基于双轴转台的加速度计自动测试方法设计与实现

基于双轴转台的加速度计自动测试方法设计与实现
林太刚;赵忠;李更新
【摘要】为了降低加速度计测试成本,简化标定方法,对加速度计在双轴转台上的测试标定方法进行了研究,组建了一个双轴转台测试系统,系统使用NI USB-9239进行模拟数据采集,依据上述系统提出了一套测试标定新方法,并且设计了一套能进行自动化测试的软件;系统能测试出加速度计的标度因数、三阶非线性模型的各项系数、零偏、零偏稳定性和零偏重复性等参数;选用一种MEMS加速度计进行了测试,对提出的测试标定方法和软件自动测试功能进行了验证,试验过程和测得的参数数值表明软件测试自动化程度较高、测试标定方法实用可靠.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2014(022)002
【总页数】4页(P325-328)
【关键词】加速度计;双轴转台;自动化测试;标定
【作者】林太刚;赵忠;李更新
【作者单位】西北工业大学自动化学院,西安710129;西北工业大学自动化学院,西安710129;西北工业大学自动化学院,西安710129
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
0 引言
加速度计是惯性导航系统中测量运载体加速度的一类重要器件，加速度计使用前的测试与标定工作用于求取加速度计的技术指标和模型参数，这些指标和参数对于加速度计的正常使用和误差补偿有至关重要的作用。

加速度计的测试标定设备有多种，在重力场下一般选择三轴转台和分度头标定标度因数、拟合零位和安装误差等参数［1］，而对于应用于高g 环境下的加速度计，一般选择离心机标定加速度计的非线性模型系数［2］。

本文提出了使用双轴转台对中低精度的加速度计进行自动测试的方案并进行实现。

方案使用了加速度计的简化模型，测试系统可计算标定出加速度计的多项参数，满足对加速度计使用前的测试标定要求，并且以自动化测试为目的，编写了测试软件，减少了测试时人工操作的环节。

1 系统总体结构
双轴转台为九江第6354 研究所2TD－320 型转台(图1)，该转台主轴具有位置、速率和角振动运动功能，倾斜［3］轴需要手动控制进行位置运动，控制柜中具有外框位置和内框位置、速率显示面板，厂家提供了控制转台和接收转台运动参数的串口通讯协议。

图1 双轴转台系统
对于输出模拟量的加速度计，选用了一款NI 公司NI USB－9239 的数据采集模块进行采集。

USB－9239 具有四路差分输入采集通道，分辨率为24 位，采集类型
为Delta－Sigma，采样频率最大值50 kS/s，输入电压范围±10 V，精度
±100ppm，采集的数据信号通过USB 线传输。

USB 传输线使用了具有信号放大
和抗噪作用的延长线，对USB 线改造后，转台的导电滑环可以接入其中，这样采
集到的加速度计信号经过USB 线、导电滑环和USB 延长线三个环节进入控制柜的工控机中。

图2为测试系统的整体框图。

图2 系统框图
2 测试原理与方法
根据向心加速度理论，已知回转半径后，控制转台转速，可以产生规定大小的向心加速度，以此作为加速度计的输入就能进行加速度计的测试与标定。

本系统的相关测试方法介绍如下。

2.1 标度因数
加速度计标度因数的测试依据加速度计线性模型(1)在±1g 重力场环境下进行。

模型中K1为加速度计的标度因数，K0为拟合零位，ai为加速度计感知的加速度(比力)，Ei为加速度计的输出值。

测试方法为:转动外框架，使转台台面垂直于水平面，其后，使转台以小于1°/s 的转速旋转，转台在转过一圈的过程中，加速度计
测得的数值呈正弦规律变化，求取这个过程中加速度计输出数据的最大值和最小值，转台转过多圈后，求得各个最大值的平均值Emax和最小值的平均值Emin，标度因数计算公式为(2)式，g 为当地的重力加速度数值。

在下面的几项测试中，转台台面恢复到与水平面平行的状态。

2.2 回转半径
加速度计测量轴不指向回转圆心(不与回转半径重合)是造成加速度计测试误差的重要因素，因此加速度计安装在转台台面的过程中，要尽可能保证测量轴指向回转圆心。

如果预估加速度计的回转半径为0.15 m，则回转半径测试方法如下:让转台依次以460°/s 和1°/s 旋转一定时间，分别计算加速度计输出数据平均值，通过公
式(3)求得该加速度计的回转半径。

为460°/s 的角速率下加速度计输出数据平均值，为1°/s 的角速率下加速度计输出数据平均值，K1为此加速度计测量轴的标度因数，ω=460 × π/180，R 为加
速度计回转半径。

