一种石英振梁加速度计建立输出模型的方法技术

本发明专利技术涉及一种石英振梁加速度计建立输出模型的方法，该方法建立几种石英振梁加速度计参数可调的输出模型，进行实验得到石英振梁加速度计测试数据，将实验数据带入给出的模型中，计算参数及性能指标，并进行评估分析，本发明专利技术方法在仪表稳定性方面表现优异，减小了二次项系数，提高了仪表模型的线性度；此外本发明专利技术石英振梁加速度计建立输出模型的方法，双梁不直接做差分，而是乘以权重α后再做差分，从而改善了二次项系数，最后找到能够控制偏值、标度因数的大小，并且精度不变或者改善的模型，本发明专利技术能够适用于各种类型的石英振梁加速度计，包括分体式和一体式结构。

A method of setting up output model of quartz vibrating beam accelerometer

【技术实现步骤摘要】
一种石英振梁加速度计建立输出模型的方法
本专利技术涉及石英振梁加速度计输出模型，尤其涉及一种石英振梁加速度计建立输出模型的方法，属于石英振梁加速度计

技术介绍
石英振梁加速度计，简称QVBA(QuartzVibratingBeamAccelerometer)，是一款新型数字式输出加速度计，输出为数字量频率。同目前国内同等主流加速度计相比，优点是数字式输出，成本低，理论精度高，其优势来源于核心部件-石英谐振梁。如图1所示的为石英振梁加速度计的工作原理图，一个挠性支承摆用于敏感被测物的加速度，其上下两端接触两个一致的石英谐振梁，由驱动电路控制谐振梁，使之产生弯曲振动。当检测质量敏感加速度时，对其中一个谐振器产生拉力，对另外一个谐振器产生压力，此时两谐振器的频率发生了变化，产生了频率差，此频率差与检测质量的加速度成近似线性关系，由此测得频率差即可得到对应的加速度。实际上，单根梁就能实现加速度的测量，但在实际应用过程中，常常利用两根梁的频率值做差，这种方式很好的提高了线性度，这种结构使得二次项系数K2的值很小。根据工作原理，仪表采用挠性支承的方式，使谐振梁固联在摆上，由摆敏感加速度a从而使谐振梁发生弯曲产生轴向力D，根据结构进行受力分析可以得到轴向力D与加速度a的关系，得出轴向力D与加速度a呈线性关系。石英谐振梁由激振电路影响，发生弯曲振动，产生轴向力D，根据弯曲振动方程可以得到轴向力D与输出频率f的关系，公式如下：其中l为谐振梁的长度，E为弹性模量，ρ为密度，w为宽度，h为厚度由于采用双梁差分结构，则有：Δf＝f1-f2将上式进行泰勒展开得到：从上述公式中可以看出，若两根梁完全相同，则其频率-加速度模型是一个不含常数项的函数。加速度测量精度的影响主要集中在偏值K0、标度因数K1、二次项系数K2与参数随机漂移上。在实际应用中，受到加工、工艺、装配等各种因素影响，双梁不可能实现完全一致。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种石英振梁加速度计建立输出模型的方法，该方法建立几种石英振梁加速度计参数可调的输出模型，进行实验得到石英振梁加速度计测试数据，将实验数据带入给出的模型中，计算参数及性能指标，并进行评估分析，本专利技术方法在仪表稳定性方面表现优异，减小了二次项系数，提高了仪表模型的线性度。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种石英振梁加速度计建立输出模型的方法，包括如下步骤：(1)、建立单梁权重差分模型、双梁一次权重差分模型和双梁二次权重差分模型；(2)、对石英振梁加速度计进行温度重复性实验，获取P组数据点(xi，f1i，f2i)，xi表示第i个温度点，i＝1，2，3，...，n；f1i，f2i分别表示在温度点xi下两根梁对应的频率值；(3)、将所述温度点xi下两根梁对应的频率值f1i，f2i代入步骤(1)的差分模型中，计算石英振梁加速度计输出的频率差，根据所述频率差计算仪表偏值、标度因数、二次项系数；(4)、对石英振梁加速度计进行稳定性实验，获取m个数据点(f1k，f2k)，k＝1，2，3，…，m，f1k与f2k分别表示第k个数据点两根梁对应的频率值；(5)、将所述第k个数据点两根梁对应的频率值f1k，f2k代入步骤(1)的差分模型中，计算石英振梁加速度计输出的频率差，根据所述频率差和步骤(3)中的标度因数，计算石英振梁的稳定性；其中n、m、P均为正整数。在上述石英振梁加速度计建立输出模型的方法中，所述步骤(1)中建立的单梁权重差分模型如下：f＝f1-αf2其中：f为石英振梁加速度计输出的频率差，α为权重系数，f1，f2分别为石英振梁加速度计单梁的输出频率；建立的双梁一次权重差分模型如下：f＝(1+α1)f1-(1+α1)(1-α2)f2；其中：f为石英振梁加速度计输出的频率差，α1，α2为权重系数，f1，f2分别为石英振梁加速度计单梁的输出频率；建立的双梁二次权重差分模型如下：f＝(1+α1)f1-(1+α1)2(1-α2)f2；其中：f为石英振梁加速度计输出的频率差，α1，α2为权重系数，f1，f2分别为石英振梁加速度计单梁的输出频率。在上述石英振梁加速度计建立输出模型的方法中，所述步骤(2)中对石英振梁加速度计进行温度重复性实验的方法为：在-50℃～+70℃温度范围内，从-50℃开始，每升高10℃进行多次标定测试，获得多组数据点(xi，f1i，f2i)，并计算重复性，直到到达最高温度。在上述石英振梁加速度计建立输出模型的方法中，所述计算重复性的方法为对石英振梁加速度计进行四位置翻滚测试，分别获得0°、90°、180°、270°位置下输出频率值。在上述石英振梁加速度计建立输出模型的方法中，所述步骤(3)中根据频率差计算仪表偏值、标度因数和二次项系数的具体方法如下：其中：Kj0为模型j的仪表变差，Kj1为模型j的标度因数，为0°位置下石英振梁加速度计输出的频率差，为180°位置下石英振梁加速度计输出的频率差，为90°位置下石英振梁加速度计输出的频率差，为270°位置下石英振梁加速度计输出的频率差，Kj2为模型j的二次项系数。在上述石英振梁加速度计建立输出模型的方法中，所述步骤(4)中对石英振梁加速度计进行稳定性实验的方法为：将石英振梁加速度计通过温箱加热到50～60℃，保温1～2小时后，进行稳定性测试。在上述石英振梁加速度计建立输出模型的方法中，所述温箱满足8小时内温度偏差不超过0.01℃。在上述石英振梁加速度计建立输出模型的方法中，所述步骤(5)中根据所述频率差和步骤(3)中的标度因数，计算石英振梁的稳定性的具体方法如下：其中：σi为石英振梁加速度计在模型j下的稳定性；为石英振梁加速度计在模型j的频率差，为石英振梁加速度计在模型j的频率差的平均值，sj为石英振梁加速度计在模型j下的标准差。在上述石英振梁加速度计建立输出模型的方法中，设步骤(1)中建立的单梁权重差分模型、双梁一次权重差分模型和双梁二次权重差分模型的表示形式均为：f＝f1-f2，重复步骤(1)-(5)，计算石英振梁的稳定性，将所述稳定性与权利要求1中计算出的稳定性进行对比，得出稳定性提高率。在上述石英振梁加速度计建立输出模型的方法中，n取值为10～15，m取值为500～1000，P取值为3-7；所述步骤(4)中对石英振梁加速度计进行温度T下x小时稳定性实验，T取值为50～60，x取值为4～6。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)、本专利技术提出一种建立并验证石英振梁加速度计输出模型的方法，建立了三种不同加权方式的输出模型，并通过稳定性实验与重复性实验进行数据验证，最终得到了模型的评估结果，不同的模型具有不同的效果，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石英振梁加速度计建立输出模型的方法，其特征在于：包括如下步骤：/n(1)、建立单梁权重差分模型、双梁一次权重差分模型和双梁二次权重差分模型；/n(2)、对石英振梁加速度计进行温度重复性实验，获取P组数据点(x

