温度特性标定试验方案

1、温度特性标定试验方案一、试验目的由于 MEMS 陀螺仪对温度变化很敏感，它的表头的尺寸结构、材料的弹性模量以及陀螺仪检测电路中电子器件的性能都会随温度的变化而变化，这将会导致陀螺仪零位输出与标度因子等随环境温度变化，使得陀螺精度降低， 其温度稳定时间增长。 如果在温度稳定条件应用，将会增大准备时间。 为了提高陀螺仪精度，缩短预热时间，对其进行温度偏移特性研究是很有必要的。当惯性器件上电启动工作后， 其温度将随时间不断上升， 这将导致零点偏移和标度因数等因素也随之变化。 另外，在不同的外界环境中， 惯性器件的误差特性也有所不同。 因此，如何对其进行温度补偿需要根据具体的应用环境设计。 由于试验条

2、件的限制，本文中只研究温度对惯性器件零点偏移值的影响。因此，本次试验的目的为在有限预热条件下， 研究温度变化对惯组零点偏移的影响，并建立陀螺仪零偏的温度补偿模型。二、试验设备及仪器惯组 1 个，温控箱 1 个， RS232 串口连接线 1 条，个人 PC 机 1 台，稳压电源1台。三、试验原理实际应用环境的不同将导致其温度变化模式不同。如有的系统准备时间较长，则工作时惯性器件的温度已经达到了稳定， 这时只需确定不同温度点的零点偏移和标度因数即可。 但是，有的应用场合下， 从上电到惯性测量组件需要正常输出测量信息之间的时间很短， 这时惯性器件还没有达到稳定， 随着工作时间的延迟，其温度将不断上升

3、， 而零点偏移和标度因数也将不断的变化， 因此需要对惯性器件特性随温度变化的规律进行标定。 本文所设计的系统的工作条件就是后一种，而且工作时间较短，一般在几分钟之内。因此，本文的温度试验条件要求惯性器件上电后即输出信息， 采集 6 分钟以上的数据， 然后根据输出信息标定出惯性器件的温度特性。由于系统上电即有数据输出， 因此，惯性器件的初始温度与外界环境之间是平衡的。但是，由于器件工作会产生一定的热量，随着时间的延迟，器件内部温度也逐渐上升， 与外界环境之间产生了一个温度差。 系统中的温度输出实际是陀螺仪内部温度值。 所以说，得到的温度变化值其实是陀螺仪内部温度与外界环境温度的梯度值。角速率变化

4、值与温度变化值之间的关系呈一定的线性关系， 因此，可以建立如下的多项式温度补偿模型：F a T 2a T a0(1)21其中， F F F0 为陀螺仪零偏补偿量， F 为某一时刻的陀螺仪零偏值， F0 为陀螺仪的初始零偏； T T T0 为陀螺仪内部温度与工作初始温度之间的差值，实际上反映了陀螺内部与外部环境的温度梯度变化，T 为同时刻陀螺仪内部温度， T0 为环境温度，认为陀螺仪初始温度输出即为环境温度；ai （ i0,1,2 ）为模型待定系数。由于陀螺仪的温度特性研究的是相对变化， 因此其温度及零偏的初始值的选取对结果的影响是很大的。而陀螺仪的温度输出和零偏输出都存在一定的噪声，为了准确的

5、选取其初始值， 我们选取初始一段时间的平均值， 代替第一时刻的输出值，作为本次测量的初始值。 这样就可以一定程度上减小噪声对初始值的影响。则有：F01 mFim i 1(2)1 mT0Tim i 1其中， Fi 、 Ti 分别表示陀螺仪零偏输出和温度输出序列，i 1,2, , m 。此时，根据陀螺仪零偏输出Fi 和温度输出 Ti 即可以计算出陀螺仪零偏补偿量Fi 和温度差值 Ti ，即：FiFiF0(im1,m2, , n)(3)TiTiT0因而得到零偏变化值的序列Tm 1Tm 2T和零偏温度变化值的Tn序列 Fm 1Fm 2FnT。根据式 (1)用最小二乘法估计参数 ai（ i0,1,2 ）

