一种基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置，该装置包括转动装置和电控装置，转动装置由转动臂、转动架、基座等组成，电控装置由中心控制模块、调速模块、电机驱动模块、编码器、测速模块、LCD显示模块和手柄等组成。手柄输出高电平脉冲到中心控制模块的第一输入端，中心控制模块的第一输出端连接到LCD显示模块，中心控制器的第二输出端连接到调速模块输入端，调速模块输出端连接到电机驱动模块输入端，电机驱动模块输出端连接到高速电机输入端，编码器的输出端连接到测速模块的输入端，测速模块的输出端连接到中心控制模块的第二输入端。本发明可通过高速电机转速的提高和转动臂长度的增加，实现大量称的加速度线性校准。
【专利说明】
一种基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于电子测量技术领域，特别是一种基于加速度传感器的加速度记录仪校 准装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着高科技技术在现代化战争中日益重要作用，导弹的研制亦从单元体制发展到 多元体制。导弹甚至炮弹武器系统在设计过程中，需要大量测试工作，尤其是需要把系统研 制和飞行试验中各部分工作状态参数实时记录，用以分析、改进设计。加速度记录仪也随即 应运而生。
[0003] 加速度记录仪是用于弹体在发射前后、飞行和落地侵彻整个或部分过程中对弹上 加速度数据进行实时调理、采集、处理和记录，并在弹体整个过程结束后通过相应特殊手段 回收数据记录仪中存储的数据测试设备。利用无线电遥测系统测试弹体飞行参数已经得到 成熟而广泛的应用。但是由于无线电遥测存在测试成本巨大，测试过程复杂并存在许多盲 区等测试缺陷，促使了加速度记录仪的发展。如火箭导弹等进入大气层黑障区中相关各种 参数测试等问题。但加速度记录仪通过将整个测试过程一定程度封闭在弹体内，进而解决 了上述测试问题。测试数据存储在相对独立的加速度记录仪内，通过回收存储测试系统即 可复原测试信息。微小的系统体积、高强度的抗冲击性能、低廉的系统成本、微量的系统功 耗、相对封闭的低噪测试环境等诸多特点，使加速度记录仪特别适合各种测试条件特别恶 劣、成本低廉等情况下的弹体动态参数测试。
[0004] 无论是只为了获得更加准确的弹体加速度数据，亦或是由加速度数据通过积分等 处理方式获得弹体的速度数据和轨迹数据，都需要加速度记录仪具有较高的精度和良好的 准确度。精度可通过选择性能优异、灵敏度高的加速度传感器进行提高。准确度则需要通过 相应的校准设备或校准算法进行提高。
[0005] 专利号为201410108757.2的中国专利介绍的一种三轴加速度传感器的校准方法， 主要通过软件方面的数据处理，对静态误差值进行校准，对加速度传感器量程内的线性误 差校准效果不明显。专利号为201410797068.7的中国专利介绍的一种加速度传感器三轴同 时测试的校准、测试方法，通过专用的固定治具对X轴、Y轴和Z轴的加速度数据进行静态误 差校准，也无法进行大量程的线性校准。专利号为201520607608.0的中国专利介绍的一种 传感器校准振动平台和传感器灵敏度标定系统，主要利用振动台产生加速度，通过标准加 速度传感器对待测加速度传感器进行校准，校准性能极易受标准加速度传感器的影响。
[0006] 由上可知，上述专利主要是针对加速度传感器进行校准，而且均为小量程的加速 度校准，存在校准性能不稳定，无法满足大量程的精确校准，应用领域较窄等缺陷。
[0007]总之，现有的基于加速度传感器的校准装置不能满足加速度记录仪的校准需求。
【发明内容】
[0008]本发明所解决的技术问题在于提供一种基于加速度传感器的加速度记录仪校准 装置及方法。
[0009] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于加速度传感器的加速度记录仪校准 装置，包括转动臂、转动架、基座、高速电机、中心控制模块、调速模块、电机驱动模块、编码 器、测速模块、显示模块和手柄；
[0010] 所述基座的顶部设置转动架和转动臂，基座内部设置高速电机，其中高速电机的 输出轴通过转动架带动转动臂旋转，高速电机的输出轴上装有编码器，编码器测量高速电 机的转速同时将测量结果传输给与其相连的测速模块，测速模块将测量结果传输给中心控 制模块，中心控制模块同时通过调速模块控制电机驱动模块工作，最终控制高速电机的转 速；
[0011] 中心控制模块同时接收手柄发送的控制信号，并将测速模块的测量结果通过显示 模块进行显示。
