加速度传感器标定方法
加速度传感器低频特性及校准方法
Ｉ Ｃ Ｐ 。 加
频 率 ，即低频 响应指标 。装置如 图４ 所示 。
电荷
圈 冒
图４ 结构重力法示意 图
数据采集记 录仪记录 ＴＤ Ｎ 速度传感器放 电波形（ 图５ ） ，
是放 电时 间常数 。放 电时间常数 是从下 降的一瞬 间开始计
算 ，此 时加速度传 感器 受到最 大加 速度 １ ｇ ，输 出为最大值
中图分类号 ：Ｔ Ｐ ２ １ ２ 文献标识码 ：Ｂ
因为具有 测量 准确 度高 、频率 响应 范 围宽 、体 积小 、
重量轻 、易于安装等优 点 ，加速度传感 器被广泛 应用 。在
一
堡
些特殊领域 ，对加速度 传感器 的低频 特性要求 更高 ，只
搭
＋ ３ ｄ Ｂ
＋ ５ ％
摘要 ：很多工程应用领域对加速度传感器 的低频特 性要 求很高 。为 了得到准确 的数 据 ，对加速度传感器 低频特性进行正确有效 的校准十分必要 。本文介绍了几种加速度传感 器低频狰 陛校准的方法 。 关键词 ：Ｉ ｃ 嘞 Ⅱ 速度传感器 ；低频响应 ；低频特性 ；低频校准 ；低频振动 台
压 电式加速度传感器 的低频响应主要取决 于其 放 电时
间常数ＤＴ Ｃ （ Ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ Ｔ ｉ ｍｅ Ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ） ，因此 ，了解两 者之问
４ ０
中 国 设 备 工 程 Ｉ ２ ｏ １ ３ 年６ 月
维 护 与 修 理
的关系对加速度传感器的低频校准具有重要意义 。
型） 、电容式、压阻式３ 种 。其 中，电容式和压 阻式 的加速度
±１ ０ ％ 范围— — － ： 。 频率
±３ ｄ Ｂ范 围 一 ‘
加速度传感器的灵敏度标定
压电加速度传感器的灵敏度标定
（1-1）绝对标定（干涉法）
加速度传感器的灵敏度是以1g 的输出电压即mV/g 来表示的。
进行绝对标定时，需要对加振器产生的加速度（g）进行准确测量。
加振频率一定的情况下，通过测量加振台的位移来求出当时的加速度。
加振频率以及传感器的输出电压可以比较精确的测得，但是加振台的位移由于是数μ m 的程度，即使使用显微镜也难免会有人为的误差产生，所以无法得到精确值。
因此为了精确测量微小振幅，使用激光的迈克耳孙干涉仪。
图 1 是通过激光干涉法对加速度传感器进行绝对标定的框图。
图1. 利用激光干涉法的绝对标定
首先激光发振器发出的光通过光束分离器分为2个方向。
一方通过光束分离器的光被固定镜反射到受光器里。
另一方通过振动台上的振动镜反射到受光器，此时两者之间发生干涉。
由于这个干涉光最大为每束激光波长的 1/2，因此干涉环的频率和加振台的振幅，可以通过台面每周期运动时所包含的干涉环数量，即干涉环频率与加振台频率之比求得。
另外，作为光源的激光一般使用氦氖激光器(λ=0.6328μm)。
（1-2）比较法
比较标定法是把通过绝对标定后的加速度传感器作为标准传感器，其输出与被测传感器的输出进行比较。
因为操作简易一般的加速度传感器都用这个方法标定。
使用此方法需要特别注意是，如果标准传感器和被测传感器没有同时运动的话，就不能保证标定值的精确度。
因此，需要将两个传感器固定好。
图 2 是比较标定法的框图。
图2. 比较标定法。
用电容式加速度传感器进行角度测量的非线性标定技术
