CN101813710A - 一种改善微加速度计温度漂移性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善微加速度计温度漂移性能的方法。选用两个相同类型的微加速度计，器件选用两个标度因数相同，温度特性相同的微加速度计，按敏感轴平行、正方向相反配置；两微加速度计输出差值作为新的加速度值输出。本发明降低了微加速度计的温度漂移，提高了微加速度计全温度范围内的工作性能。系统不需要庞大复杂的温控设备，成本低廉，配置方便，能够在更广的温度范围内得到使用，扩展了微加速度计的应用领域。

Description

一种改善微加速度计温度漂移性能的方法

技术领域

本发明涉及微加速度计传感器信号的处理方法，尤其是涉及一种改善微加速度计温度漂移性能的方法。

背景技术：

微加速度计是一种基于牛顿经典力学定律的传感器，它的输出与运载体的运动加速度成比例。微加速度计采用了硅微电子加工即MEMS工艺，实现了机电一体化。

微加速度计通常是由悬挂系统和检测质量组成，通过对后者偏移的检测实现对加速度的测量。具体检测方式各有不同，最常用的是压阻检测和容性检测。

微加速度计的准确度除了受到结构、制造工艺等本身的性能影响以外，还与其工作条件有关。环境温度是影响加速度计的重要因素，温度变化引起微加速度计内部零件变形，并改变装配件的相对位置关系，引起驱动频率等变化，进而引起微加速度计输出随温度漂移。对于同一生产工艺的微加速度计的温度性能相同。

微加速度计的温度漂移对系统的加速度测量引入了额外误差，导致微加速度计性能的退化。因为系统不能分辨微加速度计输出是由温度漂移引起的误差还是实际的加速度输入，等效于微加速度计分辨率和准确度的降低。工业领域中的使用环境温度一般在-40℃～+70℃之间，虽然微加速度计静态测试时性能较佳，但实际工作环境中的温度漂移大大限制了微加速度计的应用领域。为了改善微加速度计的温度漂移性能，需要对系统温漂进行控制或补偿，以保证系统在不同温度下零偏的稳定。

目前解决温度漂移主要有两种方法。一种方法是严格控制传感器的温度，即实行温控，增加温度补偿结构的设计或改善加速度计的工作环境。这种方法的缺点是体积庞大，成本高，而且实现复杂；另一种方法是研究环境条件对加速度计数学模型影响的规律，给出微加速度计的温度模型并储存在计算机中，由计算机实时进行补偿，这需要预先对微加速度计进行温度模型的测试。

发明内容

针对目前微加速度计研究中，温度变化恶化微加速度计性能，限制其应用场合的现状，本发明的目的在于提供一种改善微加速度计温度性能的方法，在不明显增加功耗体积的前提下，在系统中采用两个相同类型的微加速度计，按敏感轴平行、正方向相反配置，取两个微加速度计的差值作为新的输出值，以改善微加速度计温度性能，满足更广范围应用环境的需求。

发明原理：

微加速度计温度漂移来源于器件本身性能的非理想。当器件结构、驱动频率等因素随温度变化而变化时即产生了与实际值偏移的温漂。微加速度计输出与温度的关系是由各种复杂因素决定的，对不同制作工艺的微加速度计的表现形式是不同的，但普遍地，两者之间的关系可以表示为：

D_OUT＝K*x+B_ACC(T)  (1)

其中D_OUT表示实际的数字量输出，单位为LSB；K为微加速度计的标定因数；x为实际输入的加速度；B_ACC(T)表示零偏的温度函数，该函数为温度的连续缓变函数。根据泰勒原理，该缓变连续函数可用多项式近似表示如下，并且这种表示是收敛的，即：

B_ACC(T)＝B₀+a₁T+a₂T²+...+a_nTⁿ    (2)

其中B₀，a₁，a₂...a_n对应于不同指数项的系数，n为表示式的最高次项次数，T为温度。这种多项式的近似精度和多项式最高次项次数有关，增加近似多项式的次数可以得到更精确的逼近，但一般一次近似已经足够；B₀为常数零偏，为特定温度下的零偏。

两个微加速度计的差值作为新的输出值，如下式所示：

${D_{\mathrm{OUT}}}^{\′}=\frac{(D_1-D_2)-(B_{01}-B_{02})-(a_{11}-a_{21})*T}{K_1+K_2}---\left(3\right)$

其中D_OUT′为修正后的加速度值，单位为g；D_n、B_0n、a_n1、K_n分别为微加速度计n的数字量输出、零偏常数值、一次项系数和标定因数。修正值消除了温度漂移，改善了微加速度计的温漂性能。

当两个微加速度计温度性能和零偏值相同时，上式可简化为：

${D_{O\mathrm{UT}}}^{\′}=\frac{D_1-D_2}{K_1+K_2}---\left(4\right)$

可以看出此时温度性能改善最佳，并且由于敏感轴相反，灵敏度增大，噪声减小，精确度提高。

同理，系统的配置可以从2个微加速度计延伸至4、8及2的n次方个微加速度计，微加速度计对称并且敏感轴相反放置。随配置个数的增加，系统性能得到进一步提高。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

