一种基于MEMS加速度计的加速度测量方法与流程
本发明涉及加速度测量技术领域，特别是涉及一种基于mems加速度计的加速度测量方法。
背景技术：
从工程应用角度看，在相同精度前提下，元器件的尺寸越小，结构越简单，其应用的优势越明显，能够满足很多特殊环境和应用场合的要求。随着微型制造技术和微机电系统(mems，micro-electro-mechanicsystem)技术的进步，近年来mems加速度计得到快速发展，mems加速度计具有体积小、质量轻、成本低等传统加速度计无可比拟的优点，因此，由mems加速度计为核心的微惯性测量单元，满足了以军事、航天等领域为代表的一大批运载体运动参数测量的迫切需求。
按照目前传统的加速度计的使用方法，mems加速度计仍具有不足之处，即利用mems加速度计测量输入加速度时，难以避免由mems加速度计的加工工艺和应用方式带来的误差。mems加速度计的测量误差大致可分为两类：确定性误差和不确定性误差。其中确定性误差可以利用mwms加速度计测试、标定、建模和补偿等处理方式减小其影响，而不确定性误差的影响则难以消除，例如温度、湿度、电磁、震动等环境因素的影响。环境因素的影响主要体现在对mems加速度计的核心敏感元件和气处理电路的特性的影响，从而影响输入加速度的测量精度。而且环境因素大都不容易准确量化研究，加上误差之间的耦合与叠加，致使总误差缺少规律性，表现为较强的随机性，即便经过严格标准的标定补偿，也很难提高测量精度。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于mems加速度计的加速度测量方法，可以减小mems加速度计测量过程中的不确定误差，提高测量精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于mems加速度计的加速度测量方法，包括：
通过加速度测量实验，筛选出环境敏感特性最接近的两个mems加速度计，作为加速度计差分对；
通过测试与标定实验，确定所述加速度计差分对中的两个所述mems加速度计的环境参数比；
利用所述加速度计差分对中的两个所述mems加速度计测量待测目标的加速度，得到两个测量加速度值；
根据所述两个测量加速度值和环境参数比计算实际加速度。
可选的，所述通过加速度测量实验，筛选出环境敏感特性最接近的两个mems加速度计，作为加速度计差分对，具体包括：
选取多个相同型号、相同加工工艺的mems加速度计组成加速度计集合；
将所述加速度计集合中的mems加速度计分成两组，分别为第一加速度计组和第二加速度计组；
对所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计进行加速度实验，采集每个所述mems加速度计的实验数据；
对每个所述mems加速度计的实验数据进行多项式拟合，得到对应的拟合系数；
将所述第一加速度计组中的每个所述mems加速度计所对应的拟合系数与所述第二加速度计组中的各个所述mems加速度计所对应的拟合系数的进行差分运算，得到最小差分运算结果；
确定所述最小差分运算结果所对应的所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计，组成加速度计差分对。
可选的，所述对所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计进行加速度实验，采集每个所述mems加速度计的实验数据，具体包括：
将所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计安装在离心机的被测轴上；所述第一加速度计组中的所述mems加速度计安装在所述第二加速度计组中的所述mems加速度计的外侧，所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计的检测方向相反且均与所述离心机的被测轴的方向平行；
启动所述离心机，按时间顺序采集各个所述mems加速度计检测到的所述离心机的加速度，得到加速度-时间数据。
可选的，对每个所述mems加速度计的实验数据进行多项式拟合，得到对应的拟合系数，具体包括：
对每个所述mems加速度计检测得到的所述加速度-时间数据按照多项式y(t)＝c0+c1t+c2t2+c3t3+…+cn-1tn-1+cntn进行拟合，得到每个所述mems加速度计所对应的各阶拟合系数；其中c0，c1，c2，…，cn-1，cn为各阶拟合系数，t为时间，y(t)为t时间检测到的加速度。
可选的，所述将所述第一加速度计组中的每个所述mems加速度计所对应的拟合系数与所述第二加速度计组中的各个所述mems加速度计所对应的拟合系数的进行差分运算，得到最小差分运算结果，具体包括：
将所述第一加速度计组中的每个所述mems加速度计分别与所述第二加速计中的各所述mems加速度计建立对应关系，形成多个加速度计对；
