本發明涉及加速度測量技術領域，特別是涉及一種基于mems加速度計的加速度測量方法。

背景技術：

從工程應用角度看，在相同精度前提下，元器件的尺寸越小，結構越簡單，其應用的優勢越明顯，能夠滿足很多特殊環境和應用場合的要求。隨著微型制造技術和微機電系統(mems，micro-electro-mechanicsystem)技術的進步，近年來mems加速度計得到快速發展，mems加速度計具有體積小、質量輕、成本低等傳統加速度計無可比擬的優點，因此，由mems加速度計為核心的微慣性測量單元，滿足了以軍事、航天等領域為代表的一大批運載體運動參數測量的迫切需求。

按照目前傳統的加速度計的使用方法，mems加速度計仍具有不足之處，即利用mems加速度計測量輸入加速度時，難以避免由mems加速度計的加工工藝和應用方式帶來的誤差。mems加速度計的測量誤差大致可分為兩類：確定性誤差和不確定性誤差。其中確定性誤差可以利用mwms加速度計測試、標定、建模和補償等處理方式減小其影響，而不確定性誤差的影響則難以消除，例如溫度、濕度、電磁、震動等環境因素的影響。環境因素的影響主要體現在對mems加速度計的核心敏感元件和氣處理電路的特性的影響，從而影響輸入加速度的測量精度。而且環境因素大都不容易準確量化研究，加上誤差之間的耦合與疊加，致使總誤差缺少規律性，表現為較強的隨機性，即便經過嚴格標準的標定補償，也很難提高測量精度。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于mems加速度計的加速度測量方法，可以減小mems加速度計測量過程中的不確定誤差，提高測量精度。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種基于mems加速度計的加速度測量方法，包括：

通過加速度測量實驗，篩選出環境敏感特性最接近的兩個mems加速度計，作為加速度計差分對；

通過測試與標定實驗，確定所述加速度計差分對中的兩個所述mems加速度計的環境參數比；

利用所述加速度計差分對中的兩個所述mems加速度計測量待測目標的加速度，得到兩個測量加速度值；

根據所述兩個測量加速度值和環境參數比計算實際加速度。

可選的，所述通過加速度測量實驗，篩選出環境敏感特性最接近的兩個mems加速度計，作為加速度計差分對，具體包括：

選取多個相同型號、相同加工工藝的mems加速度計組成加速度計集合；

將所述加速度計集合中的mems加速度計分成兩組，分別為第一加速度計組和第二加速度計組；

對所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計進行加速度實驗，采集每個所述mems加速度計的實驗數據；

對每個所述mems加速度計的實驗數據進行多項式擬合，得到對應的擬合系數；

將所述第一加速度計組中的每個所述mems加速度計所對應的擬合系數與所述第二加速度計組中的各個所述mems加速度計所對應的擬合系數的進行差分運算，得到最小差分運算結果；

確定所述最小差分運算結果所對應的所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計，組成加速度計差分對。

可選的，所述對所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計進行加速度實驗，采集每個所述mems加速度計的實驗數據，具體包括：

將所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計安裝在離心機的被測軸上；所述第一加速度計組中的所述mems加速度計安裝在所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的外側，所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的檢測方向相反且均與所述離心機的被測軸的方向平行；

啟動所述離心機，按時間順序采集各個所述mems加速度計檢測到的所述離心機的加速度，得到加速度-時間數據。

可選的，對每個所述mems加速度計的實驗數據進行多項式擬合，得到對應的擬合系數，具體包括：

對每個所述mems加速度計檢測得到的所述加速度-時間數據按照多項式y(t)＝c0+c1t+c2t²+c3t³+…+cn-1t^n-1+cntⁿ進行擬合，得到每個所述mems加速度計所對應的各階擬合系數；其中c0，c1，c2，…，cn-1，cn為各階擬合系數，t為時間，y(t)為t時間檢測到的加速度。

可選的，所述將所述第一加速度計組中的每個所述mems加速度計所對應的擬合系數與所述第二加速度計組中的各個所述mems加速度計所對應的擬合系數的進行差分運算，得到最小差分運算結果，具體包括：