用电容式加速度传感器进行角度测量的非线性标定技术在对诸如船舶、岸边集装箱起重机等大型结构进行状态监测时，考虑到经济因素以及测试现场电源、长距离布线和结构运行状态等客观因素的影响，布置传感器应遵循“少而精”的原则，即在保证系统测量精度的前提下，通过尽可能少的传感器获取最可靠、全面的状态信息.<sup>［1-3］</sup>遵循上述原则，在实际中，考虑利用基于电容传感原理的加速度传感器同时获取相应测点处的振动信息和其与水平面的角度信息.然而，电容式加速度传感器是按照加速度输出进行标定的，因而，其输出与加速度成线性关系，但与传感角度成非线性关系.这种非线性现象已在实验中得到验证，因此，为保证在0°~90°内的测量精度，有必要对其进行非线性标定.非线性标定的常用方法有表格法和公式法.<sup>［4］</sup>前者是1种分段线性化方法，要求有较大的数据存储量，且查表时间长，实时性不好；后者则基于如图1所示的非线性标定原理<sup>［5］</sup>进行标定，先根据实验数据求得传感器输入与输出间的关系解析式，再求解该解析式的反函数，最终达到非线性标定的目的.该方法具有较高的精度，应用更为广泛，但求解解析式的反函数较为复杂，成为该方法的1个瓶颈，限制其应用场合.前向型人工神经网络以其良好的非线性映射和函数逼近性能很好地解决了这一问题.图1 非线性标定基本原理本文经过实验对比，选择前向型人工神经网络中具有局部响应特点、非线性映射能力强且训练速度快的广义回归神经网络（Generalized Regression Neural Network, GRNN）<sup>［6］</sup>作为工具，提出将常规的数据预处理与GRNN相结合的非线性标定技术.经过实验验证，该技术标定效果好，可有效提高传感器的测量精度，拓展角度测量范围.该技术可由软件实现，鲁棒性好，有很高的工程应用价值.1 广义回归神经网络GRNN是由输入层、隐含层和输出层构成的3层前向网络.隐含层为径向基层，采用径向基函数作为激励函数，一般为高斯函数，输出层为特定线性层，其网络结构见图2.图2 GRNN网络结构图中，输入层神经元个数R等于输入向量的个数，隐含层神经元个数Q等于训练样本数，输出层的神经元个数Q′等于目标向量的个数.假定GRNN的输入为向量p，则隐含层第i个神经元的输出a i1=exp(-n i12)=exp(-‖iIW1,1-p‖2b i12)=exp［-‖iIW1,1-p‖c i2×0.832 62］(1)而输出层第j个神经元的输出a j2为：a j2=n j2=jLW2,1×a i1/∑Qi=1a i1(2)式中：iIW1,1为隐含层第i个神经元对输入层神经元的权值向量；b i1为隐含层第i个神经元的阈值；c i为隐含层第i个神经元的光滑因子；jLW2,1为输出层第j个神经元对隐含层神经元的权值向量.由此可见，GRNN网络结构随输入向量和目标向量的确定而确定，无须专门训练，而影响网络输出最终结果的是式(1)中出现光滑因子c，正是络的逼近性能.c值越小，对函数的逼近就越精确，但逼近的过程也越不平滑；c值越大，逼近过程就越平滑，但逼近误差也会比较大.因而，在网络设计过程中需要调整光滑因子以达到理想的精度.理论和实践均证明，GRNN网络具有网络建立过程简单，影响因素少，局部逼近能力强，学习速度快及仿真性能好的特点，非常适合函数逼近.因此，本文选择该网络作为1个有力工具.2 用电容式加速度传感器进行角度测量的非线性标定技术 2.1 实验原理与非线性标定实施方案为得到行之有效的实施方案，本文按照图3所示的实验原理搭建实验平台.通过一系列实验对比，提出如图4所示的非线性标定的具体实施方案.图3 实验原理图4 非线性标定实施方案该方案由数据预处理和GRNN微调2个步骤组成.数据预处理按照反正弦函数对传感器的输出进行初步标定；然后GRNN对初步标定结果进行微调得到最终的标定结果.整个非线性标定过程借助Matlab软件编程实现，无须引入硬件，克服了由于硬件漂移所带来的精度降低的问题，可靠性好.2.2 实例分析以美国压电公司（PCB）的650A14系列电容式加速度传感器为例，对该技术的标定过程进行分析.该传感器的标称灵敏度为1 V/g，当其轴线与水平面夹角为0°时，输出为0；当其轴线与水平面夹角为90°时，输出则为1 g.分析过程中以标定结果的非线性度作为衡量指标.标定结果非线性度的绝对值越小，测量结果的精度就越高.