張宇翔中電科技集團重慶聲光電有限公司

壓電陀螺的溫度補償技術與應用初探

張宇翔
中電科技集團重慶聲光電有限公司

壓電陀螺在應用過程中對溫度的感應性很強，而且壓電陀螺度系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能影響很大，又因為溫度漂移是壓電陀螺角度誤差的重要誤差源之一，對溫度漂移的處理不當將嚴重影響壓電陀螺的測量精度。同時，壓電陀螺的零溫度漂移是壓電陀螺應用研究中必須解決的核心問題，此問題的解決對整個工程的應用也有重大的影響。該文主要利用有效地數(shù)學模型和相關硬件進行模擬分析，通過對溫度對壓電陀螺的具體影響和溫度補償技術的探析來進行分析。

溫度補償技術；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域。由于體積小、質(zhì)量輕、可靠性強等特點，壓電陀螺的應用范圍設計面很廣。軍事兵器系統(tǒng)、物理實驗感應系統(tǒng)等都需要壓電陀螺進行測量。作為機械慣性檢測的重點，壓電陀螺的誤差會對系統(tǒng)地準確度和性能產(chǎn)生重要的影響。但是由于壓電陀螺的設計及運行原理，壓電陀螺在運行中的可靠與環(huán)境關系密切。而且在壓電陀螺的運行過程中，受外界因素影響很大，對溫度的變化反應敏感。在對壓電陀螺的特點和在系統(tǒng)中的重要性有了基本的認知之后，我們就要注重研究壓電陀螺的溫度補償技術，使得壓電托對溫度的反應在可控范圍之內(nèi)。在研究中，我們會通過建立溫度補償模型探索相關技術，綜合利用軟件和硬件進行細致的研究，以求達到良好的補償效果，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行旋轉(zhuǎn)同時此軸也可以圍繞其他相互交叉的軸進行旋轉(zhuǎn)的剛體。從天體中的地球運轉(zhuǎn)到小孩的玩具的陀螺，都是同壓電陀螺一樣的原理。壓電陀螺的設計原理來源于物理中的感應現(xiàn)象，而它的具體應用范圍也主要是在慣性測量的方面。同時，隨著科學技術的不斷發(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，可以將陀螺分為機械轉(zhuǎn)子陀螺儀、光學陀螺儀和震動陀螺儀三種類型。壓電陀螺的利用主要是物理學原理進行設計，已達到最佳的感應效果。但是，壓電陀螺由于自身設計材料及工作環(huán)境的因素，對溫度的感應比較敏感。積極尋找壓電陀螺在工作中的校正方法及溫度補償技術，是提高壓電陀螺精度的有效途徑和擴大壓電陀螺的應用途徑的關鍵方法。

3.溫度補償術探析

3.1 模擬溫度補償技術原理

壓電陀螺對溫度感性的靈敏性對壓電陀螺在工作中的性能和對整個系統(tǒng)的影響很大。所以說，對壓電陀螺記性溫度補償，使得壓電陀螺在一定時間內(nèi)在恒溫條件下運行是十分必要的。常用的零溫補償方法有熱敏電阻補償方法、功能塊補償法等。在本文的補償方法介紹中，我們主要是通過溫度補償模擬數(shù)字補償?shù)姆绞竭M行補償，并針對這兩種方法的工作原理、補償方式等都做了簡要的介紹。通過實驗分析，我們講得出最佳效果的補償方法，以滿足實際工作中的需要。

通過實驗觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)，壓電陀螺的溫度漂移是一個非線性的變化過程。在對非線性的函數(shù)關系分析過程中，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，通過構造一個附加溫度補償網(wǎng)絡，與被補償?shù)木W(wǎng)絡形成并聯(lián)，使被補償?shù)膫鞲衅髟陟o態(tài)狀態(tài)下保持溫度不變。在實際的工作中，我們要首先對壓電陀螺的零度輸出和刻度因子進行測試，得到傳感器的溫度漂移曲線，再通過你和修正得到相應的表達式。

3.2 數(shù)字溫度補償計算方法

數(shù)字溫度補償主要是通過建立數(shù)學模型的方法實現(xiàn)。為了是溫度補償達到最佳的效果，可以在二級管溫度硬件補償?shù)幕A上進行數(shù)數(shù)字補償，將壓電陀螺的輸出的信號數(shù)字化，在對數(shù)字進行量化分析建立數(shù)學模型，通過數(shù)學模型計算出的溫度差進行算法補償，已達到最好的溫度補償。在對數(shù)學模型的多次研究嘗試過程中，我們看到，數(shù)字溫度補償?shù)臄?shù)學模型是與溫度梯度相關的多項式，而且，該模型為非線性模型。

