一种小量程加速度计高精度温度建模方法与流程

1.本发明涉及惯性仪表控制技术领域，特别涉及小量程加速度计高精度温度建模方法。


背景技术：

2.随着航天技术的不断发展，航天器的稳定性、可靠性和使用寿命等要求越来越高。而惯性导航系统在航天器的姿态测量、定位/定向等导航技术中发挥着至关重要的作用，加速度计作为惯性导航系统中测量航天器相对于惯性空间的平移加速度，为实现航天器稳定在轨运行和精确交汇对接提供重要的测量信息，加速度计的测量精度对航天器的稳定运行有着非同小可的意义，而温度对加速度计的测量精度起着决定性的作用。
3.加速度计系统采用石英挠性加速度计+高精度i/f转换电路的方案，加速度计将视加速度信号转换为成比例的电流信号，高精度i/f转换电路将加速度计的电流信号转换为成比例的脉冲信号，以便信号处理与接口电路能够运算和处理。针对全温范围(-10℃～45℃)内加速度计的测量精度优于5
×
10-5
g0,测量范围为-0.1g0～+0.1g0，测量精度高且要求全温范围内精度长期保持，同时加速度计的测量范围给温度建模带来了较大的困难，无法直接利用地面重力加速度对加速度计进行建模，因此现有技术利用传统的大理石平板对加速度计进行标定的方案也不适用，为使加速度计在全温范围内长期保持高精度测量性能，需要研究新的技术方案。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种小量程加速度计高精度温度建模方法，加速度计安装在具有精密温控的结构件上，i/f转换电路安装在底座上，而加速度计和i/f转换电路组成一路加速度测量通道，本发明针对全温范围内加速度的测量精度优于5
×
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g0的要求，提出了在组合级对加速度测量通道的零偏和标度因数均进行温度建模的方案。由于i/f转换电路没有零偏，需要关断温控电路对表头进行零偏建模，另外，在加速度计安装结构件进行精密温控的条件下，对标度因数进行建模，经过温度建模和补偿后，加速度计组件的测量精度得到明显改善，能够满足测量精度的要求。
5.本发明涉及的加速度计精度要求较高，而加速度计通道零偏主要受加速度计温度影响较大，而标度因数受i/f电路温度影响较大，因此分别进行温度建模。通常情况下，对加速度计的温度建模和对i/f的温度建模都是在单表级或单板级进行，但由于单表或单板温度建模时温度传感器粘贴方式、温度场等因素与组合上实际应用环境不完全一样，导致单表或单板级建模模型在组合上的应用效果不是很理想，因此在组合级对加速度计进行温度建模。
6.本发明涉及的加速度计量程只有
±
0.1g0，且三轴斜置，因此加速度计的温度建模在带温箱双轴转台上进行。
7.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
8.一种小量程加速度计高精度温度建模方法，包括对加速度计通道的零偏和标度因数分别进行温度建模，具体步骤如下：
9.将小量程加速度计置于带温箱双轴转台上；
10.开启加速度计的温控后，对标度因数进行温度建模：采用梯度建模方法，双轴转台的温箱设置不同的温度并分别保温一段时间后，依次使小量程加速度计的三个加速度通道分别在第一预置角位置下进行测试，得到不同温度下加速度计正负通道脉冲数随温度变化数据，然后获得不同温度下的标度因数，进行三阶拟合得到标度因数温度模型；
11.关掉加速度计的温控后，对零偏进行温度建模：双轴转台温箱设置不同的温度并分别保温一段时间后，依次使小量程加速度计的三个加速度通道分别在第二预置角位置下进行测试，得到不同温度下正负通道脉冲数随温度变化数据；假设加速度通道标度因数不变，将不同温度下正负通道脉冲数与开启温控时某一温度下的正负通道脉冲数进行做差比较，然后进行三阶拟合，得到不同环境温度下的加速度通道零偏随加表组件温度变化的模型。