6、。则有：A( T TT ) 1T TF(4)其中TA a0 a1 a2 ，为待估计的参数；1TT 2m 1m 11Tm 2Tm22，为温差组成的矩阵；T1TnTn2FFm 1Fm 2TFn ，为由陀螺仪零偏补偿量组成的矩阵。根据式 (1)对各温度点得到的数据进行拟合，得到不同温度点的参数值。不同温度下， a0 , a1 , a2 是不同的，可以认为其与陀螺仪初始温度 T0 呈多项式关系，即有ab T 2b T b(5)ii 2 0i 1 0i 0通过温控箱设置陀螺仪初始温度 T0在 l 个不同的温度值，即可得到ai 的变化序列 ai1 ai 2TT01T02Tail 和 T0 的变化序列T0l

7、 。根据式 (5) 用最小二乘法估计出ai 的系数 bi 0, bi1 ,bi 2 。在实际应用中， 将 bi 0 ,bi1, bi 2 固化在惯组软件中。 只要在开机后测出陀螺启动时的初始温度 T0 ，即可根据式 (5)算出温度补偿模型的各系数 ai ；然后根据陀螺输出当前温度 T ，计算出T 后，由式(1) 算出陀螺当前零偏补偿量F 。此刻便可对陀螺当前零偏进行补偿，则有F 'FF(6)式中， F ' 为陀螺仪修正后的零偏输出，F 为陀螺仪零偏输出，F 为陀螺仪零偏输出变化值。这就是零偏温度补偿的补偿思想。四、试验步骤及试验数据记录惯性器件温度试验是在温控箱中进行的。本惯组

8、正常工作的温度范围为40o C 85o C ，由于实验条件的限制， 温度试验只在常温条件下进行。 选取常温附近的几个温度值 5o C 、 10o C 、15o C 、 20 o C 、 25o C 和 30 o C ，然后从低温到高温进行试验。具体实验方案如下：1、将惯性组件置于温控箱内，使其X 轴竖直向上；2、将温控箱的温度设置为5o C ，当温控箱达到这一温度后， 再保温 40 分钟，使陀螺完全“冻透” ，即内部温度与温控箱内的环境温度一致；3、在主机上打开超级终端， 启动数据保存， 数据保存为 txt 格式文件，命名规则为“ dT”,T 代表温度点值；4、惯性组件上电，同时记录陀螺仪、加

9、速度计和温度传感器的输出，数据采集频率设置为 100Hz ，采样时间为6 分钟；5、将温控箱分别设置为 10o C 、15o C 、 20o C 、 25o C 和 30 o C ，重复步骤 2、3和 4；6、将所有数据文件保存在同一文件夹内， 文件夹命名为“Dataxxxx_xx_xx ”, xxxx_xx_xx 为试验日期。五、试验注意事项1、惯组要轻拿轻放，避免猛烈撞击；2、惯组上电前，须检查电源输出电压值是否正确；3、超级终端数据输出一旦中断，马上断开电源。六、试验完成后的后续工作1、整理分析试验数据，建立惯组三轴陀螺仪的温度补偿模型；2、在不同于试验温度点的环境温度下，验证温度补偿模

10、型的准确性；撰写试验报告。5771001803090012095 5790368228596330825771001803090012386 5761373997357606965771001803090013594 5780775799025155125771001803090012387 5771649826018180515771001803090012138 5721311921589183265771001803090012359 5790368223610760535771001803090012356 5761352861437917425771001803090012355 5

11、7508786970469327917088100343355274 10122994432583337917088100343355275 10186673293883200817088100343356107 10158115250150052217088100343356108 10100018005987173217088100343354295 10107419414268701717088100343356184 10187866086962880217088100343356185 10177583117408667417088100343356109 10108601437357284617088100