專利名稱：用于校準(zhǔn)傳感器的方法及系統(tǒng)的制作方法
用于校準(zhǔn)傳，的方法及系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[OOOl]本發(fā)明總體上涉及傳感器，尤其涉及用于校準(zhǔn)三軸加速度計(jì)的方法及系統(tǒng)。
技術(shù)背景
已知的用于校準(zhǔn)三軸加速度計(jì)(同軸三柱器(triax))的校準(zhǔn)技術(shù)通 常是對(duì)單個(gè)應(yīng)力傳感器的全刻度和偏置輸出變化進(jìn)行補(bǔ)償，然后用數(shù)學(xué)方法調(diào) 整應(yīng)力傳感器元件，使其被定向成彼此正交并按照笛卡爾坐標(biāo)系排列。然后旋 轉(zhuǎn)變換使該同軸三柱器以已知的實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)。也就是，對(duì)同軸三柱器 的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以匹配由校準(zhǔn)裝置限定的實(shí)驗(yàn)室參考系。該實(shí)驗(yàn)室參考系 可以與具有鋭隹標(biāo)記的工具面或公共參考表面上的參考系相關(guān)聯(lián)。
三軸加鵬計(jì)組裝通常是冗長(zhǎng)的過(guò)程。并且，由于相對(duì)低的銷售量， 因此，在自動(dòng)三軸組裝過(guò)程上幾乎沒(méi)有投資。此外，三軸加速度計(jì)的一些部件 耐用，例如框架，但是其他部件如應(yīng)力傳感器元件可能易碎和/或昂貴。另外， 將應(yīng)力傳感器元件的一端耦合到三軸加速度計(jì)底盤，以及將該應(yīng)力傳感器元件 的另一端耦合到懸浮的質(zhì)量塊(proof mass),使得應(yīng)力傳SI元件被定向成彼 此正交可能是困難的。并且，彼此正交地定向應(yīng)力傳感器元件的過(guò)程通常是主 觀性的，并且因此，可能在應(yīng)力傳感器元件之間產(chǎn)生小的未對(duì)準(zhǔn)。這種未對(duì)準(zhǔn) 會(huì)對(duì)三軸加繊計(jì)的校準(zhǔn)產(chǎn)生不利影響，這陶氐了其測(cè)量精確度。發(fā)明內(nèi)容
在一方面中，提供一種用于校準(zhǔn)傳感器的方法。該方法包括提供 限定第一坐標(biāo)系統(tǒng)的固定件，提供底盤，并對(duì)多個(gè)傳感器元件定向以構(gòu)成未對(duì) 準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)，其中該未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)軸被定向成彼此之間呈非直角。該方 法還包括將被校準(zhǔn)的傳感器耦合到該固定件，并用數(shù)學(xué)方法補(bǔ)償該未對(duì)準(zhǔn)的坐 標(biāo)系統(tǒng)以與第一坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)。
在另一方面中，提供一種校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括限定第一坐標(biāo)系統(tǒng) 的固定件、底盤、耦合到該固定件的傳感器，以及多個(gè)傳感器元件，該多個(gè)傳感器元件被定向以構(gòu)成未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)，該未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)軸被定向成彼 此之間呈非直角，其中傳感器輸出被用數(shù)學(xué)方法補(bǔ)償，使得該未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系 統(tǒng)與第一坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)。
在另一方面中，提供一種校準(zhǔn)系統(tǒng)控制器，該校準(zhǔn)系統(tǒng)控制器包括 用于優(yōu)化傳感器的校準(zhǔn)參數(shù)以對(duì)傳感器的未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)奶幚?器，從而通過(guò)確定分解的力向量月"({4^+》，使該未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)與第一坐標(biāo)系鄉(xiāng)M準(zhǔn)，其中/;是，軍的力向量，j就準(zhǔn)矩陣，《是刻度向量，^是 電壓向量，s是偏壓向量，/是單位矩陣。


