Método de prueba para determinar el sesgo y el factor de escala del acelerómetro flexible de cuarzo: Guía completa y análisis de sensibilidad a la temperatura

Se proporciona un análisis exhaustivo de los métodos de prueba para el sesgo (sesgo cero) y el factor de escala de los acelerómetros flexibles de cuarzo, incluyendo técnicas especializadas como la prueba de rodadura de cuatro puntos y la prueba de dos puntos, así como la fórmula de cálculo para la sensibilidad a la temperatura. Esto es aplicable a aplicaciones de alta precisión como la navegación inercial y las naves espaciales.

El sesgo (sesgo cero) y el factor de escala de los acelerómetros flexibles de cuarzo determinan directamente la precisión de la medición y la estabilidad a largo plazo del acelerómetro, especialmente en aplicaciones de alta precisión como la navegación inercial y el control de actitud. Por lo tanto, son dos indicadores clave de rendimiento para la evaluación de los acelerómetros de cuarzo.

La importancia fundamental del sesgo (sesgo cero) reside en el error inherente del sistema del acelerómetro, que provoca la desviación fundamental de todos los resultados de medición. Por ejemplo, si el sesgo cero es de 1 mg, el valor medido añadirá este error independientemente de la aceleración real. El sesgo cero también se desvía con factores como el tiempo, la temperatura y la vibración (estabilidad del sesgo cero). En los sistemas de navegación inercial, la deriva del cero se amplifica continuamente mediante operaciones de integración, lo que genera errores acumulativos de posición y velocidad. Las características de temperatura de los materiales de cuarzo también pueden provocar que el sesgo cero varíe con la temperatura (coeficiente de temperatura del sesgo cero), por lo que se necesitan algoritmos de compensación de temperatura para suprimir este efecto en aplicaciones de alta precisión. El factor de escala se refiere a la relación proporcional entre la señal de salida de un acelerómetro y la aceleración de entrada real. Un error en el factor de escala puede provocar una distorsión proporcional de los resultados de medición. La estabilidad del factor de escala afecta directamente al rendimiento del sistema en entornos de alto rango dinámico o temperatura variable. En la operación de integración de la aceleración de la navegación inercial, el error del factor de escala se integra dos veces, lo que amplifica aún más el error de posición.

Por lo tanto, la razón por la que el sesgo y el factor de escala se han convertido en indicadores clave de rendimiento de los acelerómetros flexibles de cuarzo radica en que ambos son fuentes fundamentales de error y limitaciones clave para la estabilidad a largo plazo. En aplicaciones a nivel de sistema, el rendimiento de estos dos factores determina directamente si el acelerómetro puede cumplir con los requisitos de alta precisión y alta fiabilidad, especialmente en escenarios como la conducción no tripulada, naves espaciales, navegación submarina, etc., donde existe tolerancia cero a errores.

Elprueba de sesgoSe puede realizar mediante dos métodos: prueba de rodadura de cuatro puntos (posiciones de 0°, 90°, 180° y 270°) o prueba de dos puntos (posiciones de 90° y 270°). La prueba del factor de escala se puede realizar mediante tres métodos: prueba de rodadura de cuatro puntos (posiciones de 0°, 90°, 180° y 270°), prueba de dos puntos (posiciones de 90° y 270°) y prueba de vibración. Tomando como ejemplo el método de prueba de rodadura de cuatro puntos, este artículo explica cómo obtener el sesgo y el factor de escala de un sensor de aceleración.

1.Métodos de prueba para sesgo y factores de escala:

a)Instale el acelerómetro en un banco de pruebas específico (cabezal indexador de dientes múltiples).

b)Iniciar el banco de pruebas

do)Gire el banco de pruebas en sentido horario hasta la posición 0°, estabilícelo y registre el resultado de varios conjuntos de productos probados según la frecuencia de muestreo especificada. Tome la media aritmética como resultado de la medición.

d)Gire el banco de pruebas en sentido horario hasta la posición de 90°, estabilícelo y registre el resultado de varios conjuntos de productos probados según la frecuencia de muestreo especificada. Tome la media aritmética como resultado de la medición.

mi)Gire el banco de pruebas 180° en sentido horario, estabilícelo y registre el resultado de varios conjuntos de productos probados según la frecuencia de muestreo especificada. Tome la media aritmética como resultado de la medición.

F)Gire el banco de pruebas en sentido horario hasta la posición de 270°, estabilícelo y registre el resultado de varios conjuntos de productos probados según la frecuencia de muestreo especificada. Tome la media aritmética como resultado de la medición.

gramo)Gire el banco de pruebas en sentido horario hasta la posición de 360° y luego en sentido antihorario para obtener ángulos de rotación de 270°, 180°, 90° y 0°. Tras la estabilización, registre el resultado de varios conjuntos de productos probados según la frecuencia de muestreo especificada y tome la media aritmética como resultado de la medición.

h)Calcular el sesgo y el factor de escaladel producto probado utilizando la siguiente fórmula (1) y (2).

K0 = -------------------------------------- (1)

K1 =-------------------------------------- (2)

Dónde:

K0 -------Sesgo

K1 -------Factor de escala

        -------El promedio total de lecturas de avance y retroceso en la posición 0°

        -----La lectura promedio total de rotación hacia adelante y hacia atrás en la posición de 90°

        --- La lectura promedio total de rotación hacia adelante y hacia atrás en la posición de 180°

        --- El promedio total de lecturas para rotación hacia adelante y hacia atrás en la posición de 270°

2.Método de prueba para la sensibilidad a la temperatura de polarización y la sensibilidad a la temperatura del factor de escala

a)Iniciar el banco de pruebas

b)Calcule los factores de sesgo y escala en cada punto de temperatura utilizando las fórmulas (1) y las fórmulas (2) a temperatura ambiente, la temperatura de funcionamiento límite superior especificada por el acelerómetro y la temperatura límite inferior especificada por el acelerómetro.

do)Calcular elsensibilidad a la temperaturadel acelerómetro utilizando la siguiente fórmula (3) y (4):

  ---------------------(3)

dónde:

---- Sensibilidad a la temperatura de polarización

----Sesgo de la temperatura límite superior del sensor

----Sesgo de la temperatura ambiente del sensor

-----Sesgo de la temperatura límite inferior del sensor

------Temperatura límite superior

------Temperatura ambiente

-------Temperatura límite inferior

  ---------------------(4)

Dónde:

----Sensibilidad a la temperatura del factor de escala

------Factor de escala

----Factor de escala para la temperatura límite superior del sensor

----Factor de escala de la temperatura ambiente del sensor

-----Factor de escala para la temperatura límite inferior del sensor

------Temperatura límite superior

------Temperatura ambiente

-------Temperatura límite inferior