高精度电容式加速度计温度补偿技术研究

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MEMS加速度计应用到惯性导航领域的一个主要困难是性能指标(零偏和标度因数)的稳定性差。而外界环境温度波动以及器件发热是造成加速度计性能不稳定的重要因素。本文试图解决加速度计的温漂问题。  本文建立了包括表头和专用的读出电路在内的整体温度模型,采用的温度补偿方案的大致流程可以概括为:通过实验批量化地标定出多个加速度计的模型参数;根据标定结果,通过向读出电路写入与温度有关的控制参数来调节读出电路的增益和偏压,抵消温度对输出信号的影响。  搭建了包括恒温箱、Agilent数据采集仪、样品电路板、上位机等在内的半自动化温度实验系统,其中样品电路板包括单片机、表头和ASIC读出电路芯片。多片样品可以分时与上位机通信,从而实现批量化操作。  为了提高加速度计的测量精度,在硬件设计方面采用了诸多措施以抑制包括SSN(同步开关噪声)以及串扰等干扰信号。  通过加速度计标定实验得到了加速度计的静态温度模型;通过温度补偿实验,验证了模型的合理性;比较了最小二乘拟合(五阶)、牛顿插值(五阶)以及三次样条插值三种算法的逼近效果。  补偿实验数据显示,加速度计零偏以及标度因数的稳定性有了可观的改善,但是并不理想。  针对实验中可能的误差来源进行了定量分析:分析了分度头转轴倾角对实验数据的影响,发现转轴倾角使得补偿后表头的灵敏度是设定值的k倍,但是由于补偿测试采用与标定实验相同的装置,因此得到的数据又是表头灵敏度的1/k倍,二者抵消,对测量误差没有影响;分析了浮点数在插值运算过程中的舍入误差以及控制参数的取整合入误差对测量精度的影响,发现对于5阶最小二乘多项式拟合来说,单精度浮点数的精度不够高引起的误差与控制参数的取整误差在相同量级,都不大于1mV;定量研究了恒温箱内部温度不均匀对加速度计输出信号的影响,给出了温度梯度引起加速度计零点电压误差的解析模型,把表头的温度模型参数带入该误差模型,发现在-40~80℃温度范围内表头零点电压在预设指标上下波动的幅度可达10mV以上,并且模型预测的补偿后加速度计零点电压温度曲线与实际测试结果是一致的。  误差分析表明,恒温箱内部温度不均匀是测量误差的主要来源。进一步的实验应当着力针对该误差来源进行优化。
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