圖1是由單一三t組的應(yīng)力傳,元件支撐的示例性質(zhì)量塊的透視圖2是包括被彼此正交地定向的三軸傳繊的未對(duì)準(zhǔn)的軸的示例性 三維三軸坐標(biāo)系統(tǒng)；
圖3是包括被彼此不正交地定向的三軸傳感器的未對(duì)準(zhǔn)的軸的三維 三軸坐標(biāo)系統(tǒng)；
圖4是示出Y、由不正交于X、由的示意圖；[OOll]圖5是由兩組三t組的應(yīng)力傳感器元件支撐的示例性質(zhì)量塊的透 視圖；以及
圖6是示出三軸傳感器的X軸相對(duì)于校準(zhǔn)固定件的Y平面的取向的 示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1歸例性三軸加速度計(jì)的透視圖，所臟軸加速度計(jì)也被稱為 同軸三柱^(?？?0，其包括單一三個(gè)一組的應(yīng)力傳 元件14、 16和18。 更具體地，在示例性實(shí)施例中，質(zhì)量塊12由該三個(gè)一組的應(yīng)力傳^元件14、 16和18支撐。*應(yīng)力傳自元件14、 16和18分別包括第一端15、 17和19 以及第二端21、 23和25。應(yīng)力傳感器元件14、 16和18的第一端15、 17和19 分別被耦合到同軸三柱^l專感器底盤20、 22和26，并且第二端21、 23和25 均被耦合到質(zhì)量塊12的相應(yīng)面。
同軸三柱:tM專感器10通常采用可調(diào)節(jié)的校準(zhǔn)固定件(未示出)在光 學(xué)平表面上被校準(zhǔn)，該可調(diào)節(jié)的校準(zhǔn)固定件被設(shè)計(jì)成將同軸三柱器傳感器10保持在固定取向上。該固定件被設(shè)計(jì)成便于將同軸三柱器傳感器10相對(duì)于固定件 的已知的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)精確定位。固定件具有彼此正交地安裝的三個(gè)精確旋 轉(zhuǎn)臺(tái)。在校準(zhǔn)過(guò)程中，對(duì)每個(gè)臺(tái)上的微定位器(未示出)進(jìn)行調(diào)節(jié)以改變同軸三柱^lf?？?0的取向。對(duì)針取向記錄應(yīng)力傳麟元件14、 16和18的輸出。
圖2是示例性的三維同軸三柱器傳感器的坐標(biāo)系統(tǒng)28，該坐標(biāo)系統(tǒng) 28包括已知的軸X、 Y和Z以及未對(duì)準(zhǔn)的軸X*、 Y、nZ*。應(yīng)該明白，己知的 軸X、 Y和Z表示由校準(zhǔn)固定件的於平面限定的軸，并且未對(duì)準(zhǔn)的軸f、 Y*、 f由元件14、 16和18限定并理想地假設(shè)或已知其彼此間正交。在兩個(gè)正交的 坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程中，需要使同軸三柱tM專感器10相對(duì)于固定件的X、 Y和 Z軸進(jìn)行三個(gè)唯一的旋轉(zhuǎn)，以便定向兩坐標(biāo)系統(tǒng)使其一致。[oon]圖3是由x、 y禾n z軸指定的示例性三維同軸三柱^f專感器坐標(biāo)系統(tǒng)30，其包括未對(duì)準(zhǔn)且變形的軸X*、 Y*、 Z'。應(yīng)該理解，未對(duì)準(zhǔn)且變形的軸 X*、 Y、Z'彼此間不正交定向，并且與X、 Y和Z軸不相關(guān)或不對(duì)準(zhǔn)。
通常，為了完全校準(zhǔn)并對(duì)準(zhǔn)同軸三柱器傳感器IO，未對(duì)準(zhǔn)的軸y、 Y、 Z、皮用數(shù)學(xué)方法補(bǔ)償，也就是被旋轉(zhuǎn)、縮放、偏置，以便基本上與固定件 的已知X、 Y和Z軸相對(duì)應(yīng)。作為第一步，未對(duì)準(zhǔn)矩陣M被用于用數(shù)學(xué)方法調(diào) 整應(yīng)力傳 元件14、 16和18的輸出，使得它們的輸出模仿(emulate)相互 正交的X*、 Y、 Z、由。當(dāng)三個(gè)一組的傳感器10的應(yīng)力傳自元件14、 16和18 彼此不正交定向時(shí)，如圖3所示，對(duì)稱的未對(duì)準(zhǔn)矩陣M定義如下1 —I —附v<formula>formula see original document page 6</formula>應(yīng)該明白，未對(duì)準(zhǔn)矩陣M補(bǔ)償物理上彼此不正交的應(yīng)力傳感器元件 14、 16和18。在矩陣M中，每個(gè)非對(duì)角線的輸入與同軸三柱:^專感器10上的 軸X*、 Y、 Z'之間的角相關(guān)，從而，如果這些軸相互正交，則Kyh |mxzh |ng=0。如果它們不相互正交，則這三項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)將不等于o。
