Z轴硅微机械陀螺仪温度补偿的技术研究

摘要

硅微型机械振动陀螺仪是近十几年发展起来的一种新型陀螺仪,是MEMS的重要组成部分之一。但由于硅微型机械振动陀螺具有零位漂移随温度变化大、零位稳定性差、精度低等弱点,使其目前只能应用于低端惯性系统中。温度变化引起的误差成为影响陀螺测量精度的主要因素之一。如何减小温度对零位输出稳定性的影响,其方法主要有两种：一是从陀螺的结构、材料和工艺上提高敏感器件的温度稳定性,从而提高陀螺精度；二是对传感器输出进行误差特性分析、测试、建模与补偿。基于目前现有的工艺水平,本文对后者展开了研究。本文以z轴硅微机械振动陀螺仪为研究对象,重点对其零偏温度建模和补偿进行了深入分析与研究。主要包括以下几个方面： ⑴应用陀螺仪的基本理论和材料力学理论,对z轴硅微机械陀螺仪的工作机理进行了全面的研究。探讨了影响硅微机械陀螺仪性能指标的正交误差、热噪声、温度等误差产生的原因以及抑制或消除这些误差所采取的措施。 ⑵通过大量的温度实验,对陀螺仪的零偏和谐振频率随温度变化的规律进行了研究,通过实验数据拟合出实验曲线,并对实验结果进行了定性的分析和讨论。 ⑶在实验数据基础上,利用BP神经网络和多项式拟合理论分别对陀螺零偏建立了温度补偿模型,利用该两种模型对新测的实验数据进行了预测补偿,并对两种建模方法进行了比较分析。补偿结果表明,硅微机械陀螺经该两种模型补偿后零偏均可以减少一个数量级,补偿效果明显。 ⑷提出了硅微机械陀螺仪温度补偿的软硬件系统方案,实现了基于DSP的数字电路设计,保证了对陀螺输出零偏的实时补偿。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2微机械陀螺仪概述

1.2.1微机械陀螺仪的分类

1.2.2微机械陀螺仪的主要性能指标

1.2.3硅微机械陀螺在国内外研究现状

1.3课题的研究背景与意义

1.3.1课题来源

1.3.2研究背景及意义

1.4陀螺温度建模补偿在国内外的研究现状

1.4.1国外研究现状

1.4.2国内研究现状

1.5全文主要内容及组织安排

第二章硅微机械振动陀螺仪的理论分析

2.1引言

2.2硅微机械振动陀螺仪的工作原理

2.2.1哥氏加速度和陀螺力矩

2.2.2硅微机械振动陀螺仪的工作原理

2.2.3硅微机械振动陀螺仪的欧拉动力学方程

2.2.4硅微机械振动陀螺仪的运动分析

2.3硅微机械陀螺仪的误差分析

2.3.1结构性误差

2.3.2噪声干扰引起的误差

2.3.3温度变化引起的误差

2.4本章小结

第三章硅微机械振动陀螺温度测试实验与分析

3.1引言

3.2实验的内容、规范与设备

3.2.1实验内容

3.2.2实验标准规范

3.2.3实验设备

3.3标度因数测量实验

3.3.1测试方法

3.3.2计算方法

3.3.3测试结果

3.3.4标度因数重复性

3.4不同温度零偏测量实验

3.4.1测试方法

3.4.2计算方法

3.4.3测试结果

3.5启动过程零偏测量实验

3.5.1测试方法

3.5.2计算方法

3.5.3测试结果

3.5本章小节

第四章硅微机械振动陀螺仪温度建模补偿的研究

4.1引言

4.2硅微机械振动陀螺的建模分析

4.2.1系统辨识与建模的基本概念

4.2.2工程中对硅微机械振动陀螺仪温度模型的要求

4.2.3选用何种建模方法

4.3基于BP神经网络的温度建模补偿

4.3.1人工神经网络的基本概念

4.3.2 BP神经网络

4.3.3运用BP神经网络进行温度建模补偿

4.4基于多项式的温度建模补偿

4.4.1多项式拟合

4.4.2连续函数拟合建模补偿分析

4.4.3分段拟和建模补偿分析

4.5两种建模补偿方法的比较分析

4.6本章小结

第五章硅微机械振动陀螺温度补偿的软硬件设计

5.1引言

5.2基于DSP的陀螺温度补偿系统硬件设计

5.2.1陀螺仪驱动检测电路

5.2.2 DSP芯片TMS320F2810

5.2.3 A/D转换器AD7732

5.2.4数字温度传感器DS18B20

5.2.5串行接口电路

5.2.6电源芯片

5.2.7硬件设计电路

5.3陀螺温度补偿软件设计

5.3.1 DSP开发环境

5.3.2程序流程

5.3.3串口通信

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1全文研究总结

6.2未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

附录：硬件系统电路图