JJF 1427-2013 微机电(MEMS)线加速度计校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范

JJF1427—2013

微机电MEMS线加速度计校准规范

()

CalibrationSpecificationforMEMSLinearAccelerometers

2013-09-02发布2013-12-02实施

国家质量监督检验检疫总局发布

JJF1427—2013

目录

引言………………………

(Ⅱ)

范围……………………

1(1)

引用文件………………

2(1)

术语及定义……………

3(1)

概述……………………

4(1)

计量特性………………

5(2)

校准条件………………

6(3)

校准环境条件………………………

6.1(3)

测量标准及设备……………………

6.2(3)

校准项目和校准方法…………………

7(4)

校准项目……………

7.1(4)

校准方法……………

7.2(5)

校准结果表达…………

8(14)

复校时间间隔…………

9(14)

附录线加速度计重力场校准不确定度评估示例…………

AMEMS(15)

附录校准证书内页格式……………

B(21)

Ⅰ

JJF1427—2013

引言

微机电线加速度计广泛应用于国民经济各领域基于此考虑结合微机

(MEMS),,

电线加速度计校准的实际情况参照国际电工委员会

(MEMS),IEC(INTERNATIONAL

编写的半导体

ELECTROTECHNICALCOMMISSION)60747-14-4Ed.1/CDVIEC

加速度计

(SEMICONDUCTORDEVICES—Part14-4:Semiconductoraccelerometers)

编写本规范

。

Ⅱ

JJF1427—2013

微机电(MEMS)线加速度计校准规范

1范围

本规范规定了微机电线加速度计以下简称线加速度计或加速

(MEMS)(MEMS

度计的校准项目和校准方法适用于单敏感轴线加速度计

),MEMS。

2引用文件

本规范引用了下列文件

:

线加速度计的精密离心机校准规范

JJF1116—2004

单轴摆式伺服线加速度计试验方法

GJB1037A—2004

振动与冲击传感器校准方法第部分振动比较法

GB/T20485.21—200721:

校准

半导体加速度计

IEC60747Part14-4(14-4:Semiconductoraccelerometers)

凡是注日期的引用文件仅注日期的版本适用于本规范凡是不注日期的引用文

,;

件其最新版本包括所有的修改单适用于本规范

,()。

3术语及定义

微机电

3.1MicroElectroMechanicalSystem,MEMS

运用半导体工艺集成了传感器执行器和或电路的系统

、/。

线加速度计

3.2MEMSMEMSlinearaccelerometers

采用加工工艺制作的用于将输入的线加速度成比例的转化为输出通常为

MEMS(

电学量的传感器

)。

敏感质量

3.3proofmass

线加速度计中把沿着或绕输入轴的加速度转换为力矩或力的有效质量

()。

4概述

线加速度计一般由敏感质量挠性支承和转换线路等构成工作原理为敏

MEMS、;

感质量在外界加速度产生的惯性力作用下产生一定位移该位移与输入加速度相关其

,,

物理模型可由公式进行简化

(1):

2xx

Md+Dd+Kx+C=-Ma

t2t(1)

dd

式中

:

M敏感质量

———,kg;

D周围气体提供的阻尼

———,N·s/m;

K弹簧刚度

———,N/m;

1

JJF1427—2013

x敏感质量质心的相对位移

———,m;

a输入加速度2

———,m/s;

C常值

———,N。

将公式进行变换可以得到线加速度计的传递函数见

(1)LaplaceMEMS

公式

(2):

Hs=1

()s2+ξωns+ωn2(2)

2

式中

:

s变换的复变量

———Laplace;

K

ωn固有频率

=M———,Hz;

D

ξ阻尼比

=Mωn———。

2

5计量特性

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其中

MEMS,2,1~16

项为静态特性第项为动态特性

,17。

线加速度计的静态特性模型可由公式进行简化

MEMS(3):

E

=B+ai+Kai2+Kai3+γoap-γpao

K23()

13

式中

:

E加速度计输出加速度计输出单位

———,;

B偏值gg为重力加速度gn2

———,(,=9.80665m/s);

K标度因数输出单位g

1———,/;

ai沿加速度计输入基准轴的加速度g

———IRA,;

ap沿加速度计摆基准轴的加速度g

———PRA,;

ao沿加速度计输出基准轴的加速度g

———ORA,;

K二阶非线性系数gg2

2———,/;

K三阶非线性系数gg3

3———,/;

γo输入轴相对于输入基准轴绕输出基准轴的安装误差

———IAIRAORA,rad;

γp输入轴相对于输入基准轴绕摆基准轴的安装误差

———IAIRAPRA,rad;

线加速度计的动态数学模型由公式和公式进行描述公式

MEMS(4)(5),(4)

为线加速度计的幅频特性公式为线加速度计相频特性

MEMS,(5)MEMS。

æö2

ç1÷

xèωnø

=

aéæöùæö()

