基于MEMS姿態(tài)傳感器溫度補償方法

　　隨著(zhù)微機電系統(MEMS)技術(shù)在微型化技術(shù)基礎上，結合了電子、機械、材料等多種學(xué)科交叉融合的前沿科研領(lǐng)域的不斷發(fā)展與成熟，從而出現了很多基于MEMS技術(shù)的傳感器，此類(lèi)傳感器具有體積小、重量輕、低功耗、多功能等優(yōu)點(diǎn)，在電子產(chǎn)品、航空航天、機械化工等行業(yè)中得到了廣泛應用。

　　傳感器的溫度補償方法大致可以分為兩種，即硬件補償和軟件補償。硬件補償方法主要是改變電路來(lái)達到補償效果，但是這種方法會(huì )導致電路的復雜化，同時(shí)提高了成本。軟件補償方法主要有最小二乘法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、回歸法等。從計算的方便性和補償精度的準確性?xún)蓚€(gè)方面，本文采取最小二乘法進(jìn)行溫度補償。

　　1 姿態(tài)傳感器的溫度補償原理

　　本文采用美國InvenSense 公司生產(chǎn)的ITG?3205 三軸陀螺儀芯片，該芯片中內嵌有數字輸出溫度傳感器，因此可以隨時(shí)檢測出傳感器所處的環(huán)境溫度。在不同的工作環(huán)境溫度下，傳感器實(shí)際角度輸出值與理論角度輸出值會(huì )出現一定的誤差，稱(chēng)之為溫度誤差。為了消除或者減少這種溫度誤差，利用最小二乘法進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，最終達到或接近理論角度輸出值。

　　傳感器根據輸入的檢測信號，通過(guò)姿態(tài)檢測模塊和溫度檢測模塊采集相關(guān)數據，然后經(jīng)過(guò)溫度補償模塊進(jìn)行相應的溫度補償，最后通過(guò)輸出檢測模塊可得到預期的檢測信號。姿態(tài)傳感器的溫度補償原理如框圖1所示。

　　2 姿態(tài)傳感器的溫度補償方法

　　在同一溫度下，不同角度的理論值與輸出值之間嚴格意義上是一種非線(xiàn)性關(guān)系，但是由于這種誤差值相對不大，可以近似的認為是一種線(xiàn)性關(guān)系，即y = mx + n 的線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合，可以得出參數m 和n 的值。

　　此時(shí)可以發(fā)現，在不同的溫度下，所擬合出來(lái)的m和n 值是隨溫度的變化而變化的。在此情況下，必須找出溫度分別與m 和n 之間的關(guān)系，為此同樣可以根據最小二乘法再次進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，從而得出m 值與溫度之間的關(guān)系。同理也可以得出n 與溫度之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)兩次曲線(xiàn)擬合之后，可以得出理論值與輸出值之間的誤差有了明顯的減小，并且滿(mǎn)足預期的要求。在實(shí)際應用中，為了達到高精度檢測的要求，可以通過(guò)測量多組數據進(jìn)行曲線(xiàn)擬合的方法來(lái)實(shí)現。

　　3 姿態(tài)傳感器的實(shí)驗數據處理

　　由于各軸的檢測原理是相同的，因此本論文采用x軸的檢測數據進(jìn)行實(shí)驗驗證。主要的實(shí)驗儀器有被測姿態(tài)傳感器、經(jīng)緯儀、高低恒溫箱、高精度角度檢測儀等。表1所得數據是未經(jīng)溫度補償時(shí)的實(shí)驗數據，即原始數據。

　　3.1 第一次線(xiàn)性擬合

　　由于按照最小二乘法的基本步驟進(jìn)行擬合的計算量比較大，所以本文采用Matlab進(jìn)行數據處理，這樣不但可以減少復雜的計算過(guò)程，而且還可以保證較高的計算精度。

　　例如在溫度T=-30 °C的條件下，以理論角度x 為自變量，輸出角度y 為因變量，根據線(xiàn)性關(guān)系式y = mx + n ,計算出參數m 和n的值。具體計算程序如下：

　　擬合圖像如下圖2所示。

　　依次求出不同溫度下參數m 和n 的值，計算結果如表2所示。

　　3.2 第二次曲線(xiàn)擬合

　　以參數m 為因變量，溫度t 為自變量，根據曲線(xiàn)擬合式mt = at2 + bt + c ,利用Matlab 求出a,b,c 的值，最終確定m 與t 的函數關(guān)系式。同理，可求得n 與t 的函數關(guān)系式。具體計算程序如下：

　　擬合圖像如圖3所示。

　　同理，求得n 與t 之間的函數關(guān)系式為：

　　4 實(shí)驗數據的驗證

　　傳感器未經(jīng)溫度補償時(shí)的輸出為y = mx + n ,即在t ℃時(shí)，無(wú)補償輸出為：

　　根據式(1)、(2)、(7)可得補償后的輸出值。償后的數據如表3所示。在表1中未補償前的最大誤差角度為0.682 7°，表3中補償后的最大誤差角度為0.261 6°，相對減少的誤差角度為0.421 1°。

　　由表1和表3的數據對比結果可以看出，經(jīng)過(guò)溫度補償后的姿態(tài)檢測精度相比補償前有了很大的提高。

　　5 結語(yǔ)

　　由數據對比得出，在環(huán)境溫度變化的條件下，利用最小二乘法進(jìn)行溫度補償，可以達到預期的效果，因此這種方法可以運用到工程實(shí)際中。