[0012] -种基于上述基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置的校准方法，包括以下 步骤：
[0013] 步骤1、将加速度记录仪固定于转动臂的末端，并在转动臂的另一端添加配重物， 保持平衡，所述加速度记录仪与配重物的重量相同；
[0014] 步骤2、启动加速度记录仪，并逐次提高电机转速，利用转动引起的径向离心力，产 生不同的径向加速度，加速度记录仪实时记录径向加速度数据，并且保存；
[0015] 步骤3、根据电机的转速，得出加速度记录仪所在位置的理论加速度值；
[0016] 步骤4、以步骤3得到的理论加速度值为标准，根据最小二乘法，对加速度记录仪内 的加速度数据进行拟合，获得校准参数；
[0017] 步骤5、利用步骤4得到的校准参数对加速度记录仪进行校准。
[0018] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明针对加速度记录仪进行整体校 准，校准操作难度降低。2)本发明可通过高速电机11转速的提高和转动臂3长度的增加，实 现大量称的加速度线性校准。3)本发明可独自实现加速度记录仪的校准，不需使用标准加 速度记录仪作为参考，故不易受标准加速度记录仪性能影响，校准结果稳定。4)本发明由转 动装置和电控装置构成，结构简单，成本低廉，实现方便，可在加速度校准领域实现广阔应 用。5)本发明的校准方法简单易行，校准的结果准确，可以大规模推广。
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0020] 图1为基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置系统总体结构图。
[0021 ]图2为基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置的校准方法流程图。
【具体实施方式】
[0022]本发明的一种基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置利用转速可调的转动 装置产生一个转动轨迹的径向加速度，利用该加速度对固定于转动装置中转动臂3末端的 加速度记录仪采集的加速度数据进行校准，减小甚至消除加速度记录仪的系统误差，提高 加速度记录仪所记录数据的精度，获得更加精确的弹体加速度数据，为弹体运行轨迹的测 量和处理奠定基础。
[0023] 结合图1，本发明的一种基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置，包括转动臂 3、转动架2、基座1、高速电机11、中心控制模块8、调速模块9、电机驱动模块10、编码器12、测 速模块13、显示模块6和手柄7;
[0024] 所述基座1的顶部设置转动架2和转动臂3,基座1内部设置高速电机11，其中高速 电机11的输出轴通过转动架2带动转动臂3旋转，高速电机11的输出轴上装有编码器12,编 码器12测量高速电机11的转速同时将测量结果传输给与其相连的测速模块13,测速模块13 将测量结果传输给中心控制模块8，中心控制模块8同时通过调速模块9控制电机驱动模块 10工作，最终控制高速电机11的转速；
[0025] 中心控制模块8同时接收手柄7发送的控制信号，并将测速模块13的测量结果通过 显示模块6进行显示。
[0026] 所述转动架2的端部与转动臂3的中心相连，转动臂3的一端固连加速度记录仪4， 转动臂3的另一端设置配重物5,所述加速度记录仪4与配重物5的重量相同。
[0027] 所述编码器12为增量式编码器或绝对式编码器。
[0028] 所述显示模块6为LED显示器、IXD显示器或液晶显示器。
[0029] 所述转动臂3为刚性材料制成的转动臂。
[0030] 结合图2,本发明的一种基于加速度记录仪校准装置的校准方法，包括以下步骤：
[0031] 步骤1、将加速度记录仪4固定于转动臂3的末端，并在转动臂3的另一端添加配重 物5,保持平衡，所述加速度记录仪4与配重物5的重量相同；
[0032] 步骤2、启动加速度记录仪4,并逐次提高电机转速，利用转动引起的径向离心力， 产生不同的径向加速度，加速度记录仪4实时记录径向加速度数据，并且保存；
[0033] 步骤3、根据电机的转速，得出加速度记录仪所在位置的理论加速度值;加速度记 录仪所在位置的理论加速度值的计算公式为：
[0034] a= (2πη)2Γ
[0035] 式中，a即为加速度记录仪所在位置的理论加速度值(m/s2) ;η为加速度记录仪的 瞬时转速，表示每秒钟转的圈数;r为加速度记录仪所在位置到转动臂[3]中心的距离(m)。