【技术特征摘要】
1.一种石英振梁加速度计建立输出模型的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、建立单梁权重差分模型、双梁一次权重差分模型和双梁二次权重差分模型；
(2)、对石英振梁加速度计进行温度重复性实验，获取P组数据点(xi，f1i，f2i)，xi表示第i个温度点，i＝1，2，3，...，n；f1i，f2i分别表示在温度点xi下两根梁对应的频率值；
(3)、将所述温度点xi下两根梁对应的频率值f1i，f2i代入步骤(1)的差分模型中，计算石英振梁加速度计输出的频率差，根据所述频率差计算仪表偏值、标度因数、二次项系数；
(4)、对石英振梁加速度计进行稳定性实验，获取m个数据点(f1k，f2k)，k＝1，2，3，…，m，f1k与f2k分别表示第k个数据点两根梁对应的频率值；
(5)、将所述第k个数据点两根梁对应的频率值f1k，f2k代入步骤(1)的差分模型中，计算石英振梁加速度计输出的频率差，根据所述频率差和步骤(3)中的标度因数，计算石英振梁的稳定性；
其中n、m、P均为正整数。


2.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计建立输出模型的方法，其特征在于：所述步骤(1)中建立的单梁权重差分模型如下：
f＝f1-αf2
其中：f为石英振梁加速度计输出的频率差，α为权重系数，f1，f2分别为石英振梁加速度计单梁的输出频率；
建立的双梁一次权重差分模型如下：
f＝(1+α1)f1-(1+α1)(1-α2)f2；
其中：f为石英振梁加速度计输出的频率差，α1，α2为权重系数，f1，f2分别为石英振梁加速度计单梁的输出频率；
建立的双梁二次权重差分模型如下：
f＝(1+α1)f1-(1+α1)2(1-α2)f2；
其中：f为石英振梁加速度计输出的频率差，α1，α2为权重系数，f1，f2分别为石英振梁加速度计单梁的输出频率。


3.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计建立输出模型的方法，其特征在于：所述步骤(2)中对石英振梁加速度计进行温度重复性实验的方法为：在-50℃～+70℃温度范围内，从-50℃开始，每升高10℃进行多次标定测试，获得多组数据点(xi，f1i，f2i)，并计算重复性，直到到达最高温度。


4.根据权利要求3所述的石英振梁加速度计建立输出模型的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙嵩，田兴，马跃飞，常江，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11