êω2ú2ω24

êç÷úç÷

ë1-èωnøû+è2ξωnø

ω

ξ

2ωn

φ=-

arctgæωö2(5)

-ç÷

1èωnø

2

JJF1427—2013

式中

:

ω输入加速度的频率

———,rad;

φ敏感质量之心位移的相位

———,rad。

对于采用摆式工作原理的线加速度计通常用输入基准轴输出基

MEMS,(IRA)、

准轴摆基准轴来表示加速度计的三个正交方向相应的安装状态分

(ORA)、(PRA),

为摆态和门态两种如果被校准的线加速度计不能区分摆态和门态则按照与

。MEMS,

输入基准轴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

(IRA)。

进行描述图和图分别为两种状态的位置定义

。12。

图摆态安装校准位置定义

1

图门态安装校准位置定义

2

6校准条件

校准环境条件

6.1

温度校准过程中温度波动量不超过

:(20±5)℃,2℃;

相对湿度

:≤85%;

周围无强电磁场无腐蚀性气体或液体无强震源

,,。

测量标准及设备

6.2

校准用标准装置及配套设备如表所示

1。

3

JJF1427—2013

表1校准用标准装置及推荐技术指标

校准用标准装置及

序号校准类型技术指标用途

配套设备

偏值

精密分度极限偏差

:5″偏值一致性

装置分辨力

::1″标度因数

失准角

电压表准确度

:0.5阈值

频率计分辨力位半

加速度计():6分辨力

重力场检定gg稳定性

0/1

装置水平仪示值误差偏值短期稳定性

:±2″

标度因数短期稳定性

偏值短期重复性

静态校准温箱偏差

1:±2℃标度因数短期重复性

温箱温度稳定度

:1℃偏值温度灵敏度

均匀度

:2℃标度因数温度灵敏度

精密离心机级

0.1

标度因数

离心机加速二阶非线性系数

度标准装置电压表三阶非线性系数

位半

频率计6非线性度

()

中频振动台幅值不确定度

:3%

频谱分析仪

:

频谱分析仪幅频特性

中频振动

动态校准1Hz~10kHz相频特性

2标准装置示波器示波器

:20MHz带宽

电压表

位半

频率计6

()

注:上述校准装置适用于测量范围小于、精度及以下线加速度计的校准。

300g0.1%MEMS

7校准项目和校准方法

校准项目

7.1

校准项目见表

2。

4

JJF1427—2013

表2校准项目一览表

序号项目名称校准方法

7.2.1.1

偏值

17.2.1.2

7.2.1.3

偏值一致性

27.2.1.2

7.2.1.1

标度因数7.2.1.2

3

7.2.1.3

7.2.1.10

失准角7.2.1.1

4

7.2.1.2

阈值

57.2.1.4

分辨力

67.2.1.5

gg稳定性

70/17.2.1.6

偏值短期稳定性

87.2.1.7

标度因数短期稳定性

97.2.1.7

偏值短期重复性

107.2.1.8

标度因数短期重复性

117.2.1.8

偏值温度灵敏度

127.2.1.9

标度因数温度灵敏度

137.2.1.9

二阶非线性系数7.2.1.1

14

7.2.1.10

三阶非线性系数7.2.1.1

15

7.2.1.10

非线性度

167.2.1.10

带宽

177.2.2

校准方法

7.2

静态校准

7.2.1

多点法

7.2.1.1

多点法用于在重力场内进行多点翻滚测试以分离线加速度计模型方程的各

MEMS

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

,,

态则可以简化为其中一种安装状态的测试

,。

5

JJF1427—2013

摆态安装

a):

分度头转轴处于水平位置并将分度头转到位置加速度计安装到分度头上

1),0°,,

输入基准轴位于水平方向摆基准轴的正向垂直向上输出基准轴

(IRA),(PRA),

与分度头转轴平行

(ORA)。

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

2),(

条件数据量不少于个取平均下同

,7,);

按角度增量θnn转动分度头各转角依次为θnθnkθnn

3)=360/,,2,…,…(-1)

θn在每一角位置上记录加速度计的输出值

,;

将分度头旋转到然后再反向旋转分度头按角度θn依次递减到依次

4)360°,,0°,

记录每一角位置上加速度计的输出值

;

分别计算分度头正转和反转时各位置输出值的平均值Ekkn

5)(=0,1,2,…,-1);

按照公式公式进行计算

6)(6)~(10):

标度因数

:

n-n-

11

KEkkθnEkkθn

1=2+6

nk=sinnk=sin3(6)

∑0∑0

偏值

:

n-n-

æ11ö

ç1Ek+2Ekkθn÷

ènk=nk=cos2ø

B=00

∑K∑()

17

二阶非线性系数

:

n-

1

-4Ekkθn

nk=cos2

K=