將所述第一加速度計組中的每個所述mems加速度計分別與所述第二加速計中的各所述mems加速度計建立對應關系，形成多個加速度計對；

在每個所述加速度計對中，將所述第一加速度計組的所述mems加速度計所對應的各階擬合系數按階數依次對應除以所述第二加速度計組的所述mems加速度計所對應的各階擬合系數，得到各加速度計對的各階擬合系數比值；

在每個所述加速度計中，計算各階擬合系數比值的方差值，得到各加速度計對的擬合方差值；

選取各加速度計對的擬合方差值中的最小擬合方差值，得到最小差分運算結果。

可選的，所述通過測試與標定實驗，確定所述加速度計差分對中的兩個所述mems加速度計的環境參數比，具體包括：

將所述加速度計差分對中的兩個所述mems加速度計安裝在所述離心機的被測軸上；所述第一加速度計組中的所述mems加速度計安裝在所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的外側，所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的檢測方向相反且均與所述離心機的被測軸的方向平行；

啟動所述離心機，并對所述離心機的加速度進行控制，使所述離心機的輸出加速度為設定加速度；

采集所述加速度計差分對中的兩個所述mems加速度計檢測到的加速度；

根據公式計算所述環境參數比；其中λbd為環境參數比，i表示確定性誤差的序號，i＝1,2,…,n；n表示確定性誤差的數量；j表示采樣點的序號，j＝1,2,…,m；m表示采樣點的數量；w1i表示所述加速度計差分對中位于外側的所述mems加速度計的第i個確定性誤差；w2i表示所述加速度計差分對中位于內側的所述mems加速度計的第i個確定性誤差；λ1wi表示所述加速度計差分對中位于外側的所述mems加速度計的第i個確定性誤差系數；λ2wi表示所述加速度計差分對中位于內側的所述mems加速度計的第i個確定性誤差系數；a1j表示所述加速度計差分對中位于外側的所述mems加速度計在第j個采樣點檢測到的加速度值；a2j表示所述加速度計差分對中位于內側的所述mems加速度計在第j個采樣點檢測到的加速度值；λ1表示所述加速度計差分對中位于外側的所述mems加速度計的標度因數；λ2表示所述加速度計差分對中位于內側的所述mems加速度計的標度因數；at表示所述離心機的輸出加速度。

可選的，所述根據所述兩個測量加速度值和環境參數比計算實際加速度，具體包括：

利用公式計算實際加速度；其中a為計算得到的實際加速度，a10為所述加速度計差分對中的所述第一加速度計組中的所述mems加速度計在實際測量中檢測到的加速度值；a20為所述加速度計差分對中的所述第二加速度計組中的所述mems加速度計在實際測量中檢測到的加速度值；g1為所述加速度計差分對中的所述第一加速度計組中的所述mems加速度計的量測噪聲；g2為所述加速度計差分對中的所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的量測噪聲。

根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：本發明通過實驗篩選出實驗結果最接近的兩個mems加速度計組成加速度計差分對，從而能夠得到環境敏感特性相似的兩個mems加速度計，采用這兩個mems加速度計測量加速度時，通過運算可以極大地削弱環境因素對測量造成的誤差，大大提高了加速度的測量精度，并將目前難度很大的通過改善mems加速度計加工工藝的來提高加速度精度的問題，轉化為難度不大的通過提高兩個mems加速度計環境敏感性的相似性的方法來提高mems加速度計精度的問題，降低了解決問題的難度和成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明基于mems加速度計的加速度測量方法實施例一的方法流程圖；

圖2為本發明基于mems加速度計的加速度測量方法實施例一的篩選加速度計差分對的方法流程圖；

圖3為本發明基于mems加速度計的加速度測量方法實施例二的加速度測量實驗時的mems加速度計安裝結構圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