非线性度的计算公式如下：vL=δmaxy m×100%(3)式中：vL为非线性度；δmax 为最大非线性绝对误差；y m为输出满度值（量程）.2.2.1 采集原始数据在本文搭建的实验平台上，用待标定的传感器和标准传感器对0°~90°内的13个角度进行测量，获取13个实际读数—标准读数数据对，为验证数据可重复性的好坏，保证测量精度，对该13个角度重复进行10次测量，获得10组原始数据.取10次测量结果的平均值作为标定的训练样本，对该样本进行插值得待标定传感器在0°~90°范围内的输入输出特性曲线，见图5.图5 电容式加速度传感器的输入输出特性曲线2.2.2 数据预处理由图5可见，待标定传感器有明显的非线性特性，其输入输出特性曲线与正弦曲线近似，而非直线.因此，若将传感器的灵敏度设置为1/90 V/(°)直接对角度进行测量，输出结果的非线性误差将很大，测量精度很低.将其输出，按照方案进行反正弦预处理，处理的结果与被测角度的关系见图6.图6 预处理输出与被测角关系曲线从图中可以看出，预处理后的输出线性化程度有明显提高，但是在0°~45°之间的输出曲线仍有较大波动.2.2.3 GRNN微调结合实际，本文采用单输入单输出，隐层包含13个径向基神经元的3层GRNN，通过反复实验，将该神经网络的光滑因子c设置为0.01.为保证GRNN的处理精度和稳定性，在进行数据处理前，还须对预处理的结果进行归一化处理.最后对GRNN的处理结果进行反归一化处理后便可得到标定的最终结果.标定结果与被测角度的关系曲线见图7.图7 标定结果与被测角度关系曲线从图中可以看出，0°~45°之间的波动消失了，在整个测量范围内标定结果与被测角度几乎成理想的线性关系.从实验的整个过程可见，本文针对电容式加速度传感器测量角度时出现的非线性问题所提出的非线性标定技术有很好的标定效果.2.3 误差分析对比图5~7可以看出输出结果的线性化程度随着标定的过程逐步提高，其相应的非线性度绝对值的变化过程见图8.图8 非线性度绝对值随标定过程的变化曲线由图可见，本文提出的标定技术每个步骤对改善标定结果都有明显作用.经过各个步骤的处理，标定结果与被测角度关系曲线的非线性度的绝对值由最初的21.53%降到仅为0.27%，测量精度大大提高，满足工程实际中非线性标定结果的非线性度控制在±5%以内的要求.在传感器的10组测量数据中，选择1组不同于前述训练样本的数据作为测试样本，按照该技术的实施方案进行处理，对该技术进行检验，标定结果的非线性度仅为0.29%.可见，本文提出的标定技术泛化能力好，有很强的鲁棒性，能够满足工程实际的需求.事实上，直接利用GRNN也可以对传感器进行非线性标定.表1为光滑因子c为0.01时，GRNN直接标定和本文提出的标定技术标定结果的对比.从表中数据可以看出，在运用GRNN处理数据前进行数据预处理十分必要.GRNN直接标定时，标定结果存在明显的边界误差，非线性度为-3.72%.而引入数据预处理后，标定结果的边界误差消失了，非线性度仅为0.27%，标定精度提升1个数量级.表1 2种情况下系统标定结果的对比(c=0.01)被测3 结论针对电容式加速度传感器测量角度时出现的非线性问题，本文提出将反正弦预处理与广义回归神经网络相结合的非线性标定技术，并通过Matlab软件编程实现.经实验证明，该技术比单一使用GRNN进行标定的精度高，可大大提高电容式加速度传感器测量角度的精度，拓展其测量角度的线性范围，而且泛化能力强，有很强的鲁棒性，符合工程实际的测量要求.而且该技术处理速度快，可实现对传感器的实时标定，在工程测量中有很高的应用价值.。
加速度传感器原理、结构、使用说明、校准和参数解释
根据牛顿第二定律F=m*a；惯性力等于质量快质量乘以加速度。 将以上两个公式进行组合可得到Q=d*m*a；其中，d和m在当加速度传 感器的压电陶瓷材料和质量块的质量确定之后就是固定值。
在传感器的可测范围之内，Q和a呈线性关系，可通过电荷Q来表征加 速度值。
