一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，特别适用于测试分辨率 高于的加速度计，属于测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 传统的加速度计测试方法最高可测的分辨率为5*l(T6g，对更高精度的摆式加速度 计已经不再适用。随着科学技术的发展及工程实践的需求，已经研制出高精度的加速度计， 如重力梯度仪用加速度计。重力梯度仪是一种高精度的重力场信息测量技术和方法，获取 重力梯度数据，可广泛应用于计量学、大地测量、地球物理、地球动力学、空间科学、灾害预 巧。、海洋科学等多个领域。为了能够对重力梯度仪用加速度计等高精度的加速度计进行分 辨率的评估和测试，需要改进现有加速度计分辨率的测试方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题是；克服现有技术的不足，提供一种使用引力梯度测试加 速度计分辨率的方法，可用于对高精度的加速度计进行分辨率的测试。
[0004] 本发明的技术解决方案是；一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，包括 W下步骤：
[0005] (1)构建包括引力产生装置、转台和微弱信号处理电路的加速度计分辨率测试装 置；所述加速度计安装在转台的台面上，加速度计的输入轴方向沿转台台面的切向方向，且 平行于转台的台面；微弱信号处理电路安装在转台的台面上，当转台W恒定的角速度匀速 旋转时，微弱信号处理电路采集加速度计的输出信号并对其进行处理，得到引力产生装置 的引力梯度；引力产生装置为合金制成的球体，相对转台可移动，引力产生装置的中屯、和转 台台面的圆屯、始终位于同一水平线上；
[0006] (2)为转台、微弱信号处理电路和加速度计上电，使转台W角速度《匀速旋转，基 于转台建立东北天地理坐标系OXYZ，坐标原点是转台台面的圆屯、；
[0007] (3)将引力产生装置放置在位置1处，测量得到此时引力产生装置的中屯、相对于 坐标系OXYZ原点的距离向量江1，0, 0);
[000引 （4)加速度计根据周围一切物体作用于加速度计的引力加速度ai产生电流信号 Ei，微弱信号处理电路采集加速度计的电流输出信号El并对其进行处理，得到周围一切物 体的引力梯度r^i和r xxi-ryyi;
[0009] 妨根据步骤（4)得到的引力梯度和r ui-ryyi、转台匀速旋转的角速度，利 用如下公式计算加速度计的输出信号El:
[0010]
【主权项】
1. 一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 构建包括引力产生装置、转台和微弱信号处理电路的加速度计分辨率测试装置； 所述加速度计安装在转台的台面上，加速度计的输入轴方向沿转台台面的切向方向，且平 行于转台的台面；微弱信号处理电路安装在转台的台面上，当转台以恒定的角速度匀速旋 转时，微弱信号处理电路采集加速度计的输出信号并对其进行处理，得到引力产生装置的 引力梯度；引力产生装置为合金制成的球体，相对转台可移动，引力产生装置的中心和转台 台面的圆心始终位于同一水平线上； (2) 为转台、微弱信号处理电路和加速度计上电，使转台以角速度《匀速旋转，基于转 台建立东北天地理坐标系OXYZ，坐标原点是转台台面的圆心； (3) 将引力产生装置放置在位置1处，测量得到此时引力产生装置的中心相对于坐标 系OXYZ原点的距离向量（Q，0, 0); (4) 加速度计根据周围一切物体作用于加速度计的引力加速度产生电流信号Ei，微 弱信号处理电路采集加速度计的电流输出信号￡1并对其进行处理，得到周围一切物体的引 力梯度rxyl和rxxl-ryyl; (5) 根据步骤⑷得到的引力梯度rxyl和rxxl-ryyl、转台匀速旋转的角速度，利用如 下公式计算加速度计的输出信号E1:
其中，AiS定值，K为加速度计的标度系数，t为加速度计随转台旋转运行的时间，R为 加速度计与转台台面中心的距离； (6) 将引力产生装置放置在位置2处，测量得到此时引力产生装置的中心相对于坐标 系OXYZ原点的距离向量（L2, 0, 0)，且L#L2; (7) 按照步骤⑷一（5)所述的方法，得到引力产生装置放置在位置2时加速度计的输 出信号E2; (8) 计算引力产生装置位于位置1和位置2时，加速度计实际输出信号的变化值AEP 以及理论输出信号的变化值AE，其中
，
，其中，m是引力产生装置的质量；G是万 有引力常量； (9) 判断AEP与AE的比值是否大于0.5,若不大于0.5,改变引力产生装置的位置2， 增大Q、L2的差值，直到AEP与AE的比值大于0. 5 ;若大于0. 5,则加速度计的分辨率合 格，加速度计的分辨率为△EP/K，测试结束。
2. 根据权利要求1所述的一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，其特征在 于：所述微弱信号处理电路包括I/V转换电路、放大电路、陷波电路、第一带通滤波电路、相 敏检波电路和低通滤波电路； I/V转换电路采集加速度计输出的电流信号，对该电流信号转换成电压信号输出给放 大电路； 放大电路对接收的电压信号进行放大增幅后输出给陷波电路； 陷波电路对放大增幅后的电压信号进行一倍频信号抑制，并消除残留的一倍频调制信 号，得到纯净的二倍频电压信号输出给第一带通滤波电路； 第一带通滤波电路接收陷波电路输出的电压信号，并对该电压信号进行带通滤波后输 出给相敏检波电路； 相敏检波电路根据转台匀速旋转时产生的脉冲信号对带通滤波后的电压信号进行相 敏检波，得到正交信号幅值和同相信号幅值，根据正交信号幅值和同相信号幅值初步得到 引力梯度信号rxy和rxx-ryy输出给低通滤波电路； 低通滤波电路接收相敏检波电路输出的引力梯度信号，对该引力梯度信号进行消除高 频噪声处理后得到实际的引力梯度rxy和rxx-ryy并输出。