實施例一：

圖1為本發明基于mems加速度計的加速度測量方法實施例一的方法流程圖。

參見圖1，該基于mems加速度計的加速度測量方法，包括：

步驟101：通過加速度測量實驗，篩選出環境敏感特性最接近的兩個mems加速度計，作為加速度計差分對；

步驟102：通過測試與標定實驗，確定所述加速度計差分對中的兩個所述mems加速度計的環境參數比；

步驟103：利用所述加速度計差分對中的兩個所述mems加速度計測量待測目標的加速度，得到兩個測量加速度值；

步驟104：根據所述兩個測量加速度值和環境參數比計算實際加速度。

圖2為本發明基于mems加速度計的加速度測量方法實施例一的篩選加速度計差分對的方法流程圖。

參見圖2，所述步驟101：通過加速度測量實驗，篩選出環境敏感特性最接近的兩個mems加速度計，作為加速度計差分對，包括：

步驟1011：選取多個相同型號、相同加工工藝的mems加速度計組成加速度計集合；

步驟1012：將所述加速度計集合中的mems加速度計分成兩組，分別為第一加速度計組和第二加速度計組；

步驟1013：對所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計進行加速度實驗，采集每個所述mems加速度計的實驗數據；該步驟1013具體包括：

將所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計安裝在所述離心機的被測軸上；所述第一加速度計組中的所述mems加速度計安裝在所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的外側，所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的檢測方向相反且均與所述離心機的被測軸的方向平行；

啟動所述離心機，按時間順序采集各個所述mems加速度計檢測到的所述離心機的加速度，得到加速度-時間數據。

步驟1014：對每個所述mems加速度計的實驗數據進行多項式擬合，得到對應的擬合系數；該步驟具體包括：

對每個所述mems加速度計檢測得到的所述加速度-時間數據按照多項式y(t)＝c0+c1t+c2t²+c3t³+…+cn-1t^n-1+cntⁿ進行擬合，得到每個所述mems加速度計所對應的各階擬合系數；其中c0，c1，c2，…，cn-1，cn為各階擬合系數，t為時間，y(t)為t時間檢測到的加速度。

步驟1015：所述將所述第一加速度計組中的每個所述mems加速度計所對應的擬合系數與所述第二加速度計組中的各個所述mems加速度計所對應的擬合系數的進行差分運算，得到最小差分運算結果；該步驟具體包括：

將所述第一加速度計組中的每個所述mems加速度計分別與所述第二加速計中的各所述mems加速度計建立對應關系，形成多個加速度計對；

在每個所述加速度計對中，將所述第一加速度計組的所述mems加速度計所對應的各階擬合系數按階數依次對應除以所述第二加速度計組的所述mems加速度計所對應的各階擬合系數，得到各加速度計對的各階擬合系數比值；

在每個所述加速度計中，計算各階擬合系數比值的方差值，得到各加速度計對的擬合方差值；

選取各加速度計對的擬合方差值中的最小擬合方差值，得到最小差分運算結果；所述環境敏感特性相近是指所述mems加速度計的各階擬合系數比值的方差值最小。

步驟1016：確定所述最小差分運算結果所對應的所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計，組成加速度計差分對。

步驟102，具體包括：

將所述加速度計差分對中的兩個所述mems加速度計安裝在離心機的被測軸上；所述第一加速度計組中的所述mems加速度計安裝在所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的外側，所述第一加速度計組中的所述mems加速度計和所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的檢測方向相反且均與所述離心機的被測軸的方向平行；

啟動所述離心機，并對所述離心機的加速度進行控制，使所述離心機的輸出加速度為設定加速度；

采集所述加速度計差分對中的兩個所述mems加速度計檢測到的加速度；

根據公式計算環境參數比；其中λbd為環境參數比，i表示確定性誤差的序號，i＝1,2,…,n；n表示確定性誤差的數量；j表示采樣點的序號，j＝1,2,…,m；m表示采樣點的數量；w1i表示所述加速度計差分對中位于外側的所述mems加速度計的第i個確定性誤差；w2i表示所述加速度計差分對中位于內側的所述mems加速度計的第i個確定性誤差；λ1wi表示所述加速度計差分對中位于外側的所述mems加速度計的第i個確定性誤差系數；λ2wi表示所述加速度計差分對中位于內側的所述mems加速度計的第i個確定性誤差系數；a1j表示所述加速度計差分對中位于外側的所述mems加速度計在第j個采樣點檢測到的加速度值；a2j表示所述加速度計差分對中位于內側的所述mems加速度計在第j個采樣點檢測到的加速度值；λ1表示所述加速度計差分對中位于外側的所述mems加速度計的標度因數；λ2表示所述加速度計差分對中位于內側的所述mems加速度計的標度因數；at表示所述離心機的輸出加速度。

