微机械陀螺仪温度特性及补偿算法研究

　　0　引　言

　　近年来,微机械陀螺得到了很大的发展,出现了音叉式、线振动式、振动轮式等多种结构型式,并在越来越多的领域获得了重要应用。本文作者研制的振动轮式微机械陀螺仪的结构是:轮子左右两边是梳齿驱动器,上下为检测质量片。在梳齿电容上加载交变驱动电压时,由于静电力的作用,陀螺就会绕Z轴(驱动轴,垂直于轮面)做角振动。此时,如果陀螺载体有绕Y轴的角速度,那么,受哥氏力的影响,陀螺产生绕X轴的角振动,则质量片和基板上电极之间形成的电容就会发生周期性变化,其大小反映了陀螺载体的角速度。

　　微机械陀螺仪的性能随环境温度的改变有较大的变化。陀螺表头的尺寸结构、材料的弹性摸量以及陀螺检测电路中电子器件的性能都会随温度的改变而变化,主要影响到陀螺的零位输出和标度因子发生改变[1, 2]。仔细分析温度对陀螺各参数产生的影响,可以找出合理的补偿算法,从而获得陀螺温度特性的改善。

　　1　温度对微机械陀螺的影响分析

　　首先,温度变化时,陀螺仪微机械结构主要发生两种变化:尺寸的大小改变和材料弹性模量改变,其中,尺寸随温度的改变对陀螺的性能影响很小[3]。这里主要讨论材料弹性模量变化的影响。

　　材料弹性模量的变化会改变系统刚度,而陀螺的谐振频率会随系统刚度而改变,因此,温度变化会导致陀螺谐振频率产生漂移。

　　弹性模量随温度变化基本成线性关系,可用式(1)表示

　　由此得到陀螺谐振频率与温度的关系

　　陀螺谐振频率的漂移,对陀螺驱动模态和检测模态都有影响[1]。对于驱动模态,在定频驱动方案条件下,陀螺信号的振幅和相位将会随谐振频率而改变。

　　假设陀螺谐振频率为,代入上述两式,可绘出陀螺驱动模态信号振幅、相位与温度的关系曲线,如图1所示。

　　由图1可以看出:振幅与相位随温度变化都很大。为了保证陀螺输出增益恒定,必须进行幅度闭环;而相位的变化与温度近似线性关系,即驱动模态相位直接反映了陀螺的温度。将式(7)在附近小范围内线性近似为

　　即为陀螺驱动轴相位与温度的近似线性关系。在-10~70℃的温度范围内,由式(8)计算得到的相位误差峰峰值为0.036 4°,精度在0.32%内。因此,陀螺驱动轴相位可以作为一个内部的温度传感器,为实现温度补偿提供很好的参考信息。

　　温度对陀螺的检测模态信号的影响与驱动模态类似,在-10~70℃范围内,检测模态振幅变化小于0.78 %,相位变化0.417°。另外,温度变化还会影响陀螺的检测电路。陀螺驱动轴总的相位信息与温度变化的关系由上述因素综合确定[4]。