基于幅度调制的高精度加速度计分辨率测试装置及方法

本发明属于加速度计传感器领域的一种加速度计分辨率测试装置及方法，尤其涉及了一种基于幅度调制的高精度加速度计分辨率测试装置及方法。

背景技术：

1、加速度计是测量运载体线加速度的仪表，由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成，具有结构简单、精度高的特点，在惯性导航系统、大地测量系统中有广泛的应用。分辨率是加速度计的一个重要指标，反映加速度计所能测量加速度的最小极限，分辨率越高，加速度计对微弱加速度越敏感，分辨率测量在高精度加速度计的标定和应用中至关重要。

2、在进行加速度计分辨率测试时，需要人为地给加速度计一个微小的加速度输入，然后进行信号输出的采样和数据处理。为了实现对高分辨率加速度计的测量，测试方法应至少比加速度计待测分辨率高一个数量级以上。一般通过采用机械结构装置，改变敏感轴与水平面夹角或改变引力块和加速度之间的间距来测试加速度计分辨率。常用的测试方法是采用光学分度头细分重力场，光学分度头最小标度为0.1″，所能测量的加速度计最高分辨率为0.5ug。还可以采用匀速旋转调制的方法测试分辨率，具体是将加速度计安装在可偏转的匀速转动台面上，对重力加速度信号进行更微小的划分，再利用双轴转台可以测得0.1ug的分辨率。采取高比重材料产生引力梯度的方法也可以进行分辨率测试，具体是将4只石英挠性加速度计间隔90°均匀安装在以角速度匀速旋转的双轴转台上，敏感轴方向为旋转角速度切向方向，移动铅球产生不同大小的引力，可得到最高分辨率为0.01ug。而在1g激励下的分辨率测试方法则是利用精密单轴旋转装置来测试分辨率，并利用参考加速度计抑制共模噪声，用以判断待测加速度计是否具备1×10-8g量级分辨率。利用摆动装置的加速度计分辨率测试方法，能提供约为1ug量级的输入加速度。基于压电偏摆台的石英加速度计高分辨率测试方法是将高精度加速度计安装在压电偏摆台上，使压电偏摆台以固定频率 f在毫弧度量级上进行微角度摆动，预估测试分辨率可达到1×10-9g。

3、现有高分辨率的加速度计测试方案，都需要借助精密旋转装置或转台来提供极微小的加速度信号输入，对环境设备的要求很高，成本高昂，而一般的分辨率测试方案所能得到的分辨率有限。对于新兴的基于真空光阱的光动量惯性加速度计，常规的测试方法无法适用于光路复杂，体积和重量较大的光动量惯性加速度计。

技术实现思路

1、针对目前高灵敏度加速度计分辨率测试方法需要借助高精密转台或旋转装置，成本高昂，安装复杂的现状以及日新月异的新型加速度计测试需求，比如基于真空光阱的光动量惯性加速度计的测试需要，本发明的目的在于提供一种基于幅度调制的高精度加速度计分辨率测试装置及方法，本发明可以在简单的装置结构上实现对高灵敏度加速度计的分辨率精确测试。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一、一种基于幅度调制的高精度加速度计分辨率测试装置

4、装置包括倾角可调装置、倾角驱动模块、参考加速度计和信号处理模块，倾角可调装置的一侧部下安装有倾角驱动模块，倾角可调装置的旋转轴上固定安装有参考加速度计和待测加速度计；初始状态下，待测加速度计和参考加速度计的测量轴均与水平面平行，待测加速度计和参考加速度计的敏感单元均与倾角可调装置的旋转轴轴心重合，待测加速度计和参考加速度计的测量轴垂直于倾角可调装置的旋转轴；参考加速度计和待测加速度计均与信号处理模块相连。

5、进一步地，所述倾角驱动模块包括压电陶瓷、电压放大器和信号发生器；信号发生器通过电压放大器与压电陶瓷相连，压电陶瓷安装在倾角可调装置的一侧部下；压电陶瓷的驱动，改变倾角可调装置的倾角，使得参考加速度计、待测加速度计获得相同的加速度变化量。