质量块
压电 陶瓷
结构与特征
11、耐冲击性 对于物理冲击的界限值。
12、传感器质量 传感器质量最好小于待测物的十分之一。
压电型振动传感器分类
压电型加速度传感器
电荷输出型 电压输出型
通用型 小型 高灵敏度型 高/低温型 防水绝缘型 3轴加速度
电荷输出型部分型号
电压输出型部分型号
三轴加速度传感器部分型号
防水绝缘加速度传感器部分型号
6、接地噪音 如果有两个或两个以上的接地端的时候，那么噪音可能从接地端引入，系统只设一个
接地端或者使用绝缘加速度传感器/绝缘螺栓可消除。 7、热电灵敏度
压电陶瓷和热电传感器用的元件有相同的组成，温度变化会产生电荷，几Hz以下的测 定必须注意。 8、最大使用加速度
压电型加速度传感器的动态范围很宽。最大使用加速度需满足两个条件：1是保证加速 度和输出为线性，2是内藏放大器最大输出电压是否饱和。
与声发射传感器比较 检测低频信号 检测更强的信号 信号具有指向性 非内置放大加速度传感器为电荷输出
压电型加速度传感器原理
压电元件是受到惯性力F后会产生电荷的功能材料，其压电常数的定义如下：
所以，电荷Q=d*F；其中Q为电荷量，d为压电常数，F为受到的力。 压电型加速度传感器的机构如右图所示，压电陶瓷受到的力主要是质
接近螺钉固定的效果 胶带固定：适用于振动频率低振幅小时的一种便利方法 绝缘螺栓固定：绝缘螺栓使加速度传感器和被测物电气
高频、小位移加速度传感器标定方法研究
文 章 编 号 ： １０ －３ ３ （０ ７ ３０ ７ —３ ０ ７２ ７ ２ ０）０ —０５０
高频 、 小位 移加速度传 感器标 定方法研 究
黄 西珍 ，陈 伟 ，王鹏辉
（ 天津航 海仪器研 究所 ，天津 ３０３ ） ０ １０
摘 要 在叙述 了比较标定方法、绝对标定方法以及 两种 方法特点 的基础上 ，分析 了积分干涉仪 用于标定 高频 、小
这种检测也可以利用其它整数 比例关系 ，测量被测信号 ，这个整数关系可 以通过计算屏幕上 ｘ 轴对 Ｙ 轴的环数得到 ．另一方面 ，通过观察 Ｌｓ ｊｕ ｉａ ｓ图形的旋转 ，也能够判断与标准信号源 比较的未知信号 ｓｏ
的漂移 ． 但是在整个标定 的一些特 定阶段 ，可能不存在 比被测信号更好的信号源 ，因而采用这个方法有
一
定的局限性 ． 此外 ， 比较 的整个过 程 中存在固有的不可避免的误差 ， 在 并且数据处理方法本身趋 向于
收 稿 日期 ：２０ —３１ ０ ６０ —４
作者简 介 ：黄西 珍 （９３） １６一，女 （ 族） 汉 ，高级工 程师
维普资讯
７ ６
河
北
线振动 台产 生的线振 动加速度作为输入来 标定加速度计各项性 能的一种试验 ， 主要用于标定加速度计的
二 阶非线性 系数 ，也 可以用于验证 加速 度计 的标 定因数、偏值 的长期 稳定性 和结构强度等 ．
１ 比较标定法 与绝对标定法
实现标定的通用方法是使用 比较法 ， 例如标定一个信 息源就是采用 比较标定法 ． 通常标定一个信号 源的基本技术是使用 １ 世纪法 国的物理学者 Ｊｌ ＡＬｓａ ｕ 命名 的 Ｌｓ ｊｕ 图形 比较 ． ９ ｕｅ ｓ ｉｊ ｓ ｓｏ ｉａ ｓ ｓｏ 使用这个技术 ， 必须提供一个 已知的 、标准频率的 晶振源 ，例如 ，将 １０ Ｈ 引入到示波器 的垂直通道 ，同时把要测试 ０ｋ ｚ 的信号输入到水平通道 ．当频率不一致的时候 ，产生椭 圆转动 ，当它们的频率数值接近时转动减慢 ，当 未知的信号频率和 已知 的信号频率 匹配时转动停止 ．如果 它们的频率差是 ２１ 能得到一个 ８ ．， 字型 图形 ．
实验三 加速度传感器频率响应标定
3.点击setting按钮，进行参数设置 （1）起始及截止频率以及对应振动g值
（2）中心频率以及对应g值设置
4.设置完成后，点击Run按钮，开始扫频
五、试验结果 1.幅频特性
Ch2/Ch1
Ratio (G/G)