12.本发明一实施例中，对标度因数进行温度建模时，转台温箱的温度从高到低，再从低到高，每次间隔数度，保温数小时后进行角位置试验。
13.本发明一实施例中，对标度因数进行温度建模时，在温控开启、角位置不变状态下，加速度计输出电流i不变，则加速度通道标度因数不变，所以不同温度下加速度通道的输出n即反映了i/f电路的标度因数随温度变化的规律。
14.本发明一实施例中，对标度因数进行温度建模时，将不同温度下1个采样周期内加速度通道输出的脉冲数与常温标定时1个采样周期内加速度通道输出的脉冲数相除再乘以常温标定得到的标度因数，即可得到不同温度下的标度因数。
15.本发明一实施例中，对零偏进行温度建模时，转台温箱的温度从高到低，再从低到高，每次间隔数度，保温数小时后进行角位置试验。
16.本发明一实施例中，惯性导航装置上有三个加速度敏感轴，三轴之间成斜置正交关系，加速度计均匀分布于半锥角为54.7356
°
的圆锥体侧面，底面投影120
°
均匀分布。
17.一种小量程加速度计高精度温度建模方法，包括对加速度计通道的零偏和标度因数分别进行温度建模；具体步骤如下：
18.步骤1、利用带温箱双轴转台，在加速度计开启温控的前提下，对标度因数进行建模，设置不同的温度点，在每个温度点下分别选定加速度计敏感轴，并设定两个预设角位置进行建模试验，得到标度因数建模试验数据；
19.步骤2、对标度因数建模试验数据进行拟合，得到选定加速度计敏感轴的输出与i/f电路温度的三阶模型；
20.步骤3、将常温标定时的温度带入步骤2中的三阶模型，得到对应的拟合值；
21.步骤4、将步骤3中常温标定温度和拟合输出插入到步骤2中的建模试验数据中；
22.步骤5、计算步骤4中不同温度点下输出与常温标定拟合输出的比例，将该比例乘以常温标度因数，得到不同i/f电路温度下标度因数；
23.步骤6、将不同i/f电路温度下标度因数与i/f电路温度进行拟合，得到三阶标度因数温度建模模型；
24.步骤7、对加速度计的零位进行温度建模，建模时关闭加速度计温控，设置不同的
温度点，在每个温度点下分别选定加速度计敏感轴，并设定角位置使加速度计输入为0，进行建模试验，得到零偏建模试验数据；
25.步骤8、对零偏建模试验数据进行拟合，得到选定加速度计敏感轴的输出与加速度计温度的三阶模型；
26.步骤9、将常温标定时加速度计控温温度带入步骤9中的三阶模型，得到对应的零偏拟合值；
27.步骤10、计算步骤9中的零偏拟合值与常温标定时的零偏差值；
28.步骤11、将步骤10中的零偏差值补偿到步骤8中三阶模型的0次项系数中，得到补偿后的三阶零偏温度建模模型。
29.本发明一实施例中，所述对标度因数建模试验数据进行拟合的方法为：分别计算不同温度下预设试验角下待测加速度计的输出速度增量，得到n组输出速度增量数据；对n组输出速度增量与温度数据进行拟合；n为预设试验角的个数，所述对n组输出速度增量与温度数据进行拟合的方法为最小二乘法。
30.一种小量程加速度计高精度温度建模方法，包括对加速度计通道的零偏和标度因数分别进行温度建模；
31.加速度计标度因数温度建模包括：开启加速度计的温控，加速度计温度控制在第一预设值，将转台温箱设置为不同温度，每个温度点下保温一定时间后进行角位置试验，得到不同温度下加速度计正负通道输出，并将三轴加速度计正负通道输出与i/f电路温度分别进行三阶拟合；将常温标定时的i/f电路温度均值代入该拟合公式，计算得到常温标定时三轴加速度计正负通道的输出拟合值；计算不同i/f电路温度下加速度计输出与该拟合值的比值；计算不同i/f电路温度下的标度因数；将不同i/f电路温度下标度因数与i/f电路温度进行拟合，得到三阶标度因数温度建模模型，完成加速度计标度因数温度建模；
32.加速度计零偏温度建模包括：关闭加速度计温控，将转台温箱设置为不同温度，每个温度点下保温一定时间后进行角位置试验，得到不同温度下加速度计输出，并将三轴加速度计输出与加速度计温度进行三阶拟合；计算得到常温标定温度对应的加速度计零偏拟合值；计算零偏拟合值与常温标定时的零偏差值，并补偿到上述三阶模型的0次项系数中，得到补偿后的三阶零偏温度建模模型。
