微机电(MEMS)线加速度计校准规范

1微机电(MEMS)线加速度计校准规范GB/T20485.21—2007振动与冲击传感器校准方法第21部分：振动比较法IEC60747Part14-4半导体加速度计(14-4:Semiconductoraccele3.1微机电MicroElectroMechani物理模型可由公式(1)进行简化：2a——输入加速度，m/s²;线加速度计的传递函数见公式(2):s——Laplace变换的复变量；5计量特性MEMS线加速度计的计量特性包括静态特性和动态特性，校准参数见表2,其中1~16项为静态特性，第17项为动态特性。MEMS线加速度计的静态特性模型可由公式(3)进行简化：E加速度计输出，加速度计输出单位；B偏值，g(g为重力加速度，g=9.806K₁——标度因数，输出单位/g;a;——沿加速度计输入基准轴IRA的加速度，g;a₉——沿加速度计摆基准轴PRA的加速度，g;a₀——沿加速度计输出基准轴ORA的加速度，g;Y。输人轴IA相对于输人基准轴IRA绕输出基准轴ORA的安装误差，rad;γ,——输人轴IA相对于输入基准轴IRA绕摆基准轴PRA的安装误差，rad;MEMS线加速度计的动态数学模型由公式(4)和公式(5)进行描述，公式(4)为MEMS线加速度计的幅频特性，公式(5)为MEMS线加速度计相频特性。3对于采用摆式工作原理的MEMS线加速度计，通常用输人基准轴(IRA)、输出基准轴(ORA)、摆基准轴(PRA)来表示加速度计的三个正交方向，相应的安装状态分为摆态和门态两种。如果被校准的MEMS线加速度计不能区分摆态和门态，则按照与输入基准轴(IRA)正交的两个方向进行安装和测试。但本规范中统一按照摆态和门态进行描述。图1和图2分别为两种状态的位置定义。图1摆态安装校准位置定义图2门态安装校准位置定义6.1校准环境条件温度：(20±5)℃,校准过程中温度波动量不超过2℃;相对湿度：≤85%;6.2测量标准及设备4校准类型1重力场检定极限偏差：5分辨力：1'失准角阀值分辨力0g/lg稳定性电压表(频率计)准确度：0.5示值误差：±2”温箱温箱偏差：士2℃温度稳定度：1℃均匀度：2℃非线性度电压表(频率计)2中频振动中频振动台幅频特性带宽频谱分析仪：示波器：20MHz电压表(频率计)注：上述校准装置适用于测量范围小于300g、精度0.1%及以下MEM51234失准角5阈值6分辨力789带宽7.2校准方法7.2.1.1多点法多点法用于在重力场内进行多点翻滚测试以分离MEMS线加速度计模型方程的各项系数，包括偏值、标度因数、二阶非线性系数、三阶非线性系数和失准角。按照摆态和门态进行测试，如果摆态测试和门态测试的数据一致性好，或根据实际使用安装状6a)摆态安装：1)分度头转轴处于水平位置，并将分度头转到0°位置，加速度计安装到分度头上，输入基准轴(IRA)位于水平方向，摆基准轴(PRA)的正向垂直向上，输出基准轴(ORA)与分度头转轴平行。2)加速度计上电预热，输出稳定后记录加速度计的输出(稳定时间参照具体技术条件，数据量不少于7个取平均，下同);3)按角度增量O₄=360/n转动分度头，各转角依次为0,20,,…k₀,…(n-1)0₂,在每一角位置上记录加速度计的输出值；4)将分度头旋转到360°,然后再反向旋转分度头，按角度θ。依次递减到0°,依次记录每一角位置上加速度计的输出值；6)按照公式(6)～公式(10)进行计算：二阶非线性系数：输入轴失准角Y。:1)分度头转轴处于水平位置，并将分度头转到0°位置，加速度计安装到分度头上，输入基准轴(IRA)位于水平方向，输出基准轴(ORA)的正向垂直向下，摆基准轴(PRA)平行于转轴。2)重复a)摆态安装的测试步骤和数据处理方法，公式(10)中输入轴失准角的符对于多点法中测试点数的选取，通常为四点法和两点法。