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0 2
2.相频特性
Phase (radians)
实验三 加速度传感器频率响应标定
一、实验目的 1.了解激振台的使用方法 2.熟悉加速度传感器的动态特性 3.掌握加速度传感器的动态特性标定方法
二、实验仪器 激振台
பைடு நூலகம்
电荷放大器
控制器
软件平台
功放
激振台
上图中各控制部分作用如下： 电荷放大器：对标准传感器进行调理，因为标准传感器是电 荷输出的压电传感器。 功放：为激振台的起振提供能量 软件平台：开启和关闭激振台，并设置标定参数，如起始频 率、截止频率、中心频率等。 控制器：软件平台通过控制器对激振台进行操作。 三、实验原理 传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应 特性，传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性， 称为频率响应特性。 截止频率：指幅值比下降到零频率幅值比的 倍时所对应的 频率，截止频率反映传感器的响应速度，截止频率越高，传 感器的响应越快
1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7
2
Ch2
Transmissibility (reference = Ch1)
10
100
Frequency (Hz)
Phase relative to Ch1
10
100
Frequency (Hz)
400 400
通频带：传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时对 应的频率范围 工作频带：当传感器的幅值误差为±5%（ ±10% ）时其增益 保持在一定值内的频率范围。 在本实验中，我们采用扫频法对加速度传感器进行频率响应标定 四、实验步骤 1.先将传感器固定在激振台上，并连接好
加速度传感器的数字化标定系统
加速度传感器频率响应特性直接影响到其使用性能 ，在振动分析 和测试中需要对频响特性进行标 定， 根据频响曲线来确定其动态性能。 目前国内外都是采用机械式标定 ， 二 人１ 手动调整正弦激励 ， 由机械 式记录仪逐点记录响应特性。机械系统 阻尼大 、 响应慢 、 直接影响到测 试精度 ， 工作量大 、 人为干扰因素多， 标定难免误差 。 采用 计算机程序控制标定 过程 ， 自动调整测试激励 ， 及时数字化数 据采集 ， 利用数据库存贮和处理功能 ，提供更 丰富测试信息 和分析手 段， 提高标定精度和效率。
科技信息
北京化 工 大学机 电工程 学院 李宵 宵 康敬 欣 张连凯
［ 摘 要］ 加速度传感器的频 率响应特性是加速度传感器的动态特 能指标之一 ， 文介绍 了一种加速度传感频响特性 曲线的数 字化 本 标定系统 ， 分析 了该 系统的硬件组成以及 信号测量 、 采集 、 录、 记 计算 、 显示、 打印功能的 实现 ［ 关键词 ］ 加速度传感器 频响 数字化标 定系统
２机 械 式 标 定 系统 ． 加 速度 传 感 器 动 态 标 定 有 绝 对 和 相 对 两 种 校 准 法 ，绝 对 法 是 以标
令转 发向信号源控制激励变化功能。 数 字 化 标 定 过 程 由计 算 机实 现 ，其 不 仅 根 据 设 置 程 序 控 制 标定 过 程 的 扫频 ， 适 时 采 集 两路 传 感 器 数 据输 出数 据 。 还 这些数据存贮入计算 机数据库 ． 以长期保存 、 可 调用和以各种方式 输 出， 还可以利用相关数据处理 和分析软件 ， 更深入地评价被标定传感 器 的品质 ， 探讨其在材料 、 工艺和质量控制环节所存在的问题 。 采用数字化标定后可允分利用计算控制比较友好的人机交互 界面 ， 系统采用 多文档 界面（ ｌ ｏｕ ｎ ｔ ｆｃ）设计有 ４个窗体 （ｒ ＭｕｔＤ ｃｍｅｔｎｅ ａｅ， ｉ Ｉ ｒ ．ｍ） ｆ 供蒯用 ， 一个数据报表生成器（ ａａ ｅｏｔ提供不同数据格式 。 Ｄ ｔＲ ｐ ｒ ） 启 动 系 统 后 先进 入如 图 ３所 示 的 主 控 界 ￣ （ Ｉ 体）其 对 应 系统 ＭＤ 窗 ， 主控 模块 ， 以协调 、 用 控制 和调 用其他窗体 ， 以对被测 目标 和环境进 可