在每个所述加速度计对中，将所述第一加速度计组的所述mems加速度计所对应的各阶拟合系数按阶数依次对应除以所述第二加速度计组的所述mems加速度计所对应的各阶拟合系数，得到各加速度计对的各阶拟合系数比值；
在每个所述加速度计中，计算各阶拟合系数比值的方差值，得到各加速度计对的拟合方差值；
选取各加速度计对的拟合方差值中的最小拟合方差值，得到最小差分运算结果。
可选的，所述通过测试与标定实验，确定所述加速度计差分对中的两个所述mems加速度计的环境参数比，具体包括：
将所述加速度计差分对中的两个所述mems加速度计安装在所述离心机的被测轴上；所述第一加速度计组中的所述mems加速度计安装在所述第二加速度计组中的所述mems加速度计的外侧，所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计的检测方向相反且均与所述离心机的被测轴的方向平行；
启动所述离心机，并对所述离心机的加速度进行控制，使所述离心机的输出加速度为设定加速度；
采集所述加速度计差分对中的两个所述mems加速度计检测到的加速度；
根据公式
可选的，所述根据所述两个测量加速度值和环境参数比计算实际加速度，具体包括：
利用公式
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过实验筛选出实验结果最接近的两个mems加速度计组成加速度计差分对，从而能够得到环境敏感特性相似的两个mems加速度计，采用这两个mems加速度计测量加速度时，通过运算可以极大地削弱环境因素对测量造成的误差，大大提高了加速度的测量精度，并将目前难度很大的通过改善mems加速度计加工工艺的来提高加速度精度的问题，转化为难度不大的通过提高两个mems加速度计环境敏感性的相似性的方法来提高mems加速度计精度的问题，降低了解决问题的难度和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于mems加速度计的加速度测量方法实施例一的方法流程图；
图2为本发明基于mems加速度计的加速度测量方法实施例一的筛选加速度计差分对的方法流程图；
图3为本发明基于mems加速度计的加速度测量方法实施例二的加速度测量实验时的mems加速度计安装结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
图1为本发明基于mems加速度计的加速度测量方法实施例一的方法流程图。
参见图1，该基于mems加速度计的加速度测量方法，包括：
步骤101：通过加速度测量实验，筛选出环境敏感特性最接近的两个mems加速度计，作为加速度计差分对；
步骤102：通过测试与标定实验，确定所述加速度计差分对中的两个所述mems加速度计的环境参数比；
步骤103：利用所述加速度计差分对中的两个所述mems加速度计测量待测目标的加速度，得到两个测量加速度值；
步骤104：根据所述两个测量加速度值和环境参数比计算实际加速度。
图2为本发明基于mems加速度计的加速度测量方法实施例一的筛选加速度计差分对的方法流程图。
参见图2，所述步骤101：通过加速度测量实验，筛选出环境敏感特性最接近的两个mems加速度计，作为加速度计差分对，包括：
步骤1011：选取多个相同型号、相同加工工艺的mems加速度计组成加速度计集合；
步骤1012：将所述加速度计集合中的mems加速度计分成两组，分别为第一加速度计组和第二加速度计组；
步骤1013：对所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计进行加速度实验，采集每个所述mems加速度计的实验数据；该步骤1013具体包括：
将所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计安装在所述离心机的被测轴上；所述第一加速度计组中的所述mems加速度计安装在所述第二加速度计组中的所述mems加速度计的外侧，所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计的检测方向相反且均与所述离心机的被测轴的方向平行；
启动所述离心机，按时间顺序采集各个所述mems加速度计检测到的所述离心机的加速度，得到加速度-时间数据。
步骤1014：对每个所述mems加速度计的实验数据进行多项式拟合，得到对应的拟合系数；该步骤具体包括：
对每个所述mems加速度计检测得到的所述加速度-时间数据按照多项式y(t)＝c0+c1t+c2t2+c3t3+…+cn-1tn-1+cntn进行拟合，得到每个所述mems加速度计所对应的各阶拟合系数；其中c0，c1，c2，…，cn-1，cn为各阶拟合系数，t为时间，y(t)为t时间检测到的加速度。
步骤1015：所述将所述第一加速度计组中的每个所述mems加速度计所对应的拟合系数与所述第二加速度计组中的各个所述mems加速度计所对应的拟合系数的进行差分运算，得到最小差分运算结果；该步骤具体包括：
