姿態(tài)傳感器溫度補償方法的分析

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 姿態(tài)傳感器溫度補償方法的分析 0 引言 隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)在微型化技術(shù)根底上，結(jié)合了電子、機械、材料等多種學(xué)科交叉融合的前沿科研領(lǐng)域的不斷發(fā)展與成熟，從而出現(xiàn)了很多基于MEMS技術(shù)的傳感器，此類傳感器具有體積小、重量輕、低功耗、多功能等優(yōu)點，在電子產(chǎn)品、航空航天、機械化工等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。其中基于MEMS姿態(tài)傳感器主要用于載體姿態(tài)的調(diào)整和傾角的檢測，但是由于工作環(huán)境溫度的改變，就會導(dǎo)致測量精度的變化，在一些高精度檢測的要求下，則失去其檢測的效果，所以必須采取相應(yīng)措施來消除或者減少隨溫度變化而引起的誤差，即必須對傳感器開展溫度補償。 傳感器的溫度

2、補償方法大致可以分為兩種，即硬件補償和軟件補償。硬件補償方法主要是改變電路來到達(dá)補償效果，但是這種方法會導(dǎo)致電路的復(fù)雜化，同時提高了成本。軟件補償方法主要有二乘法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、回歸法等。從計算的方便性和補償精度的準(zhǔn)確性兩個方面，本文采取二乘法開展溫度補償。 1 姿態(tài)傳感器的溫度補償原理 本文采用美國InvenSense 公司生產(chǎn)的ITG?3205 三軸陀螺儀芯片，該芯片中內(nèi)嵌有數(shù)字輸出溫度傳感器，因此可以隨時檢測出傳感器所處的環(huán)境溫度。在不同的工作環(huán)境溫度下，傳感器實際角度輸出值與理論角度輸出值會出現(xiàn)一定的誤差，稱之為溫度誤差。為了消除或者減少這種溫度誤差，利用二乘法開展曲線擬合，終到達(dá)

3、或接近理論角度輸出值。 傳感器根據(jù)輸入的檢測信號，通過姿態(tài)檢測模塊和溫度檢測模塊采集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過溫度補償模塊開展相應(yīng)的溫度補償，通過輸出檢測模塊可得到預(yù)期的檢測信號。姿態(tài)傳感器的溫度補償原理如框圖1所示。 2 姿態(tài)傳感器的溫度補償方法 在同一溫度下，不同角度的理論值與輸出值之間嚴(yán)格意義上是一種非線性關(guān)系，但是由于這種誤差值相對不大，可以近似的認(rèn)為是一種線性關(guān)系，即y = mx + n 的線性關(guān)系。通過二乘法開展線性擬合，可以得出參數(shù)m 和n 的值。 此時可以發(fā)現(xiàn)，在不同的溫度下，所擬合出來的m和n 值是隨溫度的變化而變化的。在此情況下，必須找出溫度分別與m 和n 之間的關(guān)系，為此同樣可以

4、根據(jù)二乘法再次開展曲線擬合，從而得出m 值與溫度之間的關(guān)系。同理也可以得出n 與溫度之間的關(guān)系。經(jīng)過兩次曲線擬合之后，可以得出理論值與輸出值之間的誤差有了明顯的減小，并且滿足預(yù)期的要求。在實際應(yīng)用中，為了到達(dá)高精度檢測的要求，可以通過測量多組數(shù)據(jù)開展曲線擬合的方法來實現(xiàn)。 3 姿態(tài)傳感器的實驗數(shù)據(jù)處理 由于各軸的檢測原理是相同的，因此本論文采用x軸的檢測數(shù)據(jù)開展實驗驗證。主要的實驗儀器有被測姿態(tài)傳感器、經(jīng)緯儀、高低恒溫箱、高精度角度檢測儀等。表1所得數(shù)據(jù)是未經(jīng)溫度補償時的實驗數(shù)據(jù)，即原始數(shù)據(jù)。 3.1 次線性擬合 由于按照二乘法的基本步驟開展擬合的計算量比較大，所以本文采用Matlab開展數(shù)據(jù)

5、處理，這樣不但可以減少復(fù)雜的計算過程，而且還可以保證較高的計算精度。 例如在溫度T=-30 C的條件下，以理論角度x 為自變量，輸出角度y 為因變量，根據(jù)線性關(guān)系式y(tǒng) = mx + n ,計算出參數(shù)m 和n的值。具體計算程序如下： 擬合圖像如下列圖2所示。 依次求出不同溫度下參數(shù)m 和n 的值，計算結(jié)果如下表2所示。 3.2 第二次曲線擬合 以參數(shù)m 為因變量，溫度t 為自變量，根據(jù)曲線擬合式mt = at2 + bt + c ,利用Matlab 求出a,b,c 的值，終確定m 與t 的函數(shù)關(guān)系式。同理，可求得n 與t 的函數(shù)關(guān)系式。具體計算程序如下： 擬合圖像如圖3所示。 同理，求得n 與t 之間的函數(shù)關(guān)系式為： 4 實驗數(shù)據(jù)的驗證 傳感器未經(jīng)溫度補償時的輸出為y = mx + n ,即在t 時，無補償輸出為： 根據(jù)式（1）、（2）、（7）可得補償后的輸出值。償后的數(shù)據(jù)如下表3所示。在表1中未補償前的誤差角度為0.682 7，表3中補償后的誤差角度為0.261 6，相對減少的誤差角度為0.421 1。 5 結(jié)語 由表1和表3的數(shù)據(jù)比照結(jié)果可以看出，經(jīng)過溫度補償后的姿