加速度传感器灵敏度校准(pulse)
s eiwt
iwV i 2 w 2 s w 2 s a V
w 2f 1000
故可知加速度、速度以及位移幅值之间相差 1000 倍。
实验仪器连接框图 （1）使用模拟万用表检查插座是否正确接地，正确接地才能继续进行本实验； （2） 将待校准加速度传感器安装在校准仪的安装螺栓上， 并将各仪器如图依次正确连接， 确认无误； （3）激活整个系统，在电荷放大器上输入初始灵敏度； （4）打开校准仪，看软件读数是否为 10m/s2，如若不是则调节电荷放大器上的灵敏度， 使其为 10m/s2， 此时电荷放大器上的灵敏度即为被校准传感器的灵敏度， 并记录相应的数据； （5）实验完毕，仪器归回原位，进行数据处理。 如待校准传感器为电荷型，则需要通过电荷放大器与数据采集仪相连。 本实验只对 Z 轴方向的灵敏度进行校准。
7、实验小结
通过本实验的学习，使用传感器时要先对其灵敏度进行校准。否者将影响实验结果，致 使实验数据失真，将影响结果分析。 加速度传感器的选用时，在不影响实验的情况下，尽可能选用灵敏度较大传感器，使用 过程中，应尽量减少人为因素对其灵敏度的影响，以免影响实验数据。
2012—12—01==1:06
MADE BY REDBO3312 IN HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY
加速度传感器灵敏度校准（pulse）
1、实验目的
（1）学习压电晶体型加速度传感器基本工作原理； （2）学习压电晶体型加速度传感器电荷灵敏度的标定，并与该传感器出厂指标比较。
2、实验原理
压电式加速度传感器最常见的类型有三种，即中心压缩型、剪切型和三角剪切型。中心 压缩型压电加速度传感器的敏感元件由两个压电晶体片组成，其上放有一重金属制成的惯性 质量块，用一预紧硬弹簧板将惯性质量块和压电元件片压紧在基座上。整个组件就构成了一 个惯性传感器。为了使加速度传感器能正常工作，被测系统振动的频率应该远低于加速度传 感器的固有频率。根据牛顿第二定律，由于惯性质量块和基座之间的相对运动，压电元件片 就受到与之相应的交变压力的作用，因此加速度传感器就能输出与被测振动加速度信号成比 例的电荷量。 压电片在某特定平面上所产生的电荷量可由下式决定：
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加速度传感器标定方法
加速度传感器的标定是为了确定传感器的灵敏度、偏移量和线性度等参数，以确保其测量结果的准确性。
以下是一些常见的加速度传感器标定方法：
1. 零点标定：将传感器置于无加速度状态下，记录传感器的输出值作为零点偏移量。
这可以通过将传感器放置在水平表面上或使用特殊的标定设备来实现。
2. 灵敏度标定：通过施加已知的加速度值，并测量传感器的输出，来确定传感器的灵敏度。
可以使用振动台、旋转平台或其他产生已知加速度的设备来进行标定。
3. 线性度标定：通过在不同加速度范围内进行标定，来确定传感器的线性度。
可以使用多个已知加速度值进行测量，并检查传感器输出与加速度之间的线性关系。
4. 温度补偿：加速度传感器的性能可能会受到温度的影响。
因此，在标定过程中，可以考虑在不同温度下进行测量，并使用数学模型或查表法对温度进行补偿。
5. 交叉灵敏度标定：某些加速度传感器可能对不同方向的加速
度敏感。
为了修正这种交叉灵敏度，可以在不同方向上施加加速度，并记录传感器的输出。