将所述第一加速度计组中的每个所述mems加速度计分别与所述第二加速计中的各所述mems加速度计建立对应关系，形成多个加速度计对；
在每个所述加速度计对中，将所述第一加速度计组的所述mems加速度计所对应的各阶拟合系数按阶数依次对应除以所述第二加速度计组的所述mems加速度计所对应的各阶拟合系数，得到各加速度计对的各阶拟合系数比值；
在每个所述加速度计中，计算各阶拟合系数比值的方差值，得到各加速度计对的拟合方差值；
选取各加速度计对的拟合方差值中的最小拟合方差值，得到最小差分运算结果；所述环境敏感特性相近是指所述mems加速度计的各阶拟合系数比值的方差值最小。
步骤1016：确定所述最小差分运算结果所对应的所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计，组成加速度计差分对。
步骤102，具体包括：
将所述加速度计差分对中的两个所述mems加速度计安装在离心机的被测轴上；所述第一加速度计组中的所述mems加速度计安装在所述第二加速度计组中的所述mems加速度计的外侧，所述第一加速度计组中的所述mems加速度计和所述第二加速度计组中的所述mems加速度计的检测方向相反且均与所述离心机的被测轴的方向平行；
启动所述离心机，并对所述离心机的加速度进行控制，使所述离心机的输出加速度为设定加速度；
采集所述加速度计差分对中的两个所述mems加速度计检测到的加速度；
根据公式
步骤104，具体包括：
利用公式
本发明通过实验，筛选出实验结果最接近的两个mems加速度计组成加速度计差分对，从而能够得到环境敏感特性相似的两个mems加速度计，采用这两个mems加速度计测量加速度时，通过运算可以极大地削弱环境因素对测量造成的误差，大大提高了加速度的测量精度，并将目前难度很大的通过改善mems加速度计加工工艺的来提高加速度精度的问题，转化为难度不大的通过提高两个mems加速度计环境敏感性的相似性的方法来提高mems加速度计精度的问题，降低了解决问题的难度和成本。
实施例二：
首先，选取ω(ω≥2)个相同型号、相同加工工艺的mems加速度计组成加速度计集合。
然后将加速度计集合中的mems加速度计分成两组，分别为第一加速度计组和第二加速度计组；第一加速度计组中的mems加速度计的数量为s个，第二加速度计组中的mems加速度计的数量为t个。
图3为本发明基于mems加速度计的加速度测量方法实施例二的加速度测量实验时的mems加速度计安装结构图。
参见图3，将第一加速度计组中的s个mems加速度计1和第二加速度计组中的t个mems加速度计2均通过安装工件3安装在离心机4上；其中第一加速度计组中的s个mems加速度计1安装在所述第二加速度计组中的t个mems加速度计2的外侧。第一加速度计组中的s个mems加速度计1和第二加速度计组中的t个mems加速度计2的检测方向与离心机4的被测轴的方向平行，第一加速度计组中的s个mems加速度计1的检测方向水平向外，第二加速度计组中的t个mems加速度计2的检测方向水平向内。
启动离心机4，按时间t的顺序采集各个mems加速度计检测到的加速度实验数据y(t)，并按多项式y(t)＝c0+c1t+c2t2+c3t3+…+cn-1tn-1+cntn进行拟合，得到每个mems加速度计的各阶拟合系数c0，c1，c2，…，cn-1，cn；
将第一加速度计组中的每个mems加速度计分别与第二加速计中的各mems加速度计建立对应关系，形成s×t个加速度计对；
在每个加速度计对中，用第一加速度计组的mems加速度计的0～n阶拟合系数按阶数对应除以第二加速度计组的mems加速度计的0～n阶拟合系数，得到各阶拟合系数比值，并计算各阶拟合系数比值的方差值，得到各加速度计对的拟合方差值；
确定最小的拟合方差值，将所述最小拟合方差值对应的加速度计对作为加速度计差分对；
通过测试与标定试验实验，确定加速度计差分对中的两个mems加速度计的环境参数比。按照图3的结构关系将加速度计差分对中的两个mems加速度计安装在离心机4上，同时获取离心机4的输出加速度at、加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计检测到的加速度值a1、加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计检测到的加速度值a2，根据mems加速度计的工作原理，加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计的输入输出关系可表示为：