多次测量后，求得R 值的平均值为回转半径。

2.3 多加速度点测试
本项测试体现了设计的自动化测试思想，在这项测试中转台可以自动地依次进行多个角速率点的转动，得到计算多个参数所需的分析数据。

这是在高g 条件下对加
速度计的一种测试，依据加速度计的三次模型［4］(4)式，需要拟合出模型中各次项的系数。

K0、K1、K2和K3分别为模型的零、一、二、三阶非线性系数，ai为转台转动下的第i 个向心加速度，其值的确定方法见2.4 节，Ei是在ai的激励下加速度计输
出值。

测试时，需选择4 个或4 个以上向心加速度点，测完数据后，使用最小二
乘法拟合该模型的各项系数，公式如下:
2.4 单加速度点和零偏测试
单加速度点测试项目只测试一个向心加速度点下的加速度计输出情况，主要过程为:设定一个加速度值a 后，转台的角速率ω 大小由式(9)确定:
R 即回转半径，测得的加速度计输出转化为加速度值后，可与设定值比较，求其绝对误差或者相对误差。

零偏测试项目检测的是加速度计无加速度输入时输出情况，测试的主要过程为:在
某一水平位置测量加速度计输出，记其输出值的平均值为，之后转台转动180°再
测量在当前位置时加速度计的输出，记其输出值的平均值为，加速度计零偏B0的计算公式如式(10):
K1为加速度计的标度因数。

该方法对因转台台面不水平而产生的误差有抑制作用。

如果加速度计器件本身不平导致的误差较大，那么在第二个位置时把加速度计反方向安装，再利用上述公式计算零偏。

一般情况，测量得到的数据应足够多以使计算出的性能特性达到一定可信度。

零偏稳定性Bs的计算公式［5］:
n 为一次零偏测试中数据个数，Ei为第i 个数据，E 为本次测试数据平均值。

零偏重复性Br的计算公式［6］:
m 为进行零偏测试的次数，B0i为第i 次零偏测试得到的零偏，为m 次零偏测试得到的零偏的平均值。

本文的零偏重复性指的是逐次重复性，次数m 一般不小于6，每一次测试时，器件和环境的状态需要保持不变，优先保证环境温度和测试间隔相同。

3 软件设计
加速度计测试的软件由VC++6.0 开发，通过对测试方法和软件程序的精心设计，可以对测试过程进行软件控制，实现测试的自动化。

软件中有几点比较重要的编程设计和控件使用，介绍如下。

3.1 与转台的通信
与转台的通信包括控制转台和接收转台的位置、速率数据，使用的是RS－232C 串行通讯。

对串口的编程使用的是串口编程工具类CserialPort，该类的使用方法如下:
port.InitPort(this，1，9600，＇N＇，8，1，EV_RXFLAG | EV_RXCHAR，512):打开串口1;port.StartMonitoring():开启串口监测工作线程;On-
Comm(WPARAM ch，LPARAM port):消息处理函数的WPARAM 表示串口缓冲区中接收到的一个字符，LPARAM 表示接收的是第几个串口发送的数
据;WriteToPort(unsigned char * string，int n):发送数据;ClosePort(1):关闭串口1。

3.2 NI 数据采集模块编程
NI 公司为NI USB－9239 采集模块的使用提供了相应的VC++编程接口函数，使用该器件时需要安装NI－ DAQmx 9.4 或者更高版本的驱动软件，VC++编程时需加载NIDAQmx.h 和NIDAQmx.lib。

USB－9239 采集模拟量传入计算机过程中使用了如下几个重要的函数:
DAQmxCreateTask(""，＆task)
DAQmxCreateAIVoltageChan(task，" cDAQ1Mod1/ai0"，""，
DAQmx_Val_Cfg_Default，－10，10，DAQmx_Val_Volts，NULL) DAQmxCfgSampClkTiming(task，""，10000，DAQmx_Val_
Rising，DAQmx_Val_ContSamps，1000) DAQmxRegisterEveryNSamplesEvent(task，
DAQmx_Val_Acquired_Into_Buffer，100，0，EveryNCallback，NULL) DAQmxRegisterDoneEvent(task，0，DoneCallback，NULL) DAQmxReadAnalogF64(taskHandle，100，10.0，DAQmx_Val_Group-ByChannel，data，400，＆read，NULL)
DAQmxStartTask(task)、DAQmxStopTask(task)和DAQmxClearTask(task) 以上函数和回调函数EveryNCallback 共同实现了一个完整的数据连续采集过程。

