁进行固定(螺丝和连接板)，下方与隔振平台3的连接板连接(钢丝绳夹紧装置)，对隔振平台进行悬吊。所述隔振平台3的台面上分别放置第一运动传感器、第二运动传感器和待测加速度计8，所述第一运动传感器、第二运动传感器对称放置于待测加速度计8的两侧，第三运动传感器放置于隔振平台3附近的地面上，其信号输出端与数据处理系统9的信号输入端相连接。所述控制器5的信号输出端与电磁驱动器6的信号输入端相连接，所述电磁驱动器6的信号输出端与隔振平台3的信号输入端相连接，所述位移监测仪器7的信号输出端与数据处理系统9的信号输入端相连接，所述待测加速度计8固定于隔振平台3台面的中央位置，其信号输出端与数据处理系统9的信号输入端进行连接。所述磁屏蔽罩10位于隔振平台两侧且覆盖电磁驱动器6部分，用于屏蔽其对待测加速度计8等所产生的磁场干扰或磁泄露等，但为磁力传动过程留有空间，最终通过数据处理系统9计算分析得到最终的分辨率测试和灵敏度标定结果。

具体地，如图1和图2所示，所述支撑框架1、等长悬线2与隔振平台3组成基于单摆模型的两轴平动四线摆结构。所述隔振平台3为光学平台。悬线足够长，以使四线摆可沿水平两个平动自由度方向进行运动，且具备0.1～10Hz频带水平方向地面振动噪声隔振功能，隔振性能由隔振平台台面上残余振动加速度噪声谱密度与隔振平台所在地点附近地面在同时间段内的振动加速度噪声谱密度之比决定。水平两个平动自由度方向是指水平y和z两个方向，分别对应于东西和南北平面方向。

所述运动传感器4的数量为三个，包括对称放置于待测加速度计8两侧以及隔振平台附近地面上的微震仪(要求噪声功率谱密度达到10^-10m/s²/Hz^1/2量级)，可实时记录隔振平台上的残余振动加速度噪声及隔振平台附近地面的振动数据，最终给出隔振平台3上的残余振动加速度噪声谱曲线及其对地面振动的隔振率等信息。利用两台对称放置的微震仪，一方面通过共模可以验证加速度计的平动自由度读出数据，另一方面通过差模可以验证加速度计的扭转自由度读出数据。平衡隔振平台的质心使其尽量与几何中心重合，便于获取正确的扭转信号。

所述控制器5包括主动隔振控制器51、驱动控制器52和信号调理电路53。主动隔振控制器51用于根据隔振平台的绝对速度信息，产生主动隔振控制电压信号。驱动控制器52提供一个单频的正弦输入信号作为驱动电压信号，该信号的幅值和频率可根据性能测试需要进行改变。信号调理电路53接收到电压信号后产生电流。

所述电磁驱动器6包括安装于四线摆隔振平台台面上的永磁铁61和沿永磁铁61方向且安装在地面固连基座62上的电磁线圈63。所述电磁驱动器6主要基于磁力传动原理来进行工作，当电磁线圈63被通入电流时，永磁铁61和电磁线圈63之间就会产生力的作用，通过改变电流的方向可实现两者推力和吸引力的切换，从而使隔振平台3产生相应的位移，位于隔振平台上的待测加速度计8因此也同样产生水平方向的位移，输出加速度信号。电磁驱动器6具有工作频带宽、精度高、响应速度快、输出力大和位移大的特点，非常适用于低频范围内的精密测量实验。本实施例中，使用尺寸更小的圆柱形永久磁铁，其直径为10mm，长度为12mm，从而将磁铁与线圈的间隙增大到3.5mm。

所述位移监测仪器7用于对隔振平台3进行位移监测，包括但不限于激光干涉仪、自准直仪等。

所述待测加速度计8输出水平轴加速度信号。

所述数据处理系统9包括数据处理模块91和结果显示模块92。所述数据处理模块91用于对位移监测仪器7的输出数据进行差分计算，并对待测加速度计8和隔振平台平动加速度进行数据处理；所述结果显示模块92用于显示待测加速度计8和位移监测仪器7的数据处理结果。

所述磁屏蔽罩10位于隔振平台两侧，与地面固连基座62相连，覆盖住永磁铁61、地面固连基座62和电磁线圈63，并为磁力传动过程留有空间，其表面覆盖磁屏蔽材料，用于屏蔽电磁驱动器对待测加速度计等所产生的磁场干扰或磁泄露等。

