СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ И ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ
METHOD FOR DETERMINING DYNAMIC ERRORS OF MICROMECHANICAL INERTIAL SENSORS AND INERTIAL MEASUREMENT MODULES ON THEIR BASIS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров) и инерциальных измерительных модулей на их основе.
Известен способ определения динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров) и инерциальных измерительных модулей на основе задания гармонических колебаний с помощью испытательного стенда. Исследуемый объект устанавливается на испытательный стенд и задаются колебания с фиксированной частотой. Для оценки динамических погрешностей в частотном диапазоне работы датчика или модуля проводится серия испытаний на различных фиксированных значениях частоты колебаний, задаваемых испытательным стендом, и сравнение характеристик, задаваемых стендом, и характеристик, воспроизводимых инерциальным датчиком или измерительным модулем [Иванов В.А. Метрологическое обеспечение гироприбров. - Л.: Судостроение, 1983, с. 134].
Кроме того, существует способ, реализованный в испытательном стенде для снятия статических и динамических характеристик датчиков линейной скорости, при котором одновременно производится сравнение характеристик испытуемого датчика с эталонными характеристиками ползуна механизма стенда [авторское свидетельство SU 1024856 А1 (Пивоваров Л.В.)].
Указанные способы определения динамических погрешностей датчиков или модулей требуют значительных временных затрат и не обеспечивают достоверного определения погрешностей применительно к конкретным условиям эксплуатации исследуемых датчиков или модулей.
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>W</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>W</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Известен способ определения динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров) и инерциальных модулей на их основе. Способ заключается в том, что колебания воспроизводятся стендом и регистрируются микромеханическим датчиком или инерциальным модулем в спектре частот, охватывающем весь частотный диапазон работы исследуемого объекта и соответствующем конкретным условиям эксплуатации. Последующая обработка производится по формуле
где
- спектральная плотность мощности сигнала микромеханического датчика или модуля,
- спектральная плотность мощности входного сигнала со стенда,
- амплитудно-частотная характеристика исследуемого датчика или модуля. Указанный способ позволяет экспериментально определить амплитудно-частотную характеристику исследуемого датчика или модуля [Грязин Д.Г. и др. Метрологическое обеспечение испытаний микромеханических датчиков и модулей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2012, №7, с. 67-76].
Данный способ выбран за прототип изобретения.
Указанный способ применим для определения частотных характеристик датчиков или модулей, но не позволяет определить динамическую погрешность датчика или модуля в частотном диапазоне его работы.
Задачей изобретения является определение динамических погрешностей датчиков в реальных условиях эксплуатации.
Поставленная задача решается следующим образом.
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>W</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>W</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>W</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><msqrt><mi>D</mi></msqrt></mrow>
Воспроизводимые с помощью стенда гармонические колебания задаются в спектре частот, охватывающем весь частотный диапазон работы исследуемого объекта и соответствующем конкретным условиям эксплуатации. Исследуемый модуль устанавливается на стенд колебаний, способный воспроизводить колебания с заданным спектром частот, и производится запись характеристик, задаваемых стендом, и характеристик, воспроизводимых микромеханическим датчиком или инерциальным измерительным модулем. На основе полученных данных осуществляется расчет спектральных плотностей мощности (далее - спектры) входного и выходного сигналов путем перехода из временной области в частотную с помощью преобразования Фурье. Полученный спектр выходного сигнала модуля сравнивается со спектром входного сигнала стенда, соответствующим конкретным условиям эксплуатации, в соответствии с выражением
где
- спектральная плотность мощности сигнала микромеханического датчика или модуля,
- спектральная плотность мощности входного сигнала со стенда,
- амплитудно-частотная характеристика исследуемого датчика или модуля. Экспериментально определенная амплитудно-частотная характеристика
датчика или модуля характеризует дисперсию D погрешности исследуемого объекта в заданном спектре частот. Среднеквадратичное отклонение динамической погрешности σ микромеханического датчика или инерциального измерительного модуля находится в соответствии с выражением
. Рассчитанное значение характеризует погрешность исследуемого прибора применительно к конкретным условиям эксплуатации, соответствующим задаваемому спектру входного воздействия.
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>W</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>W</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Способ реализуется следующим образом. Исследуемый микромеханический инерциальный датчик или измерительный модуль устанавливается на стенд, способный воспроизводить колебания в спектре частот, охватывающем весь частотный диапазон работы исследуемого объекта. Задаются колебания со спектром, соответствующим конкретным условиям эксплуатации. Производится запись характеристик, задаваемых стендом, и характеристик, воспроизводимых датчиком или модулем. Полученные данные с помощью преобразования Фурье переводятся в частотную область для вычисления спектральной плотности мощности сигналов. Спектры входного сигнала стенда и выходного сигнала датчика или модуля сравниваются в соответствии с выражением
для экспериментального определения частотной передаточной функции
исследуемого объекта, которая определяет динамическую погрешность датчика или модуля во всем частотном диапазоне его работы.
Достигаемый технический результат - определение динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков и инерциальных измерительных модулей на их основе в режиме их функционирования, повышение достоверности определения динамических погрешностей применительно к конкретным условиям эксплуатации, сокращение времени определения динамических погрешностей при серийном производстве микромеханических датчиков и модулей.
Исследуемый объект устанавливается на стенд, способный воспроизводить колебания в спектре частот. Задаются колебания со спектром, соответствующим реальным условиям эксплуатации. Производится запись характеристик, задаваемых стендом, и характеристик, воспроизводимых микромеханическим датчиком или инерциальным модулем. Последующая обработка входного и выходного сигналов по вышеприведенным формулам позволяет определить динамическую погрешность исследуемого объекта в режиме функционирования. Задание колебаний в спектре частот позволяет сократить время и повысить достоверность определения динамических погрешностей исследуемых объектов применительно к конкретным условиям эксплуатации.