3. 根据权利要求2所述的一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，其特征在 于：所述I/V转换电路包括运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、电容C0、电容C3、 电阻Rf、电阻RF、电阻R1、电阻R2和电阻R3 ; 电容C0和电阻RF并联后连接在运算放大器A1的反向输入端和输出端之间，运算放大 器A1的反向输入端采集加速度计输出的电流信号L，正向输入端接地，输出端用于输出1/ V转换电路处理后的电压信号V;电阻R1 -端与运算放大器A1的输出端连接，另一端与 运算放大器A2的反向输入端连接，运算放大器A2的正向输入端接地，电容C3连接在运算 放大器A2的反向输入端和输出端之间，运算放大器A2的输出端通过电阻R2与运算放大器 A3的反向输入端连接，运算放大器A3的正向输入端接地，电阻R3连接在运算放大器A3的 反向输入端和输出端之间，运算放大器A3的输出端同时通过电阻Rf与运算放大器A1的反 向输入端连接。
4. 根据权利要求2所述的一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，其特征在 于：所述第一带通滤波电路包括电容C1、电容C2、运算放大器A4、运算放大器A5、运算放大 器A6、运算放大器A7、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻 R11 ； 电阻R4的一端接陷波电路的输出另一端与运算放大器A4的反向输入端连接，运算 放大器A4的正向输入端接地，电阻R5连接在运算放大器A4的反向输入端和输出端之间， 运算放大器A4的输出端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端以 及运算放大器A6的正向输入端连接；电阻R7的另一端与运算放大器A5的输出端连接；运 算放大器A5的输出端向外输出带通滤波后的电压信号V。，运算放大器A5的正向输入端接 地，电容C2连接在运算放大器A5的反向输入端和输出端之间，运算放大器A5的反向输入 端通过电阻R8与运算放大器A6的输出端连接，电阻R9连接在运算放大器A6的反向输入 端和输出端之间，运算放大器A6的反向输入端同时通过电阻R10与运算放大器A7的输出 端连接，运算放大器A7的正向输入端接地，电容C1连接在运算放大器A7的反向输入端和 输出端之间，运算放大器A7的反向输入端同时通过电阻R11与运算放大器A5的输出端连 接。
5. 根据权利要求2所述的一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，其特征在 于：所述陷波电路包括运算放大器A8、电阻R12、电阻R13、电阻R14和第二带通滤波电路； 电阻R12-端与放大电路的输出连接，另一端与运算放大器A8的反向输入端连接；运 算放大器A8的正向输入端接地，运算放大器A8的输出端用于输出陷波电路处理后的电压 信号Vi;电阻R14连接在运算放大器A8的反向输入端和输出端之间，电阻R13的一端与运 算放大器A8的反向输入端连接，电阻R13的另一端与第二带通滤波电路的输入端连接，第 二带通滤波电路的输出端与运算放大器A8的输出端连接。
6. 根据权利要求5所述的一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，其特征在 于：所述第二带通滤波电路与第一带通滤波电路的结构组成相同。
7. 根据权利要求2所述的一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，其特征在 于：所述放大电路采用反相放大器实现。
【专利摘要】本发明公开了一种使用引力梯度测试加速度计分辨率的方法，该方法的测试装置由引力产生装置、转台和微弱信号处理电路组成，加速度计安装在转台上，转台以稳定速度旋转，加速度计对引力产生装置进行引力信号检测，微弱信号处理电路对加速度计的输出信号进行处理后得到引力梯度数值，由引力梯度数值与加速度计的输出信号之间的一一对应关系，得到加速度计的输出信号。通过改变引力产生装置的位置状态，测量加速度计的输出信号值的变化，由GJB1037-2004，当两个位置实际输出信号的变化值与理论输出信号变化值的比值大于50％时，得到加速度计的分辨率。本发明可作为高精度加速度计分辨率的测试方法，尤其适用于分辨率优于0.1μg的加速度计的测试。
【IPC分类】G01P21-00
【公开号】CN104569496
【申请号】CN201410835134
【发明人】李海兵, 郭刚, 胡宝余, 马存尊, 马杰, 杨慧
【申请人】北京航天控制仪器研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月26日