圖4是當(dāng)所定義的同軸三柱器的Y、由真的不與X'軸正交的情況下的示例性示意圖。為了表示不正交，X、 Y'的單位向量都假設(shè)為位于紙面限定的平面中。由于X、Y'之間的角距離小于90度(銳角)，因此m^。同樣重要地，不管包括的角度是參照X、由還是參照Y'軸，X和Y軸之間的角度相同。逸就意瞎M矩陣就稱的，也就是，nv二nv。因此，采用單一三t組的應(yīng)力傳感器元件，僅需要三個(gè)量nv、 n^和n^來(lái)重新形成X'、 Y'和Z、由，使得它們相互間彼此正交。應(yīng)該明白，未對(duì)準(zhǔn)矩陣M只用于保證應(yīng)力傳繊元件彼此正交，并且不使應(yīng)力傳感器元件與校準(zhǔn)固定件的實(shí)驗(yàn)室參考系相關(guān)。
圖5是示例性的也被稱作同軸三柱器傳感器32的三軸加速度計(jì)的透視圖，其包括兩組三個(gè)一組的應(yīng)力傳 元件^叩、質(zhì)量塊34和構(gòu)件36、 38和40，它們一起構(gòu)成單個(gè)底盤。第一組三個(gè)一組的組件p包括應(yīng)力傳感器元件W、 ^、 ^，而第二組三t組的組j鄰包括應(yīng)力傳感器元件(3x、 (V pz。針應(yīng)力傳麟元件&、 )Liy、 )Liz、 Px、 Py、 Pz產(chǎn)生電壓，使得每組三t組的元件產(chǎn)生三個(gè)電壓的總值。采用下述的方程(1)，每組三個(gè)一組的應(yīng)力傳感器元件的三水電壓f被轉(zhuǎn)換為懶軍的力向量F
《=M({^+5)
在方程(1)中，M為未對(duì)準(zhǔn)矩陣，S為由S《(1)給出的刻度向量，f為由f =給定的偏壓向量或電壓偏移，/是單位矩陣。應(yīng)該明白，刻度向量5為用于給定應(yīng)力傳感器元件&、 ^、化、PX、 Py和Pz的全刻度輸出校正因子，下標(biāo),表示校準(zhǔn)過(guò)程中同軸三柱制專離32的取向數(shù)目。在示例性實(shí)施例中，元件^、 A、 )Llz、 Px、 (3y和(3z產(chǎn)生電位(電壓)輸出。然而，應(yīng)該理解，雖然示標(biāo)樣板與待測(cè)影像的比對(duì)，因此具有如下所述的優(yōu)點(diǎn)及功效1、 利用適應(yīng)函數(shù)減少比對(duì)時(shí)間。預(yù)先在目標(biāo)樣板內(nèi)設(shè)定數(shù)個(gè)像素點(diǎn)，并 計(jì)算其適應(yīng)函數(shù)值，當(dāng)目標(biāo)樣板在比對(duì)待測(cè)影像時(shí)，只計(jì)算比對(duì)其適應(yīng)函數(shù) 值(也可以算是該數(shù)個(gè)像素點(diǎn)的差異度，其余像素點(diǎn)都予以忽略計(jì)算，可以大 幅減少比對(duì)時(shí)間。2、 通過(guò)基因演算法迅速找出最佳目標(biāo)樣板。本發(fā)明使用的基因演算法是一種無(wú)需梯度(gradient)資料的最佳化工具，只要找到適應(yīng)函數(shù)經(jīng)過(guò)不斷的 疊代，即可找到最佳的解，進(jìn)一步產(chǎn)生最佳的目標(biāo)樣板。3、 以序列方式節(jié)省記錄目標(biāo)樣板所需的存儲(chǔ)體空間。本發(fā)明利用基因演 算法則，以與待測(cè)區(qū)塊影像的最小差異量的條件，在目標(biāo)樣板上選取預(yù)定的 像素點(diǎn)，其余非選取的像素點(diǎn)都予以忽略，加上采用序列的方式來(lái)記錄所選 取像素點(diǎn)的資訊，故，節(jié)省許多記錄目標(biāo)樣板資訊所需的存儲(chǔ)體空間。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上 的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等 同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
然而，由于校準(zhǔn)儀器的不理想和隨機(jī)誤差，殘差C通常并不等于O。 結(jié)果，將校準(zhǔn)設(shè)計(jì)為通過(guò)取其微商并將其設(shè)定為等于0，也就是^乂 = 0的方式 使l ;l最小化。
此外，^通常為地球重力場(chǎng)，使得《=^二{9.81柳/ }2。在示例性 實(shí)施例中，通過(guò)JOT鉛錘線(未示出)來(lái)確定該重力向量，并且該重力向量沿著固定件的X、 Y和Z軸被^M為如下的三個(gè)分量-& = - &