78)按公式(11)～(15)进行计算：2)重复a)摆态安装的测试步骤和数据处理，把公式(14)中输入8b)将分度头转到270°位置上，加速度计的输入基准轴(IRA)垂直向下，记录加速度计的输出Ezro;c)按公式(16)、公式(17)计算：输入基准轴(IRA)位于水平方向，并且当分度头转到90°位置时输入基准轴(IRA)c)将分度头的位置转至+△0,测量加速度计的输出值，然后回到0°位置，测量加d)将分度头的位置转至-△0,测量加速度计的输出值，然后回到0°位置，测量加f)计算加速度计的输出增量，计算在给定加速度输人增量的条件下，加速度计的输出应大于按标度因数计算的变化量的50%。△0为加速度增量对应的角度增量，在重力场下加速度增量与角度增量的对应关系见公式(18):利用公式(18)计算阈值时，分度头起始角度θ;为0°。输入基准轴(IRA)位于水平方向，并且当分度头转到90°位置时输人基准轴(IRA)d)将分度头按角度增量+△0转动，共递增三次，记录各次加速度计的输出值；e)计算加速度计的输出增量，计算在给定加速度输入增量的条件下，加速度计的输出应大于按标度因数计算的变化量的50%。9采用公式(18)计算分辨力对应的角度增量，式中θ;为测试中分度头的实际起始将MEMS线加速度计固定在分度头上，加速度计的输人基准轴(IRA)处于水平状态/垂直向上，使输入加速度为0g/1g;加速度计上电预热，待输出稳定后记录加速度计静态输出，按加速度计输出值E₁,E₂,E₃,…,Ev-1,Ev,按公式(19)计算0g/1g稳定性。线加速度计第i个输出值，加速度计输出单位；a)加速度计通过安装夹具固定到分度头上，当分度头位于0°位置时，输入基准轴(IRA)位于水平方向，并且当分度头转到90°位置时输入基准轴(PRA)的正向垂直b)加速度计上电预热，待输出稳定后测试加速度计的偏值和标度因数；c)加速度计不断电，间隔一段时间后(推荐选择30min)再次测试加速度计的偏d)重复c)N次，测试次数不少于7次；e)分别计算各次测试的偏值和标度因数，再按公式(20)和公式(21)计算加速K₁——标度因数的平均值，输出单位/g;R₁—第i次测试的标度因数，输出单位/g;7.2.1.8短期重复性a)加速度计通过安装夹具固定到分度头上，当分度头位于0°位置时，输人基准轴b)加速度计上电预热，待输出稳定后测试加速度计的偏值和标度因数；c)加速度计断电，间隔一段时间后再通电，间隔时间不少于10min;d)重复b)和c),测试次数不少于7次；e)分别计算各次测试的偏值和标度因数，再按公式(22)和公式(23)计算加速度计的偏值重复性和标度因数重复性。N——测试次数；c)按公式(24)、公式(25)计算加速度计的偏值温度灵敏度，按公式(26)、公式(27)计算加速度计的标度因数温度灵敏度。离心机工作时，在转动台面的径向产生恒定的加速度。离心加速度可以由公式(28)进1)将离心机的分度装置置于0°时，使加速度计的输入基准轴IRA(即安装夹具的安装面的法线)处于离心机工作半径正方向(±20”以内),输出基准轴ORA(或摆基准轴PRA)垂直于分度装置回转轴，摆基准轴PRA(或输出基准轴ORA)平行于分度装置回转轴。安装到离心机上之后，使离心机顺时针转动，并逐步提高转速，使向加速度值达到1g左右，并在(0～1)g之间取不少于7点或在1g左右取不少于5点，重复3次；2)使离心机逆时针转动，重复1),计算离心机顺时针和逆时针转动加速度计在每个转速点的输出值的平均值E;3)将离心机的分度装置置于180°时，使加速度计的输入基准轴IRA处于离心机工作半径负方向(士20'以内),输出基准轴ORA(或摆基准轴PRA)垂直于分度装置回转轴，摆基准轴PRA(或输出基准轴ORA)平行于分度装置回转轴。