33.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
34.(1)本发明提供的加速度计高精度温度建模技术可保证在全温范围(-10℃～45℃)内加速度计的测量精度优于5
×
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g0,测量精度高且要求全温范围内精度长期保持；
35.(2)本发明能够很好地解决现有加速度计量程一般都超过了重力加速度，温度建模时，直接利用平板温箱通过重力加速度即可完成建模，但对于小量程加速度计而言，这一方法不适用的问题；
36.(3)本发明在小量程加速度计设计了精密温控系统的基础上，在组合级对加速度计通道的零偏和标度因数进行温度建模。由于i/f转换电路没有零偏，加速度计通道零偏主要受加速度计温度影响较大，而标度因数受i/f转换电路温度影响较大，在加速度计安装结构件精密温控开启的条件下，对标度因数进行建模，保证加速度计全温范围内的测量精度，提高系统可靠性。
附图说明
37.图1为本发明的加速度敏感轴构型图；
38.图2本发明中的标度因数建模算法流程图；
39.图3本发明中的零偏建模算法流程图。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
41.惯性导航装置上有三个加速度敏感轴，三轴之间成斜置正交关系，加速度计均匀分布于半锥角为54.7356
°
的圆锥体侧面，底面投影120
°
均匀分布，如图1所示。本发明一种小量程加速度计高精度温度建模方法，分别对加速度计标度因数和零偏进行温度建模，包括如下步骤：
42.1、准备带温箱双轴转台；
43.2、在开启温控的前提下，对标度因数进行建模，如图2所示。设置不同的温度点，在每个温度点下分别选定加速度计敏感轴，并设定两个预设角位置进行建模试验，得到标度因数建模试验数据；
44.所述预设试验角下加速度敏感轴输入加速度为ai＝g0*sin(αi)，1≤i≤n，i为整数，n为预设试验角的个数；其中，αi为与预设试验角对应的加速度计敏感轴与水平面的夹角。
45.3、对标度因数建模试验数据进行拟合，得到选定加速度计敏感轴的输出与i/f电路温度的三阶模型；
46.所述对标度因数建模试验数据进行拟合的方法为：分别计算不同温度下预设试验角下待测加速度计的输出速度增量，得到n组输出速度增量数据；对n组输出速度增量与温度数据进行拟合；n为预设试验角的个数，所述对n组输出速度增量与温度数据进行拟合的方法为最小二乘法。
47.4、将常温标定时的温度带入步骤3中的三阶模型，得到对应的拟合值；
48.5、将步骤4中常温标定温度和拟合输出插入到步骤2中的建模试验数据中；
49.6、计算步骤5中不同温度点下输出与常温标定拟合输出的比例，将这一比例乘以常温标度因数，得到不同i/f电路温度下标度因数；
50.7、将不同i/f电路温度下标度因数与i/f电路温度进行拟合，得到三阶标度因数温度建模模型。
51.由于i/f电路本身没有零位，可知
52.n＝k
if
·
i＝k
if
·
(ka·
a+i0)＝k
·
a+n0ꢀꢀꢀꢀ
(1)
53.其中n为1个采样周期内加速度通道输出的脉冲数，k为加速度通道标度因数，n0为加速度通道零位，k
if
为i/f电路标度因数，，不变ka为加速度计标度因数，i0为加速度计零偏。在温控开启、角位置不变状态下，加速度计输出电流i不变，ka不变，所以不同温度下加速度通道的输出n即反映了i/f标度因数随温度变化的规律，即
54.55.所以将不同温度下输出的n2与常温标定时的n1相除再乘以常温标定得到的标度因数，即可得到不同温度下的标度因数，最后进行三阶拟合得到标度因数随温度变化的模型。