利用如下面方程(5)所示的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)的前兩項(xiàng)，對(duì)方程(4) 的解進(jìn)行簡(jiǎn)化
"=Z(4-(A+t巧泡))2 (5)
在方程(5 )中，a是包含12項(xiàng)的解向量，由f給定，且敲是用于迭代i爐小化C的相關(guān)聯(lián)的校正因子。下標(biāo)/和^表示用于由方程(5)最小化殘差^的同軸三柱^j專感器32的第/個(gè)取向和第yt次迭代，使得目標(biāo)函數(shù)的微商^乂等于0 (也就是9乂 = 0)。這樣，為了計(jì)算方程(5)中使用的敲，對(duì)*取向/和每次迭代yt計(jì)算f乂的微商，并將其設(shè)定為O。利用計(jì)算出的微商，定義矩陣H并獲得下面(6)中所示的線性系統(tǒng)
服=疋 (6)
其中// = ^^。月,。^ (6a)
以及^ = 2夂^(4-^) (6b)
矩陣H包括由下面方程(7)進(jìn)行計(jì)算的各個(gè)元素
屹=zi(^;. /^,)(^ " m) (7)
其中/和w分別為行下標(biāo)和列下標(biāo)，且m同軸三柱器力向量《的 ，Y和Z分量進(jìn)，fi^代。^為其各個(gè)元素由下面所示的方程(8)進(jìn)行計(jì)算的
^ = st(^;(8)
其中/和m分別為行下標(biāo)和列下標(biāo)，并且y艦卩.的X、 Y和Z分量 進(jìn)fi^t代。應(yīng)該明白，對(duì)H矩陣和》向量中的各個(gè)元素在每次迭代yt時(shí)進(jìn)行重iH十算，以解決解向量5的變化?！〢包含用于方程(7)和(8)中的12個(gè)偏 導(dǎo)數(shù)，這^j扁導(dǎo)數(shù)3I31下面的方程(9a-91)予以確定<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 11</formula>(91)
在示例性實(shí)施例中，在確定了矩陣H和12個(gè)成分向量》之后，禾, 兩步處理以增加校準(zhǔn)處理的精確度，或確定解向量5的最佳值。第一步包括為 解向量5選擇合適的初始值，并利用標(biāo)準(zhǔn)矩陣逆算法對(duì)線性系統(tǒng)(6)進(jìn)行求解。 解向量5的初始值M:假定同軸三柱謝專感器32分別與校準(zhǔn)固定件(未示出)限定的實(shí)驗(yàn)室參考系準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)、應(yīng)力傳感器元件^、 ^、 A與Px、 (V Pz分別互 相正^確定。這樣，對(duì)準(zhǔn)矩陣A被假定為單位矩陣，刻度向量S也被假定為 單位矩陣，且偏差向量^被假定為O。應(yīng)該明白，在示例性實(shí)施例中，釆用LU 爐對(duì)線性系統(tǒng)(6)進(jìn)行求解。應(yīng)該理解，雖然示例性實(shí)施例采用LU ，率， 但其他實(shí)施例也可以采用任何旨,如這里所述校準(zhǔn)同軸三柱^i專感器32的方法 來(lái)求解線性系統(tǒng)(6)。
在示例性實(shí)施例中，校正因子敲^通過(guò)如下面方程(10)所示的那 樣對(duì)矩陣H進(jìn)行求il^確定
在第二步中，禾,校正因子^對(duì)選出的解向量5進(jìn)行更新，以采用下面方程(11)所示的方式確定最佳的解向量^+,
《+1 =^+^ (11)
迭代過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行直到^ < S為止，其中5是用戶對(duì)<^的針元素的收斂性標(biāo)準(zhǔn)定義的向量。在替換的示例性實(shí)施例中，用戶可以選擇收斂標(biāo)量Tl ， 使得在《q時(shí)迭代終止。在替換實(shí)施例中，用戶選擇單一值來(lái)識(shí)別算法收斂。 不論選擇了明P個(gè)收纟娘量，迭代過(guò)程都確定解向量5的12個(gè)自變量。解向量5 的12個(gè)自變量中的每一個(gè)被用在方程(3a)中，以便補(bǔ)償三軸應(yīng)力傳感器元件 Mx、 ^、 )Liz、 px、 Py和Pz相對(duì)于強(qiáng)加的力向量4的未對(duì)準(zhǔn)、縮放、偏差。應(yīng)該理 解明白，隨著同軸三柱制專感器32的取向/數(shù)目的增加，與解向量5成分相關(guān) 聯(lián)的不確定性隨之?dāng)嘭怠?br> 在示例性實(shí)施例中，對(duì)每組三個(gè)一組的^叩需要最少12個(gè)唯一的同 軸三柱器傳感器32 的取向， ，以定義解向量 5二[Uy,&,c^,&, , ,aw AAAf中的項(xiàng)。應(yīng)該明白，需要同軸三柱器傳感器32的12個(gè)獨(dú)立的取向來(lái)唯一地確定解向量5 。應(yīng)該理解，雖然示例性 實(shí)施例中描述為需要12個(gè)獨(dú)立的取向，但是在其他例子中，大于12的任何數(shù) 目的取向^以采用。