6、进一步地，所述信号处理模块包括信号采集系统和终端计算机，信号采集系统与待测加速度计和参考加速度计的输出端相连，信号采集系统与终端计算机相连。

7、进一步地，所述倾角可调装置包括轴承座和支撑平台，支撑平台可旋转地安装在轴承座上，支撑平台在轴承座上的旋转轴线处记为倾角可调装置的旋转轴，倾角驱动模块的驱动端与支撑平台的旋转轴线一侧的下表面中心密切接触。

8、进一步地，利用所述倾角驱动模块向倾角可调装置上的参考加速度计、待测加速度计提供幅值、频率可控的加速度变化量 δa，加速度变化量 δa满足以下公式：

9、 δa= gα*usinωt /  l

10、其中， α为压电陶瓷两端的电压与实际位移的转换系数， u为压电陶瓷两端的驱动信号幅值， ω为压电陶瓷两端的驱动电压信号角速度， t表示时刻， l为压电陶瓷位置与倾角可调装置转轴中心的水平距离， g为重力加速度。

11、进一步地，所述支撑平台为硬质合金板等可以承受高压力，硬度高，不易变形的板材。

12、二、一种基于幅度调制的高精度加速度计分辨率测试方法

13、s1：给定目标加速度变化量 δa；

14、s2：根据当前目标加速度变化量 δa控制倾角驱动模块，使得倾角可调装置在压电陶瓷两端驱动电压 u*下进行周期性旋转，获取待测加速度计的实际加速度变化量；

15、s3：将当前目标加速度变化量 δa和对应的实际加速度变化量进行比较后，确定当前目标加速度变化量是否为达标的目标加速度变化量；

16、s4：重复s1-s3多次，获得若干个达标的目标加速度变化量，将达标的目标加速度变化量中的最小值作为待测加速度计的分辨率。

17、进一步地，所述s2具体为：

18、s21：根据当前目标加速度变化量 δa计算待测加速度计对应的压电陶瓷实际位移，接着根据压电陶瓷两端的电压与实际位移的转换系数 α计算压电陶瓷实际位移对应的两端驱动电压幅值 u*；

19、s22：调节信号发生器和电压放大器，使得压电陶瓷两端驱动电压为频率为 f、幅值为 u*的正弦电压信号以及倾角可调装置进行周期性旋转；然后，采集得到压电陶瓷两端驱动电压 u*下待测加速度计的数字电信号正弦分量的幅度并作为待测加速度计的实际加速度变化量。

20、进一步地，所述s21具体为：

21、首先，根据压电陶瓷的标称电压-形变转换系数计算理论电压幅值 u，接着调节信号发生器和电压放大器，使得压电陶瓷两端驱动电压为频率为 f、幅值为 u的正弦电压信号；

22、接着，利用终端计算机控制信号采集系统得到不同电压幅值 u下参考加速度计的数字电信号正弦分量的幅度并作为待测加速度计的理论加速度变化量；

23、最后，根据不同电压幅值 u下测量得到的待测加速度计理论加速度变化量，计算得到压电陶瓷的实际位移量，并拟合绘制压电陶瓷的两端驱动电压幅值-实际位移量线性关系图，从而得到压电陶瓷两端的电压与实际位移的转换系数 α，基于转换系数 α绘制目标加速度变化量-压电陶瓷两端驱动电压幅值线性关系图，从而确定当前目标加速度变化量 δa对应的压电陶瓷两端驱动电压幅值 u*。

24、进一步地，所述s3中，若50%＜实际加速度变化量/目标加速度变化量 δa＜150%，则表明当前目标加速度变化量为达标的目标加速度变化量；否则，则表明该目标加速度变化量为不达标的目标加速度变化量。

25、本发明具有的有益效果如下：

26、1、本发明提供一种加速度计用的分辨率测试方法，利用压电陶瓷和倾角可调装置搭建了一套简单可靠的测量装置，不需借助昂贵且操作复杂的精密转台，就能实现高灵敏度加速度计的分辨率测试，并且幅度和频率均可以自由调控，适应各种类加速度计分辨率的测试需求。

27、2、本发明的测试装置在隔振地基上进行，结构装置简单，成本低廉，可以不借助精密旋转装置即实现小于1ug的极高分辨率，实用性强，应用环境广，原理简单，装置易搭建。