56.8、在有精密温控系统保证加速度计精度及稳定性的基础上，为了增加系统的可靠性，对加速度计的零位进行温度建模，如图3所示。建模时关闭加速度计温控，设置不同的温度点，在每个温度点下分别选定加速度计敏感轴，并设定角位置使加速度计输入为0，进行建模试验，得到零偏建模试验数据；
57.9、对零偏建模试验数据进行拟合，得到选定加速度计敏感轴的输出与加速度计温度的三阶模型；
58.10、将常温标定时加速度计控温温度带入步骤9中的三阶模型，得到对应的零偏拟合值；
59.11、计算步骤10中的零偏拟合值与常温标定时的零偏差值；
60.12、将步骤11中的零偏差值补偿到步骤9中三阶模型的0次项系数中，得到补偿后的三阶零偏温度建模模型。
61.根据式(1)，得到加速度计的零偏模型为(假设只考虑正通道)
[0062][0063]
其中a0为写入的零位，不同温度下，n0不同，k也不同，精确计算出a0随温度的变化规律比较困难，但从实测结果来看，n0的相对变化幅度比k的相对变化幅度要大得多，相差一个数量级以上，因此假设k不变，a0的变化全部由n0变化引起，将不同温度下测得n0的与常温温控时的n0进行做差比较，然后进行三阶拟合，可以得到不同环境温度下的加速度计零偏随加速度计温度变化的模型。
[0064]
实施例
[0065]
本发明一种小量程加速度计高精度温度建模方法的实现步骤如下：
[0066]
1、开启温控，加速度计温度控制在55℃
±
0.02℃，将转台温箱依次设置为45℃、35℃、25℃、15℃、5℃、-5℃、5℃、15℃、25℃、35℃、45℃，每个温度点下保温2h后进行角位置试验，设置双轴转台外框角位置选择如下：-29.764444
°
、-40.764444
°
，加速度计敏感轴与水平面的夹角分别为5.5
°
和-5.5
°
，相应的加速度输入分别为0.095846g0和-0.095846g0，其中表示当地重力加速度；设置双轴转台内框完成换轴，内框旋转120
°
依次选定x、y、z轴，三轴依次完成标定更改温箱温度，得到以上所有温度点下加速度计正负通道输出，并将三轴加速度计正负通道输出与i/f电路温度分别进行三阶拟合；将常温标定时的i/f电路温度均值代入上述拟合公式，计算得到常温标定时三轴加速度计正负通道的输出拟合值；计算不同i/f电路温度下加速度计输出与该拟合值的比值；根据公式2和常温标定时的标度因数结果，计算不同i/f电路温度下的标度因数；将不同i/f电路温度下标度因数与i/f电路温度进行拟合，得到三阶标度因数温度建模模型，完成加速度计标度因数温度建模，具体实施流程如图2。
[0067]
2、关闭加速度计温控，对加速度计的零位进行温度建模，如图3所示。将转台温箱依次设置为50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、0℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，每个温度点下保温2h后进行角位置试验，设置双轴转台外框角位置为-35.264444
°
，加速度计敏感轴与水平面的夹角为0
°
，此时加速度计输入为0，设置双轴转台内框用来完成换轴操
作，内框旋转120
°
依次选定x、y、z轴，三轴依次完成标定更改温箱温度，得到以上所有温度点下加速度计输出，并将三轴加速度计输出与加速度计温度进行三阶拟合；将55℃代入上述拟合公式，计算得到常温标定温度对应的加速度计零偏拟合值；计算零偏拟合值与常温标定时的零偏差值，并补偿到上述三阶模型的0次项系数中，得到补偿后的三阶零偏温度建模模型。完成加速度计零偏温度建模，具体实施流程如图3。
[0068]
3、完成加速度计温度建模。
[0069]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
[0070]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。