張宇翔中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司
壓電陀螺的溫度補(bǔ)償技術(shù)與應(yīng)用初探
張宇翔
中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司
壓電陀螺在應(yīng)用過程中對(duì)溫度的感應(yīng)性很強(qiáng),而且壓電陀螺度系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能影響很大,又因?yàn)闇囟绕剖菈弘娡勇萁嵌日`差的重要誤差源之一,對(duì)溫度漂移的處理不當(dāng)將嚴(yán)重影響壓電陀螺的測量精度。同時(shí),壓電陀螺的零溫度漂移是壓電陀螺應(yīng)用研究中必須解決的核心問題,此問題的解決對(duì)整個(gè)工程的應(yīng)用也有重大的影響。該文主要利用有效地?cái)?shù)學(xué)模型和相關(guān)硬件進(jìn)行模擬分析,通過對(duì)溫度對(duì)壓電陀螺的具體影響和溫度補(bǔ)償技術(shù)的探析來進(jìn)行分析。
溫度補(bǔ)償技術(shù);誤差分析;壓電陀螺;測量
壓電陀螺是一種重要的慣性器件,多用于軍用航空航天和民用汽車等領(lǐng)域。由于體積小、質(zhì)量輕、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn),壓電陀螺的應(yīng)用范圍設(shè)計(jì)面很廣。軍事兵器系統(tǒng)、物理實(shí)驗(yàn)感應(yīng)系統(tǒng)等都需要壓電陀螺進(jìn)行測量。作為機(jī)械慣性檢測的重點(diǎn),壓電陀螺的誤差會(huì)對(duì)系統(tǒng)地準(zhǔn)確度和性能產(chǎn)生重要的影響。但是由于壓電陀螺的設(shè)計(jì)及運(yùn)行原理,壓電陀螺在運(yùn)行中的可靠與環(huán)境關(guān)系密切。而且在壓電陀螺的運(yùn)行過程中,受外界因素影響很大,對(duì)溫度的變化反應(yīng)敏感。在對(duì)壓電陀螺的特點(diǎn)和在系統(tǒng)中的重要性有了基本的認(rèn)知之后,我們就要注重研究壓電陀螺的溫度補(bǔ)償技術(shù),使得壓電托對(duì)溫度的反應(yīng)在可控范圍之內(nèi)。在研究中,我們會(huì)通過建立溫度補(bǔ)償模型探索相關(guān)技術(shù),綜合利用軟件和硬件進(jìn)行細(xì)致的研究,以求達(dá)到良好的補(bǔ)償效果,最大限度地提高壓電陀螺的工作精度。
廣而言之,壓電陀螺屬于一種慣性器件,可以繞自身的一軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)同時(shí)此軸也可以圍繞其他相互交叉的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的剛體。從天體中的地球運(yùn)轉(zhuǎn)到小孩的玩具的陀螺,都是同壓電陀螺一樣的原理。壓電陀螺的設(shè)計(jì)原理來源于物理中的感應(yīng)現(xiàn)象,而它的具體應(yīng)用范圍也主要是在慣性測量的方面。同時(shí),隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的人發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象可以用來感測慣性空間的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)陀螺儀的工作原理,可以將陀螺分為機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺儀、光學(xué)陀螺儀和震動(dòng)陀螺儀三種類型。壓電陀螺的利用主要是物理學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì),已達(dá)到最佳的感應(yīng)效果。但是,壓電陀螺由于自身設(shè)計(jì)材料及工作環(huán)境的因素,對(duì)溫度的感應(yīng)比較敏感。積極尋找壓電陀螺在工作中的校正方法及溫度補(bǔ)償技術(shù),是提高壓電陀螺精度的有效途徑和擴(kuò)大壓電陀螺的應(yīng)用途徑的關(guān)鍵方法。
3.1 模擬溫度補(bǔ)償技術(shù)原理