應(yīng)力傳自元件是精密裝置，當(dāng)它們經(jīng)歷強(qiáng)烈擠壓、拉伸或瞬間(剪 切)力時(shí)很容易發(fā)生故障。為了充分支撐質(zhì)量塊34以使應(yīng)力傳 元件不過(guò)早 地出現(xiàn)故障，需要6個(gè)或更多的應(yīng)力傳，元件^、 、a、 px、 J3y和(3z。應(yīng)力 傳 元件&、 ^、 Mz、 (3x、 Py和Pz使質(zhì)量塊34施加的重力和力矩保持平衡。 因?yàn)樾枰辽?個(gè)應(yīng)力傳皿元件(Lix、 a、 a、 px、 (3y和(3z，方程(3a)中所示 的對(duì)準(zhǔn)矩陣A按照如下所示的方程(12)展開(kāi) <formula>formula see original document page 12</formula>
這里描述的校準(zhǔn)技術(shù)可能是冗長(zhǎng)和重復(fù)的。因此，在示例性實(shí)施例 中，采用包括控制器、處理器以及存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(未示出)與用于校準(zhǔn) 固定件的三W由的機(jī)動(dòng)化精確裝配一^t同軸三柱制專感器32進(jìn)行定向。
這里所用的術(shù)語(yǔ)"處理器"可以包括任何可編程的系統(tǒng)，包括采用 微控制器、精簡(jiǎn)指令集電路(RISC)、專用集成電路(ASIC)、邏輯電路以及任 何其他能夠執(zhí)行這里所述功能的電路或處理器的系統(tǒng)。上面的例子只是作為示 例，并不是用任何方式來(lái)限定術(shù)語(yǔ)"處理器"的定義和/或意義。
存儲(chǔ)器可以采用可變的、易失性或非易失性存儲(chǔ)器或不可變的、或 固定的存儲(chǔ)器的任何合適的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)?？勺兊拇鎯?chǔ)器，不論是易失性的還是 非易失性的，都可采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的RAM(隨機(jī)存儲(chǔ)器)、軟 磁盤驅(qū)動(dòng)器、 可寫的或可再寫的光 磁盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、閃存等中的任何一個(gè)或多 個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。相似地，非可變的或固定存儲(chǔ)器可以采用ROM(只讀存儲(chǔ)器)、PROM (可編程只讀存儲(chǔ)器)、EPROM (可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)、EEPROM (電可 擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)、如CD-ROM或DVD-ROM盤等的光學(xué)ROM盤、以 及磁盤驅(qū)動(dòng)器等中的任何一個(gè)或多個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)該理解，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以是任何種類的能夠執(zhí)行這里所述的校準(zhǔn)同軸三柱傳感器32的計(jì)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)便于戀il同軸三柱器取向,移動(dòng)同軸三柱§1#繊32，采集元件)Llx、 |Lly、 Mz、 Px、 (3y和Pz產(chǎn)生的電壓，執(zhí)行這里所述的所有計(jì)算并使操作者的誤差最小。進(jìn)一步，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)連續(xù)24小時(shí)的校準(zhǔn)周期。
