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

1.引言

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。

2.概述

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.溫度補(bǔ)償術(shù)探析

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.溫度對(duì)壓電陀螺的影響探析

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.壓電陀螺的應(yīng)用

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。

6.總結(jié)

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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