安装到离心机上之后，使离心机顺时针转动，并逐步提高转速，使向心加速度值达到1g左右，并在(0～1)g之间取不少于7点或在1g左右取不少于5点，重复3次；4)使离心机逆时针转动，重复3),计算离心机顺时针和逆时针转动加速度计在每5)将离心机分度装置上的加速度计安装夹具，绕离心机半径方向旋转180°,原位安装分度装置置于0°,重复1)、2)、3)、4);6)利用加速度计在重力场的校准结果，按公式(29)或公式(30)分别计算分度半径R₀-;再按公式(31)计算离心机静态工作半径式中：3)根据标准加速度点计算离心机转速，设置转速点(推荐转速点数nb)在参考频率点确定加速度计的标度因数，参考频率首选160Hz(第二选择为c)测试其他频率点和加速度值下的标度因数，具体校准频率点和加速度值依据被d)描绘出加速度计的幅频特性曲线和相频特性曲线，结果以参考点标度因数的绝对值或相对偏差(百分数或分贝数)和度的偏差表示。e)在幅频特性曲线上找到幅度变化到-3dB的频率点，即为加速度计的带宽。c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书或报告的唯一标识(如编号),每页及总页数的标识；g)进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校对象的建议复校时间间隔为1年。送校单位可根据实际使用情况自主决定。MEMS线加速度计重力场校准不确定度评估示例1角位置定位误差：±2”水平位置测量误差：士1”23高低温试验箱温度稳定度：A.2.2加速度计输入加速度模型方程：θ,6₀——分度位置角和初始零位角。A.2.3加速度计重力场模型方程计算公式：1)标度因数：3)二阶非线性系数：ag*,ass,an,aae——加速度计输入基准轴在分度位置0°、90°、180°、270°(分别对应0g,+1g,0g,-1g)的输入加速度；在初始零位角0₀、二阶非线性系数K₂、安装误差Y。、Y,很小的情况下，aio、an、apr、ap、ap+a₂μr也都很小，简化计算公式为：A.2.4加速度计模型方程系数的温度系数计算公式：K₁(T+△T),K₁(T)——加速度计在工作温度T+△T、T的模型方程系数。A.3不确定度传播率A.3.1加速度u²(B)=2cbEu²(E)+cMk,u²(K₁)+2cbuu²(K₂)=4ck,gu²(E)+ckx,u²(K₁)+2ck,u²(amc)+2cA.3.5安装误差加速度计在各分度位置的输出测量标准不确定度均为u(E),传播系数相同。在分度位置0°、180°的输人基准轴、摆基准轴加速度测量标准不确定度相同，为u(aa')、u(ago),传播系数相同。则：u²(Y₀)=u²(Y₉)=2csu²(E)+ck,u²(K₁)A.3.6加速度计模型方程系数的温度系数u²(aK₁)=2c,u²(K₁)+c2aru²式中：A.4标准不确定度评定A.4.1角位置定位误差引人的标准不确定度角位置定位误差引入的标准不确定度u(0),用B类标准不确定度评定，由加速度计自动测试系统检定结果，分度误差不超过±2”,则不确定度区间半宽为2”,按均匀分A.4.2水平位测量误差引入的标准不确定度水平位测量误差引入的标准不确定度u(θ₀),用B类标准不确定度评定，由加速度计自动测试系统检定结果，分度误差不超过±1”,则不确定度区间半宽为1”,按均匀分布，则：A.4.3加速度计自动测试系统加速度的标准不确定度1)重力加速度的测量误差引人的标准不确定度。通过专业部门测量，重力加速度的测量精度达到10-⁸m/s²量级，可忽略。u(ag)=6.5×10-⁶g,u(ago'u(ayo)=0,u(amo)=6.5×1u(ar)=0,u(ago)=6.5×1温度偏差为±2℃,则不确定度区间半宽为2℃,按均匀分布。定。温度均匀度为2℃,则不确定度区间半宽为1℃,按均匀分布。定。温度稳定度为1℃,则不确定度区间半宽为0.5℃,按均匀分布。表A.2主要标准不确定度不确定度来源(xi)输出测量结果的不确