步驟104，具體包括：

利用公式計算實際加速度；其中a為計算得到的實際加速度，a10為所述加速度計差分對中的所述第一加速度計組中的所述mems加速度計在實際測量中檢測到的加速度值；a20為所述加速度計差分對中的所述第二加速度計組中的所述mems加速度計在實際測量中檢測到的加速度值；g1為所述加速度計差分對中的所述第一加速度計組中的所述mems加速度計的量測噪聲；g2為所述加速度計差分對中的所述第二加速度計組中的所述mems加速度計的量測噪聲。

本發明通過實驗，篩選出實驗結果最接近的兩個mems加速度計組成加速度計差分對，從而能夠得到環境敏感特性相似的兩個mems加速度計，采用這兩個mems加速度計測量加速度時，通過運算可以極大地削弱環境因素對測量造成的誤差，大大提高了加速度的測量精度，并將目前難度很大的通過改善mems加速度計加工工藝的來提高加速度精度的問題，轉化為難度不大的通過提高兩個mems加速度計環境敏感性的相似性的方法來提高mems加速度計精度的問題，降低了解決問題的難度和成本。

實施例二：

首先，選取ω(ω≥2)個相同型號、相同加工工藝的mems加速度計組成加速度計集合。

然后將加速度計集合中的mems加速度計分成兩組，分別為第一加速度計組和第二加速度計組；第一加速度計組中的mems加速度計的數量為s個，第二加速度計組中的mems加速度計的數量為t個。

圖3為本發明基于mems加速度計的加速度測量方法實施例二的加速度測量實驗時的mems加速度計安裝結構圖。

參見圖3，將第一加速度計組中的s個mems加速度計1和第二加速度計組中的t個mems加速度計2均通過安裝工件3安裝在離心機4上；其中第一加速度計組中的s個mems加速度計1安裝在所述第二加速度計組中的t個mems加速度計2的外側。第一加速度計組中的s個mems加速度計1和第二加速度計組中的t個mems加速度計2的檢測方向與離心機4的被測軸的方向平行，第一加速度計組中的s個mems加速度計1的檢測方向水平向外，第二加速度計組中的t個mems加速度計2的檢測方向水平向內。

啟動離心機4，按時間t的順序采集各個mems加速度計檢測到的加速度實驗數據y(t)，并按多項式y(t)＝c0+c1t+c2t²+c3t³+…+cn-1t^n-1+cntⁿ進行擬合，得到每個mems加速度計的各階擬合系數c0，c1，c2，…，cn-1，cn；

將第一加速度計組中的每個mems加速度計分別與第二加速計中的各mems加速度計建立對應關系，形成s×t個加速度計對；

在每個加速度計對中，用第一加速度計組的mems加速度計的0～n階擬合系數按階數對應除以第二加速度計組的mems加速度計的0～n階擬合系數，得到各階擬合系數比值，并計算各階擬合系數比值的方差值，得到各加速度計對的擬合方差值；

確定最小的擬合方差值，將所述最小擬合方差值對應的加速度計對作為加速度計差分對；

通過測試與標定試驗實驗，確定加速度計差分對中的兩個mems加速度計的環境參數比。按照圖3的結構關系將加速度計差分對中的兩個mems加速度計安裝在離心機4上，同時獲取離心機4的輸出加速度at、加速度計差分對中位于外側的mems加速度計檢測到的加速度值a1、加速度計差分對中位于內側的mems加速度計檢測到的加速度值a2，根據mems加速度計的工作原理，加速度計差分對中位于外側的mems加速度計的輸入輸出關系可表示為：

