一种MEMS加速度计温度模型辨识及温度补偿方法

　　MEMS( Micro Electro-Mechanical System) 加速度计是微小型惯性导航系统中重要的传感器之一，其性能的优劣直接影响了惯导系统的导航精度。MEMS 加速度计测量输出误差主要来源于制造工艺、安装方法、外部环境等几方面，其中环境温度对MEMS 加速度计测量输出的影响尤为突出[1]，它也成为微加速度计工程应用中的一个关键问题。目前，常用局部温控和软件方法实现温度补偿。局部温控通常需改变加速度计的内部结构、材料或增加温度控制系统[2-5]，实现复杂，所以工程中更多采用软件方案进行补偿[6-10]，补偿后可使加速度测量稳定性提高5 ～ 20 倍[7-8， 10]。软件补偿方案是以获得加速度计温度模型为前提的，通常需要设计专用的温控盒或复杂的测试设备进行模型辨识实验，如文献[7-8]设计了独立的高精度温控盒，并借助分度头辨识加速度计的温度模型; 文献[9]采用温控转台和分度头辨识加速度计的温度模型; 文献[10]尽管采用六面体作为加速度计的安装基准，但仍需自制的温控箱才能在水平台面上完成翻滚实验。

　　为了降低加速度计温度模型辨识对设备的依赖，简化标定工作，本文将MEMS 三轴加速度计粘贴在高精度铝合金六面体上作为实验用测量模块( 与实际应用的微惯性测量单元具有相同的结构模式) ，对MEMS 加速度计的温度模型与其倾角的相关性进行分析，提出了一种无需精确控制加速度计位置的温度模型辨识方法和相应的温度补偿软件方案，并用实验验证了补偿后MEMS 加速度计测量输出的稳定性。

　　1 实验系统结构及加速度计的温度模型

　　1. 1 实验系统结构

　　实验系统结构如图1 所示，采用热敏电阻作为温度传感器，在微处理器中对采集得到的加速度数据进行处理和温度补偿，并将补偿结果通过串口输出。同时，为了便于标定、减小安装误差、保证加速度计和温度传感器处于一个热量场内，将热敏电阻和加速度计粘贴在高精度铝合金六面体的一个面上。

　　实验用加速度计的主要性能指标为: 工作电压为3. 3 V; 工作电流为0. 5 mA; 量程可变，最大测量范围为±6 gn; 最高分辨率为0. 8 V/gn; 噪声均方根为4. 7 mVrms。为了降低加速度测量噪声，微处理器内集成了数字滤波算法。

　　1. 2 加速度计的温度模型

　　加速度计的静态模型如式( 1) 所示:

　　其中，y-加速度计输出( V) ; K0 -零位输出( V) ; K1 -标度因子( V/gn) ; K2 -二阶非线性系数( V/gn2 ) ; K3 -交叉耦合系数( V/gn2 ) ; ai-平行于加速度计输入轴的加速度( gn) ; a0 -横向加速度( gn) 。对于3. 3 V 供电的加速度计，由于K2和K3通常为10-4 量级[11]，所引起的非线性误差小于0. 5%，因此可忽略加速度计输出中的非线性项和交叉干扰项，进而可采用式( 2) 根据加速度计测量输出求出真正的加速度值。