這里描述的示例性實(shí)施例便于使相對(duì)于已知的參考系校準(zhǔn)三軸傳感 器所需步驟的數(shù)目最小化，這里的參考系例如但不限于坐標(biāo)系統(tǒng)。例如，當(dāng)采 用同軸三柱器傳感器作為向下鉆 L操作中的取向模塊中的一部分時(shí)，可以采用 示例性實(shí)施例將未被校準(zhǔn)的同軸三柱器傳感器對(duì)準(zhǔn)并補(bǔ)償至打鉆工具面上的己 知參考系。從補(bǔ)償、旋轉(zhuǎn)以及校準(zhǔn)處理中消除步驟，便于使與校準(zhǔn)、輸出補(bǔ)償 以及傳感器插入步驟中處理和旋轉(zhuǎn)同軸三柱器傳自相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)和隨機(jī)誤差 最小化。更具體地，示例性實(shí)施例對(duì)準(zhǔn)三個(gè)一組的應(yīng)力傳感器元件的輸出使其 正交，補(bǔ)償應(yīng)力傳感器元件輸出中的亥岐和偏壓因素，并旋轉(zhuǎn)同軸三柱制專感 器的坐標(biāo)系統(tǒng)以使其與實(shí)驗(yàn)室參考系相匹配。并且，示例性實(shí)施例采用單一的 一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行對(duì)準(zhǔn)和旋轉(zhuǎn)，使得具有非笛卡爾(即非正交的)應(yīng)力傳感 器元件幾何的三軸加皿計(jì)的設(shè)計(jì)被旋轉(zhuǎn)至已知的笛卡爾參考系，例如但不限 于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)固定件的參考系。
在上述校準(zhǔn)方法的每個(gè)實(shí)施例中，方便于對(duì)非正交定向的應(yīng)力傳感 器元件的校準(zhǔn)付出更小的勞動(dòng)強(qiáng)度并更力備確。更具體地，在每個(gè)實(shí)施例中， 該方法通過(guò)在同軸三柱器傳感器輸出和在同軸三柱器傳感器上的檢測(cè)的重力 (或其他強(qiáng)加的)間的關(guān)系中采用三個(gè)額外的校準(zhǔn)項(xiàng)，使同軸三柱器傳感器的組 裝和制造更容易，并方便進(jìn)行同軸三柱tH專感器的自動(dòng)校準(zhǔn)。結(jié)果，同軸三柱 ^H專感器的校準(zhǔn)更精確并更快地進(jìn)行，產(chǎn)量增加，并且同軸三柱^^專 可以 提供更精確地測(cè)量。因此，同軸三柱器傳感器的性能和組件的可用壽命的每一 個(gè)可以在成本有效和可靠的方式下得以提高。
上面對(duì)校準(zhǔn)方法的示例性實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的描述。該方法不限于用在這里所述的特定的同軸三柱器傳自配置中，而是，該方法可以與這里所 述的其他校準(zhǔn)部件獨(dú)立并相分離地實(shí)施。并且，本發(fā)明不限于上述詳細(xì)描述的 校準(zhǔn)方法的實(shí)施例。而是，在權(quán)利要求的精神和保護(hù)范圍之內(nèi)的校準(zhǔn)方法的其 他變化都可以采用。部件列表10:同軸三柱IM專皿 12:質(zhì)量塊 14:元件 15:第一端20:同軸三柱||#^|底盤 2h第二端28:同軸三柱器傳感器坐標(biāo)系統(tǒng) 32:同軸三柱^[專 34:質(zhì)量塊 36:構(gòu)件
權(quán)利要求
1.一種校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括限定第一坐標(biāo)系統(tǒng)的固定件；底盤(20)；耦合到所述固定件的傳感器(10)；以及多個(gè)傳感器元件(14)，該多個(gè)傳感器元件(14)被定向以形成具有未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)軸的未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)(28)，該未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)軸被定向成彼此之間呈非直角，其中傳感器輸出被用數(shù)學(xué)方法補(bǔ)償，使得所述未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)與所述第一坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)傳 元件(10)中的每一* 括第一端(15)和第二端(21)，所述第一端的每一個(gè)與所述多個(gè)底盤(20)中 相應(yīng)的一個(gè)相耦合；以及所述第二端的每一個(gè)與質(zhì)量i央(12， 34)的相應(yīng)面相耦合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)傳麟元件(10)進(jìn)一步包括至 少兩組三^"組的傳&元件。