整个性能测试装置的工作过程具体如下：首先基于主动隔振系统提供低噪声的测试环境，然后由控制器5中的驱动控制器52提供一个单频的正弦输入信号作为驱动电压信号，信号调理电路53接收到该信号后产生电流，当电磁线圈63被通入电流时，永磁铁61和电磁线圈63之间就会产生力的作用，通过改变电流的方向可实现两者推力和吸引力的切换，使隔振平台可在水平两个平动自由度方向上产生位移变化。一方面利用位移监测仪器7对隔振平台3的位移数据进行监测，经位置校准可计算作为理论输入；另一方面，待测加速度计8输出水平轴加速度信号，最终通过数据处理系统9对位移监测仪器7的输出数据进行差分处理，并对待测加速度计8和隔振平台平动加速度进行幅值谱分析、误差计算和线性拟合，基于结果显示模块92显示待测加速度计8和位移监测仪器7的分辨率测试和灵敏度标定结果。

如图3所示，本发明提供了一种加速度计性能测试方法，包括以下步骤：

S1、实验前先利用电流激励法对电磁驱动器的执行力灵敏度系数进行标定。

将永磁铁固定在测力计下端，电磁线圈固定在螺旋侧摇机台底座上，通过调节机台旋钮可以使测力计上下移动，从而改变永磁铁和线圈之间的距离。用直流稳压电源为线圈提供电流，分别记录电源关闭和打开时测力计的示数，根据示数差，可以得到磁铁和线圈在特定距离下组成的电磁驱动器的执行力灵敏度系数。

S2、开始实验，将待测加速度计放置于隔振平台的中央位置，利用隔振平台进行地面主动隔振，提供低振动噪声的测试环境。

首先打开待测加速度计的电源开关，观察数据处理系统接收到的加速度计输出数据，随后打开主动隔振控制开关，等待隔振平台进一步提升隔振性能，稳定约8～12小时(视当时地面振动条件)。

S3、待隔振平台隔振进入最佳状态、待测加速度计输出数据稳定后，通过驱动控制器注入正弦驱动电压(幅值为A mV、频率为f_a Hz)，利用与四线摆隔振平台台面固连的永磁铁与台面外的电磁线圈，产生标定所需频率f_a的电磁驱动力，使隔振平台在标定方向上产生平动的位移变化。

首先根据待测加速度计测试所需要的加速度输入a，然后乘以隔振平台和台面上放置物体的总质量M，得到标定所需的电磁驱动力F＝M×a，然后根据电磁驱动力F＝k×(H_vccs×V)得到标定所需要的电磁驱动电压的大小，其中，H_vccs为压控电流源单元的传递函数，I＝H_vccs×V为经过信号调理电路之后产生的电流，电磁驱动器的执行力灵敏度系数为kN/A，V是标定所需要的电磁驱动电压。此外，还可以根据需要测试不同频率点(如f_b、f_c Hz等)的加速度响应。

S4、同时记录位移监测仪器和待测加速度计的输出数据。

S4的具体步骤包括：

S41、利用位移监测仪器监测隔振平台位移变化，对该位移数据进行差分处理，得到隔振平台平动的加速度信号作为理论输入。

S42、同时记录待测加速度计水平轴的输出加速度数据。

所述S4中，隔振平台在电磁力驱动下发生微小的平动位移，位于隔振平台上的待测加速度计输出动态响应加速度数据；同时由位移检测仪器记录隔振平台位移数据，通过对该位移进行差分处理得到隔振平台平动的加速度信号，具体公式如下所示：

S5、分别载入实验过程记录的待测加速度计水平轴输出数据以及隔振平台平动加速度的时域数据，各取一段不小于1000s的相同时间段内数据，利用数据处理系统对其进行FFT，计算公式如下：

式中，N表示数据处理中FFT计算的数据点长度。

然后将FFT之后的各数据点(取前一半数据长度即N/2)的对应模值除以N/2，得到信号的实际幅值，根据Δf＝F_s/N得到对应幅值的频谱分辨率。

S6、分别绘制位移监测仪器和待测加速度计在标定频率f_a处响应加速度信号的幅值谱曲线，判断标定频率f_a处是否存在峰值，得到信号的幅值大小。

S7、按频率稳定性1％的精度进行误差计算，取幅值谱中频率范围为f_a×(1±1％)Hz(扣除f_a处对应信号幅值)的噪声幅值的平均值作为幅值谱的误差，得到待测加速度计和隔振平台平动加速度的幅值谱误差结果。