其中i表示確定性誤差的序號，i＝1,2,…,n；n表示確定性誤差的數量；λ1wi表示加速度計差分對中位于外側的mems加速度計的第i個確定性誤差系數；w1i表示加速度計差分對中位于外側的mems加速度計的第i個確定性誤差；λ1表示加速度計差分對中位于外側的mems加速度計的標度因數；λ1d表示加速度計差分對中位于外側的mems加速度計的不確定性總誤差項系數；u1為加速度計差分對中位于外側的mems加速度計的不確定誤差項影響量總和；g1為加速度計差分對中的位于外側的mems加速度計的量測噪聲。

加速度計差分對中位于內側的mems加速度計的輸入輸出關系可表示為：

其中λ2wi表示加速度計差分對中位于內側的mems加速度計的第i個確定性誤差系數；w2i表示加速度計差分對中位于內側的mems加速度計的第i個確定性誤差；λ2表示加速度計差分對中位于內側的mems加速度計的標度因數；λ2d表示加速度計差分對中位于內側的mems加速度計的不確定性總誤差項系數；u2為加速度計差分對中位于內側的mems加速度計的不確定誤差項影響量總和；g2為加速度計差分對中的位于內側的mems加速度計的量測噪聲。

在實驗過程中，加速度計差分對中位于外側的mems加速度計和加速度計差分對中位于內側的mems加速度計在空間位置上很接近，同時有固定連接在同一個被測軸上對同一個加速度進行測量，因此可以確定加速度計差分對的兩個mems加速度計的環境因素相同，不確定誤差項影響量總和u1和u2相同，即可令u1＝u2＝u，則加速度計差分對中位于外側的mems加速度計的輸入輸出關系可表示為：

加速度計差分對中位于內側的mems加速度計的輸入輸出關系可表示為：

為了去除mems加速度計的量測噪聲的影響，在離心機4的輸出加速度at已知的情況下，取一段時間內m個數據進行平均值運算，可得：

其中a1j表示加速度計差分對中位于外側的mems加速度計在第j個采樣點檢測到的加速度值；a2j表示加速度計差分對中位于內側的mems加速度計在第j個采樣點檢測到的加速度值；g1j表示加速度計差分對中位于外側的mems加速度計在第j個采樣點時的測量噪聲；g2j表示加速度計差分對中位于內側的mems加速度計在第j個采樣點時的測量噪聲。

定義不確定性總誤差系數為環境系數，即：

則環境參數比λbd為：

本發明的該實施例中的量測噪聲近似白噪聲，其數學期望值近似為零，即：

因此最終確定環境參數比λbd為：

然后利用加速度計差分對對加速度進行測量，并利用環境參數比和測量結果確定實際加速度。

加速度計差分對中的第一加速度計組中的mems加速度計在實際測量中檢測到的加速度值為a10，加速度計差分對中的第二加速度計組中的mems加速度計在實際測量中檢測到的加速度值為a20，待求的實際加速度為a，則加速度計差分對中的第一加速度計組中的mems加速度計的輸入輸出關系為：

加速度計差分對中的第二加速度計組中的mems加速度計的輸入輸出關系為：

已知λ1d＝λbd·λ2d，在上式的兩邊同時乘以λbd可得：

將上式與第一加速度計組中的mems加速度計的輸入輸出關系作差可得：

由于u1＝u2＝u，則上式可表示為：

因為λ1d＝λbd·λ2d，則上式可表示為：

則

本發明通過實驗篩選出實驗結果最接近的兩個mems加速度計組成加速度計差分對，從而能夠得到環境敏感特性相似的兩個mems加速度計，采用這兩個mems加速度計測量加速度時，通過運算可以極大地削弱環境因素對測量造成的誤差，大大提高了加速度的測量精度，并將目前難度很大的通過改善mems加速度計加工工藝的來提高加速度精度的問題，轉化為難度不大的通過提高兩個mems加速度計環境敏感性的相似性的方法來提高mems加速度計精度的問題，降低了解決問題的難度和成本。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的系統而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。