[0036] 步骤4、以步骤3得到的理论加速度值为标准，根据最小二乘法，对加速度记录仪内 的加速度数据进行拟合，获得校准参数；
[0037] 根据最小二乘法，对加速度记录仪内的加速度数据进行拟合，获得校准参数的公 式为：
[0038]
[0039] b a - Kal
[0040] 式中，a即为加速度记录仪所在位置的理论加速度值(m/s2) ;ai校准时刻加速度记 录仪采集的加速度值(m/s2) ;k和b分别为获得的校准参数。
[0041] 步骤5、利用步骤4得到的校准参数对加速度记录仪进行校准。利用校准参数对加 速度记录仪进行校准时，所用公式为：
[0042] a2 = ka'i+b
[0043] 式中，a'i为使用时刻加速度记录仪采集的加速度值，a2为校准后的加速度记录仪 记录的加速度值(m/s 2)。
[0044] 本发明的校准方法简单易行，校准的结果准确，可以大规模推广。
[0045]校准原理如下：由牛顿力学定律知，绕某点旋转的物体存在离心力，离心力方向与 旋转运动方向垂直，大小为：
[0046]
[0047]式中，F为匀速转动物体所受的离心力，N;m为匀速转动物体的质量，kg; V为旋转物 体切向的瞬时速度，m/s ;r为旋转轨迹的圆心到旋转物体的距离，m。
[0048] 又知物体所受加速度为：
[0049]
[0050]式中，a为物体的加速度，m/s2;F为物体所受的力，N;m为物体的质量kg。
[0051] 故可得离心力产生的加速度为
[0052]
[0053] 式中，a为离心力产生的加速度，m/s2; V为旋转物体切向的瞬时速度，m/s，r为旋转 轨迹的圆心到旋转物体的距离，m。
[0054] 又知旋转物体切向的瞬时速度为
[0055] V = ω r = 2 Jinr
[0056] 式中，V为旋转物体切向的瞬时速度，m/s，co为旋转物体的瞬时角速度，rad/S;r为 旋转轨迹的圆心到旋转物体的距离，m;n为旋转物体的瞬时转速，表示物体每秒钟转的圈 数。
[0057]综上可得，离心力产生的加速度为
[0058] a= (2πη)2Γ
[0059] 式中，a即为所求的离心力产生的加速度;η为旋转物体的瞬时转速，表示物体每秒 钟转的圈数;r为旋转轨迹的圆心到旋转物体的距离，m。
[0060] 运用此关系式，只需获得物体的转速η和到圆心的距离r即可方便测出离心力加速 度的大小。
[0061 ]下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
[0062] 实施例
[0063] -种基于加速度记录仪校准装置的校准方法，包括以下步骤：
[0064] 步骤1、将加速度记录仪4固定于转动臂3的末端，并在转动臂3的另一端添加配重 物5,保持平衡，所述加速度记录仪4与配重物5的重量相同。本次使用过程中，加速度记录仪 4到转动臂3中心的距离r为Im。
[0065] 步骤2、启动加速度记录仪4,并逐次提高电机转速，利用转动引起的径向离心力， 产生不同的径向加速度，加速度记录仪4实时记录径向加速度数据，并且保存。本次使用过 程中，选择的电机转速依次为:1转每秒、2转每秒、3转每秒、4转每秒、5转每秒。
[0066] 步骤3、根据电机的转速，由权利要求7中所述的加速度记录仪所在位置的理论加 速度值的计算公式得出加速度记录仪所在位置的理论加速度值。由步骤2可得本次使用过 程中的理论加速度值依次为:39 · 5、157 · 9、355 · 3、631 · 7、987 · O，(m/s2)。
[0067] 步骤4、读取加速度记录仪中记录的实测加速度数据。本次使用过程中的实测加速 度数据依次为:35.6、145.5、326.7、570.2、902.9，(m/s 2)。
[0068] 步骤5、以步骤3得到的理论加速度值为标准，根据权利要求8所述的校准参数的公 式，计算校准参数。本次使用过程中的加速度校准参数分别为:k=1.097，b = -0.163。
[0069] 步骤6、利用步骤5得到的校准参数对加速度记录仪进行校准。
[0070] 校准前的数据为：35 · 8、145 · 5、326 · 2、572 · 1、902 · 5，（m/s2)。
[0071 ]校准后的数据为：39 · 1、159 · 4、357 · 6、626 · 2、989 · 8，（m/s2)。
[0072]理论的数据为：39 · 5、157 · 9、355 · 3、631 · 7、987 · 0，（m/s2)。