4.溫度對壓電陀螺的影響探析

4.1 溫度對陀螺的影響

壓電陀螺是測量物體角速度的一個敏感元件，我們可以通過積分公式計算出物體的角速度：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，壓電陀螺一旦設計好，其刻度因子和零度輸出的數(shù)值便是固定的，不會受環(huán)境的影響。而在實際的工作中，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。壓電陀螺的工作時間和溫度是兩大重要影響因素。不同的工作時間，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間的數(shù)值也是不一樣的。

溫度對壓電陀螺的影響主要體現(xiàn)在有以下幾個方面：1.壓電陀螺的材料本身對環(huán)境溫度的反應就比較大，而且要經(jīng)過很長的工作時間才能達到平衡。2.周圍環(huán)境的變化對壓電陀螺也會產(chǎn)生很大的影響，進而使壓電陀螺的輸出不穩(wěn)定。

4.2 改善壓電陀螺測量準確度的方法

4.2.1 從壓電陀螺的設計角度出發(fā)

在壓電陀螺的設計過程中，可以采用新型材料和新工藝，進一步改善壓電陀螺的結(jié)構，提高壓電陀螺在工作過程中自身的精準度。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，但是因為驗電陀螺工作環(huán)境的復雜使得實施結(jié)構比較復雜，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)

在對壓電陀螺的測量中，可以建立相應的數(shù)學模型，按照模型所計算出的誤差進行軟件補償。利用數(shù)學模型進行補償，研究周期短，投入陳本低，實現(xiàn)效果好，能較大程度地提高陀螺的準確度。

4.3 應用溫度補償技術的方法的優(yōu)點及需要注意的問題

4.3.1 應用溫度補償技術方法的優(yōu)點

（1）溫度補償技術可操作性強，校正所需時間短且校正準確。而且，通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，這種技術同樣適用于其他陀螺。

（2）此方法對計算量的要求不大，對慣性測量的CPU要求也比較低，從而可以縮小系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，對系統(tǒng)的輕穩(wěn)運行有積極的意義。

（3）溫度補償技術主要是解決壓電陀螺對工作環(huán)境的靈敏度問題，此技術在對溫度的反應比較靈敏而且更夠快速進行補償，可以及時確保壓電陀螺的有效運行，同時，該模型的算法較少，可操作性比較強，可以大大減少實驗的次數(shù)，降低了溫度補償技術的投入成本，有力于大量生產(chǎn)。

（4）該方法尤其對于解決壓電陀螺的零位重復性問題效果很好，并且可以與其他補償技術共同使用，以提高驗電陀螺的使用精度。

4.3.2 應用中需要注意的問題

（1）在單獨運用此方法時，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，達到良好的效果。

（2）在進行溫度補償時，關鍵地是要精確地計算出時間距，在應用的過程中，可以通過采用尋找起始時間同步的方法來使硬件得到同步，以進一步提高精度。

5.壓電陀螺的應用

5.1 在物理領域的應用

壓電陀螺在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應用，其用途主要有外環(huán)應用和作為基本元件兩種用途。外環(huán)應用是指在物理試驗中作為一個物理量的指示器，比如測量角速度、角加速度等。作為一個基本元件的主要作用是指在自動控制系統(tǒng)中的應用。

5.2 在兵器制導系統(tǒng)中的應用

壓電陀螺具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、耗能小的特點，在兵器制導系統(tǒng)中也有廣泛的應用。但是由于兵器系統(tǒng)的特殊的特殊性，對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)運行中的重要作用。在系統(tǒng)的運行過程中，環(huán)境因素是最不好把控的因素，又加上溫度的變化對壓電陀螺的刻度因子和零度輸出的數(shù)值影響都很大，對溫度的妥善處理是確保壓電陀螺正常運行的必備條件。所以說壓電陀螺的溫度補償技術是使壓電陀螺發(fā)揮作用的核心環(huán)節(jié)。在我們對壓電陀螺的溫度補償技術的分析中，可以找到類似數(shù)學模型算法補償技術、模擬溫度補償技術等有效地技術。但是也應該看到，這些技術在成本投入、研制周期、效益比較等方面也存在欠缺，值得我們進行進一步的研究，以尋找更為有效地溫度補償技術。

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