壓電陀螺對(duì)溫度感性的靈敏性對(duì)壓電陀螺在工作中的性能和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響很大。所以說,對(duì)壓電陀螺記性溫度補(bǔ)償,使得壓電陀螺在一定時(shí)間內(nèi)在恒溫條件下運(yùn)行是十分必要的。常用的零溫補(bǔ)償方法有熱敏電阻補(bǔ)償方法、功能塊補(bǔ)償法等。在本文的補(bǔ)償方法介紹中,我們主要是通過溫度補(bǔ)償模擬數(shù)字補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行補(bǔ)償,并針對(duì)這兩種方法的工作原理、補(bǔ)償方式等都做了簡要的介紹。通過實(shí)驗(yàn)分析,我們講得出最佳效果的補(bǔ)償方法,以滿足實(shí)際工作中的需要。
通過實(shí)驗(yàn)觀察,我們可以發(fā)現(xiàn),壓電陀螺的溫度漂移是一個(gè)非線性的變化過程。在對(duì)非線性的函數(shù)關(guān)系分析過程中,可以采用折現(xiàn)法不斷逼近。在逼近的過程中,折線數(shù)越多,精確度越高。然后,通過構(gòu)造一個(gè)附加溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),與被補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)形成并聯(lián),使被補(bǔ)償?shù)膫鞲衅髟陟o態(tài)狀態(tài)下保持溫度不變。在實(shí)際的工作中,我們要首先對(duì)壓電陀螺的零度輸出和刻度因子進(jìn)行測試,得到傳感器的溫度漂移曲線,再通過你和修正得到相應(yīng)的表達(dá)式。
3.2 數(shù)字溫度補(bǔ)償計(jì)算方法
數(shù)字溫度補(bǔ)償主要是通過建立數(shù)學(xué)模型的方法實(shí)現(xiàn)。為了是溫度補(bǔ)償達(dá)到最佳的效果,可以在二級(jí)管溫度硬件補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)行數(shù)數(shù)字補(bǔ)償,將壓電陀螺的輸出的信號(hào)數(shù)字化,在對(duì)數(shù)字進(jìn)行量化分析建立數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的溫度差進(jìn)行算法補(bǔ)償,已達(dá)到最好的溫度補(bǔ)償。在對(duì)數(shù)學(xué)模型的多次研究嘗試過程中,我們看到,數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型是與溫度梯度相關(guān)的多項(xiàng)式,而且,該模型為非線性模型。
4.1 溫度對(duì)陀螺的影響
壓電陀螺是測量物體角速度的一個(gè)敏感元件,我們可以通過積分公式計(jì)算出物體的角速度:θ=K·∫(V-V0)dt。其中,θ為物體的輸入角度,K為壓電陀螺刻度因子,Ⅴ為物體的輸入角速的電壓,Ⅴ0為角速度電壓。
從理論上講,壓電陀螺一旦設(shè)計(jì)好,其刻度因子和零度輸出的數(shù)值便是固定的,不會(huì)受環(huán)境的影響。而在實(shí)際的工作中,壓電陀螺的刻度因子和零度樹池受工作環(huán)境的影響很大。壓電陀螺的工作時(shí)間和溫度是兩大重要影響因素。不同的工作時(shí)間,即便是相同的溫度,壓電陀螺的刻度因子和零度輸出的數(shù)值也是不一樣的。同理,在相同的溫度下不同工作時(shí)間的數(shù)值也是不一樣的。
溫度對(duì)壓電陀螺的影響主要體現(xiàn)在有以下幾個(gè)方面:1.壓電陀螺的材料本身對(duì)環(huán)境溫度的反應(yīng)就比較大,而且要經(jīng)過很長的工作時(shí)間才能達(dá)到平衡。2.周圍環(huán)境的變化對(duì)壓電陀螺也會(huì)產(chǎn)生很大的影響,進(jìn)而使壓電陀螺的輸出不穩(wěn)定。
4.2 改善壓電陀螺測量準(zhǔn)確度的方法
4.2.1 從壓電陀螺的設(shè)計(jì)角度出發(fā)
在壓電陀螺的設(shè)計(jì)過程中,可以采用新型材料和新工藝,進(jìn)一步改善壓電陀螺的結(jié)構(gòu),提高壓電陀螺在工作過程中自身的精準(zhǔn)度。這種方法研究投入大,工作周期長,見效慢,但是效果好。
4.2.2 從壓電陀螺的工作環(huán)境角度出發(fā)
通過采用一些硬件設(shè)施,改善壓電陀螺的工作環(huán)境,使壓電陀螺在恒溫下工作,例如可以通過采用溫控裝置來維持壓電陀螺工作環(huán)境額溫度。這種方法效果好,簡單直接,但是因?yàn)轵?yàn)電陀螺工作環(huán)境的復(fù)雜使得實(shí)施結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,而且投入成本較高。
4.2.3 從壓電陀螺的測量方法角度出發(fā)