[0073]由校准结果可知，校准后的最大系统偏差从84.5(m/s2)降低至5.5(m/s2)，且当加 速度为39.5(m/s2)时，系统偏差甚至降低至0.4(m/s2)，校准效果明显。本发明的校准方法简 单易行，校准结果准确可靠，可以大规模推广。
【主权项】
1. 一种基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置，其特征在于，包括转动臂[3 ]、转 动架[2]、基座[1]、高速电机[11]、中屯、控制模块[引、调速模块[9]、电机驱动模块[10]、编 码器[12]、测速模块[13]、显示模块[6]和手柄[7]; 所述基座[1]的顶部设置转动架[2]和转动臂[3]，基座[1]内部设置高速电机[11]，其 中高速电机[11]的输出轴通过转动架[2]带动转动臂[3]旋转，高速电机[11]的输出轴上装 有编码器[12]，编码器[12]测量高速电机[11]的转速同时将测量结果传输给与其相连的测 速模块[13]，测速模块[13]将测量结果传输给中屯、控制模块[引，中屯、控制模块[引同时通 过调速模块[9]控制电机驱动模块[10]工作，最终控制高速电机[11]的转速； 中屯、控制模块[引同时接收手柄[7]发送的控制信号，并将测速模块[13]的测量结果通 过显示模块[6]进行显示。2. 根据权利要求1所述的基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置，其特征在于，转 动架[2]的端部与转动臂[3]的中屯、相连，转动臂[3]的一端固连加速度记录仪[4]，转动臂 [3]的另一端设置配重物[5]，所述加速度记录仪[4]与配重物[引的重量相同。3. 根据权利要求1所述的基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置，其特征在于，所 述编码器[12]为增量式编码器或绝对式编码器。4. 根据权利要求1所述的基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置，其特征在于，所 述显示模块[6]为L邸显示器、LCD显示器或液晶显示器。5. 根据权利要求1所述的基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置，其特征在于，所 述转动臂[3]为刚性材料制成的转动臂。6. -种基于权利要求1所述基于加速度传感器的加速度记录仪校准装置的校准方法， 其特征在于，包括W下步骤： 步骤1、将加速度记录仪[4]固定于转动臂[3]的末端，并在转动臂[3]的另一端添加配 重物[5]，保持平衡，所述加速度记录仪[4]与配重物[引的重量相同； 步骤2、启动加速度记录仪[4]，并逐次提高电机转速，利用转动引起的径向离屯、力，产 生不同的径向加速度，加速度记录仪[4]实时记录径向加速度数据，并且保存； 步骤3、根据电机的转速，得出加速度记录仪所在位置的理论加速度值； 步骤4、W步骤3得到的理论加速度值为标准，根据最小二乘法，对加速度记录仪内的加 速度数据进行拟合，获得校准参数； 步骤5、利用步骤4得到的校准参数对加速度记录仪进行校准。7. 根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于，步骤3中加速度记录仪所在位置的理 论加速度值的计算公式为： 曰=(23Tn)2r 式中，a即为加速度记录仪所在位置的理论加速度值(m/s2) ;n为加速度记录仪的瞬时转 速，表示每秒钟转的圈数;r为加速度记录仪所在位置到转动臂[3]中屯、的距离(m)。8. 根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于，步骤4中根据最小二乘法，对加速度记 录仪内的加速度数据进行拟合，获得校准参数的公式为：式中，a即为加速度记录仪所在位置的理论加速度值(m/s2)巧1校准时刻加速度记录仪 采集的加速度值(m/s2) ;k和b分别为获得的校准参数。9.根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于，步骤5中利用校准参数对加速度记录 仪进行校准时，所用公式为： 日2 = ka 'i+b 式中，a'l为使用时刻加速度记录仪采集的加速度值，日2为校准后的加速度记录仪记录 的加速度值(m/s2)。
【文档编号】G01P21/00GK105938149SQ201610475863
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】彭树生, 李冬, 王雷, 吴礼, 徐峰
【申请人】南京理工大学