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硅微机械陀螺仪是一种用于测量物体运动角速度的新型惯性器件,具有体积小、重量轻、可靠性高、抗冲击、易于数字化和智能化、能大批量生产等优点。然而,环境温度的变化对硅微机械陀螺仪的影响较大。温度的变化不仅会引起陀螺仪结构尺寸及硅材料特性的变化,还会引起其信号处理电路的干扰热噪声发生变化,致使陀螺仪精度和稳定度得不到保证。因此,必须采取一定的措施减小温度的影响。本文采用建模补偿和温度控制方法减小温度的影响,论文主要工作如下:
首先,介绍了硅微机械陀螺仪的工作原理并对其进行了运动分析;分析了温度对硅微机械陀螺仪的影响,并比较了几种减小温度变化对硅微机械陀螺仪影响的方法,选取建模补偿和温度控制两种方法进行研究;
其次,设计了建模补偿系统;通过温度实验测定全温度范围内陀螺仪的零偏,由多项式曲线拟合法得到陀螺仪零偏与温度的关系,将其存储于补偿电路处理器中,实时计算补偿零偏,消除硅微机械陀螺仪零偏随温度变化的趋势;
第三,设计了温度控制系统,使用半导体片实现加热和制冷,采用PID控制算法实现对陀螺仪外壳腔体内温度的恒温控制,以提高硅微机械陀螺仪的稳定性。
第四,通过3次全温度范围试验测试了建模补偿系统的性能,硅微机械陀螺仪补偿后的零偏随温度的最大漂移减小为补偿前的14%,表明建模补偿方式较好的消除了温度对硅微机械陀螺仪零偏的影响;实验测试了温度控制系统的性能,测试表明温度控制系统能够维持陀螺仪外壳腔体内温度稳定在55℃,实现了陀螺仪硅结构及驱动检测电路工作环境温度的相对稳定。