4. 根據(jù)禾又利要求l的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括由目標(biāo)函數(shù)確定的最小殘差值，該 目標(biāo)函數(shù)由下述給出其中，4為地球重力場(chǎng)，《為感應(yīng)到的力向量，《為所述最小殘差值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括由《=44^+6—)給出的方程確定 的懶軍的力向量，其中月為懶軍的力向量，^為對(duì)準(zhǔn)矩陣，^為亥岐向量，^為 電壓向量，^為偏壓向量，/為單位矩陣。
6. 根據(jù)禾又利要求l的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括解向量，該解向量331為所述解向量選定至少一個(gè)初始{魏確定；以及 線性系統(tǒng)，該線性系統(tǒng)由//^=》限定，其中敲^為校正因子，i/為具有按照 i:i:(^/^)(^y^j計(jì)算的元素的矩陣，^為所鵬定的解向量， 且》為向量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括為至少一個(gè)取向計(jì)算的至少一次迭代的殘差值；以及當(dāng)滿足由紀(jì)^ "和d中的至少一個(gè)所限定的收斂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，選擇對(duì)所述 至少一個(gè)取向計(jì)算的最小殘差值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括改進(jìn)的解向量，該改進(jìn)的解向量等 于所,定的解向量和所述校正因子之和。
9. 一種校準(zhǔn)系統(tǒng)控制器，包括處理器，用于iiil確定懶軍的力向量^d((4^")，最優(yōu)化傳感器(10) 的校準(zhǔn)參數(shù)，以對(duì)所述傳感器的未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)(28)進(jìn)行補(bǔ)償，使得所述 未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)與第一坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)，其中《為所述分解的力向量，^為對(duì) 準(zhǔn)矩陣，f為亥岐向量，J 為電壓向量，f為偏壓向量，/為單位矩陣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的校準(zhǔn)系統(tǒng)控制器，其中所述處理器進(jìn)一步確定由目 標(biāo)函數(shù)確定的最小殘差值，該目標(biāo)函數(shù)由下述給出《=z i - d - 。2+- ~ )2+- 。2其中，^為最小的殘差值，^為地球重力場(chǎng)，且^為感應(yīng)到的力向量。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于校準(zhǔn)傳感器的方法及系統(tǒng)。提供一種校準(zhǔn)系統(tǒng)。該校準(zhǔn)系統(tǒng)包括用于限定第一坐標(biāo)系統(tǒng)的固定件、底盤(20)、耦合到固定件的傳感器(10)，以及多個(gè)傳感器元件(14)，該多個(gè)傳感器元件(14)被定向以形成具有未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)軸的未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)(28)，其中該未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)軸被定向成彼此之間呈非直角，其中傳感器輸出被用數(shù)學(xué)方法補(bǔ)償，使得所述未對(duì)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)與所述第一坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)。還提供了校準(zhǔn)傳感器的方法。
文檔編號(hào)G01P21/00GK101231304SQ20081000955
公開(kāi)日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月22日
發(fā)明者D·J·塞維, E·A·奧亞克登, J·A·哈姆, L·A·坎貝爾, M·A·伍德曼斯, R·P·斯塔霍夫 申請(qǐng)人:通用電氣公司