其中i表示确定性误差的序号，i＝1,2,…,n；n表示确定性误差的数量；λ1wi表示加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计的第i个确定性误差系数；w1i表示加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计的第i个确定性误差；λ1表示加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计的标度因数；λ1d表示加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计的不确定性总误差项系数；u1为加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计的不确定误差项影响量总和；g1为加速度计差分对中的位于外侧的mems加速度计的量测噪声。
加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计的输入输出关系可表示为：
其中λ2wi表示加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计的第i个确定性误差系数；w2i表示加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计的第i个确定性误差；λ2表示加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计的标度因数；λ2d表示加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计的不确定性总误差项系数；u2为加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计的不确定误差项影响量总和；g2为加速度计差分对中的位于内侧的mems加速度计的量测噪声。
在实验过程中，加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计和加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计在空间位置上很接近，同时有固定连接在同一个被测轴上对同一个加速度进行测量，因此可以确定加速度计差分对的两个mems加速度计的环境因素相同，不确定误差项影响量总和u1和u2相同，即可令u1＝u2＝u，则加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计的输入输出关系可表示为：
加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计的输入输出关系可表示为：
为了去除mems加速度计的量测噪声的影响，在离心机4的输出加速度at已知的情况下，取一段时间内m个数据进行平均值运算，可得：
其中a1j表示加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计在第j个采样点检测到的加速度值；a2j表示加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计在第j个采样点检测到的加速度值；g1j表示加速度计差分对中位于外侧的mems加速度计在第j个采样点时的测量噪声；g2j表示加速度计差分对中位于内侧的mems加速度计在第j个采样点时的测量噪声。
定义不确定性总误差系数为环境系数，即：
则环境参数比λbd为：
本发明的该实施例中的量测噪声近似白噪声，其数学期望值近似为零，即：
因此最终确定环境参数比λbd为：
然后利用加速度计差分对对加速度进行测量，并利用环境参数比和测量结果确定实际加速度。
加速度计差分对中的第一加速度计组中的mems加速度计在实际测量中检测到的加速度值为a10，加速度计差分对中的第二加速度计组中的mems加速度计在实际测量中检测到的加速度值为a20，待求的实际加速度为a，则加速度计差分对中的第一加速度计组中的mems加速度计的输入输出关系为：
加速度计差分对中的第二加速度计组中的mems加速度计的输入输出关系为：
已知λ1d＝λbd·λ2d，在上式的两边同时乘以λbd可得：
将上式与第一加速度计组中的mems加速度计的输入输出关系作差可得：
由于u1＝u2＝u，则上式可表示为：
因为λ1d＝λbd·λ2d，则上式可表示为：
则
本发明通过实验筛选出实验结果最接近的两个mems加速度计组成加速度计差分对，从而能够得到环境敏感特性相似的两个mems加速度计，采用这两个mems加速度计测量加速度时，通过运算可以极大地削弱环境因素对测量造成的误差，大大提高了加速度的测量精度，并将目前难度很大的通过改善mems加速度计加工工艺的来提高加速度精度的问题，转化为难度不大的通过提高两个mems加速度计环境敏感性的相似性的方法来提高mems加速度计精度的问题，降低了解决问题的难度和成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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