在對(duì)壓電陀螺的測量中,可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,按照模型所計(jì)算出的誤差進(jìn)行軟件補(bǔ)償。利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償,研究周期短,投入陳本低,實(shí)現(xiàn)效果好,能較大程度地提高陀螺的準(zhǔn)確度。
4.3 應(yīng)用溫度補(bǔ)償技術(shù)的方法的優(yōu)點(diǎn)及需要注意的問題
4.3.1 應(yīng)用溫度補(bǔ)償技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)
(1)溫度補(bǔ)償技術(shù)可操作性強(qiáng),校正所需時(shí)間短且校正準(zhǔn)確。而且,通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),這種技術(shù)同樣適用于其他陀螺。
(2)此方法對(duì)計(jì)算量的要求不大,對(duì)慣性測量的CPU要求也比較低,從而可以縮小系統(tǒng)的質(zhì)量和體積,對(duì)系統(tǒng)的輕穩(wěn)運(yùn)行有積極的意義。
(3)溫度補(bǔ)償技術(shù)主要是解決壓電陀螺對(duì)工作環(huán)境的靈敏度問題,此技術(shù)在對(duì)溫度的反應(yīng)比較靈敏而且更夠快速進(jìn)行補(bǔ)償,可以及時(shí)確保壓電陀螺的有效運(yùn)行,同時(shí),該模型的算法較少,可操作性比較強(qiáng),可以大大減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù),降低了溫度補(bǔ)償技術(shù)的投入成本,有力于大量生產(chǎn)。
(4)該方法尤其對(duì)于解決壓電陀螺的零位重復(fù)性問題效果很好,并且可以與其他補(bǔ)償技術(shù)共同使用,以提高驗(yàn)電陀螺的使用精度。
4.3.2 應(yīng)用中需要注意的問題
(1)在單獨(dú)運(yùn)用此方法時(shí),我們忽略了其他零位電壓等其他因素的影響,因此,在使用時(shí)除了重視溫度的變化,還要充分考慮其他因素,以確保方法可以有效使用,達(dá)到良好的效果。
(2)在進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí),關(guān)鍵地是要精確地計(jì)算出時(shí)間距,在應(yīng)用的過程中,可以通過采用尋找起始時(shí)間同步的方法來使硬件得到同步,以進(jìn)一步提高精度。
5.1 在物理領(lǐng)域的應(yīng)用
壓電陀螺在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,其用途主要有外環(huán)應(yīng)用和作為基本元件兩種用途。外環(huán)應(yīng)用是指在物理試驗(yàn)中作為一個(gè)物理量的指示器,比如測量角速度、角加速度等。作為一個(gè)基本元件的主要作用是指在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
5.2 在兵器制導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用
壓電陀螺具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、耗能小的特點(diǎn),在兵器制導(dǎo)系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用。但是由于兵器系統(tǒng)的特殊的特殊性,對(duì)壓電陀螺的可靠性和精確度要求也很高,這也是壓電陀螺有待提高的一個(gè)方面。
在整文的論述中,我們可以了解到壓電系統(tǒng)運(yùn)行中的重要作用。在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中,環(huán)境因素是最不好把控的因素,又加上溫度的變化對(duì)壓電陀螺的刻度因子和零度輸出的數(shù)值影響都很大,對(duì)溫度的妥善處理是確保壓電陀螺正常運(yùn)行的必備條件。所以說壓電陀螺的溫度補(bǔ)償技術(shù)是使壓電陀螺發(fā)揮作用的核心環(huán)節(jié)。在我們對(duì)壓電陀螺的溫度補(bǔ)償技術(shù)的分析中,可以找到類似數(shù)學(xué)模型算法補(bǔ)償技術(shù)、模擬溫度補(bǔ)償技術(shù)等有效地技術(shù)。但是也應(yīng)該看到,這些技術(shù)在成本投入、研制周期、效益比較等方面也存在欠缺,值得我們進(jìn)行進(jìn)一步的研究,以尋找更為有效地溫度補(bǔ)償技術(shù)。
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