所述S5～S7均在数据处理系统中完成。

S8、改变注入的正弦驱动电压(幅值依次为B、C、D、E mV，对应频率均为f_a Hz)，产生对应不同幅值激励信号的电磁驱动力，并重复S5～S7步骤。

所述S8中，通过驱动控制器改变激励信号幅值大小(注入幅值分别可为B、C、D、EmV、频率均为f_a Hz)，检测待测加速度计水平方向的响应。

S9、按照分辨率测试的计量规范，在误差范围内对比待测加速度计响应的加速度和位移监测仪器监测得到的隔振平台平动加速度的幅值谱，并对不同激励信号幅值下的响应结果进行线性拟合，最终得到待测加速度计的分辨率测试和灵敏度标定结果。

所述S9中，加速度计的误差范围是指待测加速度计的实测输出幅值与理论输出幅值之比应在50％～150％范围内。

在本方法中，位移监测仪器监测隔振平台的位移变化，经差分处理可得到隔振平台的平动加速度信号，进一步对该信号进行幅值谱计算，作为加速度的理论输出幅值。在误差范围内对比待测加速度计响应加速度和位移监测仪器监测得到的隔振平台平动加速度的幅值谱，得到待测加速度计的分辨率测试水平；通过对不同幅值电磁激励信号下待测加速度计和位移监测仪器的响应加速度幅值谱进行线性拟合，得到待测加速度计的灵敏度标定结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种加速度计性能测试装置，其特征在于，包括：支撑框架、四根等长悬线、隔振平台、若干运动传感器、主动隔振控制器、驱动控制器、若干电磁驱动器和位移监测仪器；

所述悬线的一端与支撑框架上的横梁固定，另一端与隔振平台连接，用于悬吊隔振平台，其长度能确保四线摆可沿水平两个平动自由度方向进行运动；

所述隔振平台台面中央位置上固定放置待测加速度计；

所述若干运动传感器，用于获取隔振平台的绝对速度信息，输出至主动隔振控制器；

所述主动隔振控制器，用于根据隔振平台的绝对速度信息，产生主动隔振控制信号，再通过信号调理电路产生相应的电流，输出至电磁驱动器；

所述驱动控制器，用于产生幅值为A、标定所需频率为f_a的正弦电压信号，并通过信号调理电路产生相应的电流，输出至电磁驱动器；

所述若干电磁驱动器，用于首先接收主动隔振控制器产生的电流，形成用于减小隔振平台振动程度的反馈力，待隔振平台隔振进入最佳状态后，接收驱动控制器产生的电流，并基于磁力传动原理形成标定所需频率f_a的电磁驱动力，驱动隔振平台沿标定方向产生平动位移变化；

所述位移监测仪器，用于监测并记录隔振平台在水平两个平动自由度方向上的位移数据；

所述支撑框架、四根等长悬线和隔振平台共同构成被动隔振结构，并与所述运动传感器、主动隔振控制器和电磁驱动器共同构成主动隔振系统，使得隔振系统具备0.1～10Hz频段水平方向地面振动噪声隔振功能。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁驱动器包括：安装于隔振平台台面上的永磁铁和沿永磁铁方向且安装在地面固连基座上的电磁线圈。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述若干个电磁驱动器包括：

第一电磁驱动器，位于隔振平台的东西轴线上，控制隔振平台的东西方向平动自由度运动；

第二电磁驱动器和第三电磁驱动器，对称布置于隔振平台的南北轴线两侧，共同实现隔振平台的南北方向平动自由度运动和转动自由度运动的同时控制。

4.如权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：磁屏蔽罩；

所述磁屏蔽罩将电磁驱动器进行覆盖，用于屏蔽电磁驱动器对待测加速度计产生的磁场干扰或磁泄露。

5.一种加速度计性能测试方法，应用于权利要求1至4任一项所述的加速度计性能测试装置，其特征在于，该方法包括：

待隔振平台隔振进入最佳状态、待测加速度计输出数据稳定后，获取相同时间段位移监测仪器和待测加速度计的输出数据；

对位移监测仪器的输出数据进行差分处理，得到隔振平台的平动加速度信号，进一步对该信号进行幅值谱计算，作为加速度理论输出幅值；

将理论加速度与待测加速度计在标定方向上的实测加速度进行幅值谱对比，判断是否在误差范围内吻合，得到待测加速度计的分辨率测试结果。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

通过对不同幅值电磁激励信号下待测加速度计和位移监测仪器的响应加速度幅值谱进行线性拟合，得到待测加速度计的灵敏度标定结果。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

通过改变注入电磁激励信号的频率，对待测加速度计的传递函数或者低频响应特性进行分析。

8.一种加速度计性能测试系统，其特征在于，包括：如权利要求1至4任一项所述的加速度计性能测试装置、存储器和处理器；

所述存储器，用于存储计算机程序和执行指令；

所述处理器，用于执行所述计算机执行指令，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得权利要求5至7任一项所述的方法被执行。