3.3 多加速度点测试程序设计
为实现多加速度点自动定时测试而不用手动切换角速率，设计程序流程框图如图3 所示。

图3 自动测试程序流程
本测试项目允许选择的加速度点最多10 个，在定时采集数据的同时，进行数据的
处理，处理方法包括去除野值、求平均值等。

3.4 定时器的使用
软件设计过程中使用了TIMER 定时器和多媒体定时器。

TIMER 定时精度较低，本程序中发送控制转台指令后的等待时间以及在界面显示转台运动信息和加速度计的测量数据时使用了TIMER 定时器。

多媒体定时器是一种定时精度比较高的定时器，本程序的数据定时采集使用了该定时器。

多媒体定时器使用函数timeSetEvent 进行设置，函数中给出了定时器回调函数的入口地址。

3.5 TeeChart 数据曲线显示
TeeChart 是一款功能强大的图表图形组件。

本程序使用VC++平台下的TeeChart8 组件显示测量数据曲线。

将Teechart8.ocx 控件加入到VC 工程中后，为方便使用，可先对其进行设置。

右键单击控件依次选择
“Properties”→“TeeChart Pro Editor”选项卡→“Edit Chart”，弹出“Editing”窗体。

“Editing”中设置如下:①“Series”选项卡下可创建和删除不同格式的数据序列，还可为数据序列命名，程序要显示的是数据曲线，所以创建了“Fast Line”格式的数据序列。

②“Chart”选项卡设置控件显示格式，其中，“Axis”设置坐标轴的格式，选择“Bottom Axis”，设置“Scales”下的“Minimum”为0、“Maximum”为20，这样控件的横坐标就划分了20 个刻度，在“Title”下的“Style”中输入“时间(s)”就为横坐标设定了坐标名称，其
他坐标轴的设置与此类似;“Titles”可以为控件设置标题、更改标题的位置、设置标题字体的格式等;“Panel”的“Margins”可以更改数据曲线显示区域的范围。

③Tools 选项卡可添加控件自带的各种工具，程序中添加了“Axis Scroll”、“Axis Arrows”和“Mark Tips”三种工具，“Axis Scroll”工具可通过拖动鼠
标来实现图表坐标轴的滚动，进行细节显示，“Axis Arrows”工具在坐标轴的始末显示可编辑的箭头，当点击这些箭头时，可滚动图表的坐标轴，用来查看过往的
数据曲线和超出显示量程的曲线，“Mark Tips”工具是当鼠标点击一个Series
数据曲线上的点时，可用来显示纵坐标数值。

程序中使用了Series ().Clear ()、Series ().AddXY(……)和GetAxis ().GetBottom ().Scroll (1.0，true)三个函数分别实现序列初始化、添加新数据点到曲线和曲线递进滚动显示。

3.6 软件界面
最终实现的软件主界面如图4，此图为对程序进行调试时的显示状态图。

图4 软件主界面
每一个加速度计测试项目的测试结果会在项目测试结束后自动出现，测试者可以选择把测试结果以txt 文档的形式保存起来。

4 试验验证
使用了一个具有三轴加速度计的MEMS 器件对整个测试系统进行了验证。

该MEMS 加速度计的输出数据单位为m/s2，理论上标度因数为1，并且通过串口RS－422 传输数据。

选择MEMS 加速度计的X 轴作为测量轴，验证了软件对转
台的控制以及软件的测试功能，测试结果记录于表1。

表1 测试结果
该MEMS 加速度计的性能规格说明书提到其零偏稳定性和零偏重复性不大于
0.0025 g，测量结果中这两项指标与此一致，其他几项测试结果也符合类似器件
的经验值。

5 结论
本测试系统依靠双轴转台可以完成需要在精密离心机上测试的项目，节约了成本，降低了系统设计的难度;测试系统需要硬件资源少;测试过程自动化程度较高。

但是，本测试系统的测试精度还需提高，转台的台面尺寸(320 mm)较小，能达到的最高速率(800°/s)也较小，不能提供较大的向心加速度;没有考虑温度对加速度计测量精
度的影响，实际上，温度影响产生的误差得到补偿后，加速度计测量精度会有所提高［7］;理论上看，本测试系统更适合测试陀螺仪。

因此，以后的设计研究要关注如何选择合适的转台、如何提高加速度计测试精度、如何标定安装误差以及如何改进软件使其既能测试加速度计又能测试陀螺等问题。

参考文献:
【相关文献】
［1］任顺清，冯士伟，马向斌.加速度计的全组合标定方法［J］.中国惯性技术学报，2007，15 (6):760－764.
［2］IEEE Recommended Practice for Precision Centrifuge Testing of Linear Accelerometers ［S］.IEEE Std 836－2001.
［3］JJF 1116－2004 线加速度计的精密离心机校准规范［S］.中国计量出版社，2004.
［4］GJB 2426A－2004 光纤陀螺仪测试方法［S］.国防科工委军标出版发行部，2004.
［5］刘秉，闫建国.一种小型惯性测量单元的精确标定技术［J］.计算机测量与控制，2009，17 (11):2170－2172.。