[发明专利]一种基于时间测量的单器件虚拟加速度计及其实现方法

权利要求书

1.一种基于时间测量的单器件虚拟加速度计的实现方法，所述的加速度计结构特征为：四根支撑质量块(301)的弹性支撑梁(302)将所述质量块(301)支撑于其两侧的固定锚点一(303)上，使得所述质量块(301)只在该加速度计的敏感方向即上下方向运动，与质量块(301)相连接的第一电容器极板(304)和与固定锚点二(305)相连接的第二电容器极板(306)形成静电力驱动电容器(307)，质量块(301)由静电力驱动电容器(307)驱动沿敏感方向振动，与质量块(301)相连接的第三电容器极板(308)和与固定锚点三(309)相连接的第四电容器极板(310)形成检测电容器(311)；其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立位移与电压的一一对应关系：

通过静电力驱动电容器(307)驱动质量块(301)工作在谐振状态，在检测电容器(311)端口，采用电容接口电路提取在谐振频率ω₀时±1g的直流电压V_1g和V_-1g，依据公式得到位移对电压的灵敏度S_xv，然后再依据公式建立起质量块(301)位移x与接口电路输出电压V的一一对应关系；

步骤二：解算加速度a₁、a₂、…、a_N，包括如下子步骤：

子步骤一：通过调节施加在静电力驱动电容器(307)上的驱动电压调节位移振动幅值A，满足其中a_max是传感器最大量程；

子步骤二：定义N组位移参考点X_ij，i＝1，2，...，N，j＝1，2，i代表第i组位移参考点，j代表第i组中第j个位移参考点，满足且|X_i1-X_i2|是一个常数；

子步骤三：根据步骤一建立的位移与电压对应关系、子步骤二定义N组位移参考点X_ij，可得到N组电压参考点V_ij，i＝1，2，...，N，j＝1，2；

子步骤四：在有加速度输入时，采集接口电路输出电压离散信号，提取电压离散信号1.5个振动周期，等效位移拟合方程为x＝Acos(ω₀t+π)-d，其中d为加速度引起的位移直流偏置；

子步骤五：对子步骤四采集的电压离散信号，采用数据后处理来解算加速度，当参考电压点处在两个采样离散点之间时，数值上最接近参考电压点的那个采样点视为产生触发事件，对于第一组电压参考点V_1j，j＝1，2中的参考电压点V₁₁，依次可判断出触发事件te1、te2、te3，触发事件te1与触发事件te2之间时间为时间间隔T₁₁，触发事件te1与触发事件te3之间时间为时间间隔T₁，实质上，T₁是此时刻的振动周期；对于参考电压点T₁₂，依次可判断出触发事件te4、te5，触发事件te4与触发事件te5之间时间为时间间隔T₁₂，将子步骤二中第一组位移参考点X₁₁、X₁₂，以及测量到的时间间隔T₁₁、T₁₂、T₁代入公式可解算出加速度a₁；

子步骤六：重复子步骤五，依次用第二组、第三组、…、第N组电压参考点替代第一组电压参考点，并判断触发事件及测量时间间隔，可以解算出加速度a₂、a₃、…、a_N；

步骤三：通过数据冗余算法融合加速度a₂、a₃、…、a_N，得到高精度输出加速度a，包括如下子步骤：

子步骤一：对加速度量测值a₁(t)、a₂(t)、…、a_N(t)，进行随机误差建模，将其建模为真实加速度度a(t)，速度随机游走白噪声n_i(t)之和，即a_i(t)＝a(t)+n_i(t)，速度随机游走白噪声n_i(t)方差单位为

子步骤二：根据建立的随机误差模型，建立系统状态空间模型其中X(t)＝a是状态向量，Z(t)是加速度计阵列量测输出向量，Z(t)＝[a₁(t)，a₂(t)，...a_N(t)]^T，为量测矩阵，F＝0是卡尔曼滤波系数矩阵，w(t)和v(t)分别代表过程白噪声和量测白噪声，它们可表示为w(t)＝n_w、v(t)＝[n₁，n₂，...，n_N]^T，并且E[w(t)w^T(t+τ)]＝q_wδ(t)，E[v(t)v^T(t+τ)]＝Rδ(t)，δ(t)为Dirac-delta函数，q_w为噪声方差依据传感器噪声水平和输入信号动态特性来确定，R为量测噪声协方差矩阵；

子步骤三：子步骤二中的量测噪声协方差矩阵R由阵列中各加速度计的量测噪声以及它们之间的相关系数决定,可表示为其中是第i个加速度计速度随机游走噪声方差,ρ_ij是阵列中第i个和第j个加速度计量测噪声之间的相关系数；

子步骤四：依据状态方程，建立卡尔曼滤波方程将卡尔曼滤波方程离散化，得离散卡尔曼滤波方程其中，T_a是加速度的采样周期，是前一序列最优值，C＝H^TR^-1H，然后将阵列系统的量测序列Z_k，量测矩阵H，噪声方差q_w，量测噪声协方差矩阵R代入离散卡尔曼滤波方程进行滤波计算，对于此时刻的量测序列Z_k＝[a₁，a₂，...a_N]，经过滤波后，可以得到高精度加速度输出a。