选用两个相同类型的微加速度计，器件选用两个标度因数相同，温度特性相同的微加速度计，按敏感轴平行、正方向相反配置；两微加速度计输出差值作为新的加速度值输出。

所述的两个微加速度计按敏感轴平行、正方向相反放置为共面放置或背面放置。

所述的两个微加速度计差值输出是模拟处理方式；两个微加速度计输出值直接经模拟电路，即减法电路直接输出模拟量作为新的加速度值输出。

所述的两个微加速度计差值输出是数字处理方式；两个微加速度计输出值经A/D采样通道转换成数字信号，由数字处理器计算输出差值，直接输出数字量或再经D/A转换通道转换成模拟量输出作为新的加速度值输出。

本发明具有的有益效果如下：

本发明通过采用两个相同的微加速度计，敏感轴方向放置相反。两个微加速度计的差值作为新的输出。当两个微加速度计温度特性相同时，该方法对微加速度计温度漂移改善最佳。本发明降低了微加速度计的温度漂移，提高了微加速度计全温度范围内的工作性能。系统不需要庞大复杂的温控设备，成本低廉，配置方便，能够在更广的温度范围内得到使用，扩展了微加速度计的应用领域。

附图说明

图1是两个微加速度计共面放置示意图。缺口方向为敏感轴正方向。

图2是两个微加速度计背面放置示意图。缺口方向为敏感轴正方向。

图3是微加速度计模拟信号处理及输出结构图。

图4是微加速度计数字信号处理及输出结构图。

图5是四个微加速度计共面放置示意图。

图6是四个微加速度计背面放置示意图。

图中：1.1、1.2、5.1、5.2、5.3、5.4，微加速度计；3.1，模拟电路；3.2模拟量输出；4.1，A/D采样通道；4.2，中央处理器；4.3，数字量输出或D/A转换通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为两个微加速度计共面放置示意图，其中1.1，1.2为微加速度计，两个微加速度计按敏感轴平行、正方向相反配置，相向或者反向。缺口朝向为敏感轴正方向。两个微加速度计同侧相邻放置，放置不必共线。

图2两个微加速度计背面放置。缺口朝向为敏感轴正方向。虚线框图为背面放置的微加速度计。两个微加速度计按敏感轴平行、正方向相反配置，相向或者反向。

图3为两个敏感轴正方向放置相反的微加速度计模拟信号处理及输出结构。系统包括三部分：微加速度计1.1，1.2，模拟电路3.1，模拟量输出3.2。两个微加速度计模拟输出经模拟电路3.1，如减法电路或差分电路，对两个微加速度计输出值做模拟减法运算，输出新的模拟量3.2，作为新的加速度值。

图4为两个敏感轴正方向放置相反的微加速度计数字信号处理及输出结构。系统包括四部分：微加速度计1.1，1.2，A/D采样通道4.1，中央处理器4.2，数字量输出4.3。两个微加速度计的模拟输出由A/D采样通道4.1转换成数字量后送入中央处理器4.2，如DSP、FPGA或单片机，在4.2中做减法运算，结果由4.3输出数字量。数字量输出4.3可以是各种数字通讯接口。4.3同样也可以是D/A转换通道，将差值运算后的数字量转换成模拟量输出，作为新的加速度值。

图5为四个微加速度计共面放置示意图。5.1，5.2，5.3，5.4为微加速度计，缺口朝向为敏感轴正方向。相邻两个微加速度计正方向放置相反，敏感轴相互平行。2的n次个微加速度计，可依此向外延伸放置。信号处理采用图3和图4方式，所有微加速度计输出信号接入模拟电路3.1或由A/D采样通道4.1送入中央处理器4.2，采用正方向相同的一组微加速度计5.1，5.4输出值的和减去另一组微加速度计输出值5.2，5.3的和，结果作为新的加速度值输出。

图6为四个微加速度计背面放置示意图。5.1，5.2，5.3，5.4为微加速度计，缺口朝向为敏感轴正方向。相邻两个微加速度计正方向放置相反，敏感轴相互平行。2的n次个微加速度计，可依此向外延伸放置。信号处理采用图3和图4方式，所有微加速度计输出信号接入模拟电路3.1或由A/D采样通道4.1送入中央处理器4.2，采用正方向相同的一组微加速度计5.1，5.4输出值的和减去另一组微加速度计输出值5.2，5.3的和，输出新的模拟值3.2或数字量4.3，作为新的加速度值输出。

Claims (4)

1.一种改善微加速度计温度漂移性能的方法，其特征在于：选用两个相同类型的微加速度计(1.1、1.2)，器件选用两个标度因数相同，温度特性相同的微加速度计，按敏感轴平行、正方向相反配置；两微加速度计输出差值作为新的加速度值输出。

2.根据权利要求1所述的一种改善微加速度计温度漂移性能的方法，其特征在于：所述的两个微加速度计(1.1、1.2)按敏感轴平行、正方向相反放置为共面放置或背面放置。

3.根据权利要求1所述的一种改善微加速度计温度漂移性能的方法，其特征在于：所述的两个微加速度计(1.1、1.2)差值输出是模拟处理方式；两个微加速度计(1.1、1.2)输出值直接经模拟电路，即减法电路(3.1)直接输出模拟量(3.2)作为新的加速度值输出。

4.根据权利要求1所述的一种改善微加速度计温度漂移性能的方法，其特征在于：所述的两个微加速度计(1.1、1.2)差值输出是数字处理方式；两个微加速度计(1.1、1.2)输出值经A/D采样通道(4.1)转换成数字信号，由数字处理器(4.2)计算输出差值，直接输出数字量或再经D/A转换通道(4.3)转换成模拟量输出作为新的加速度值输出。

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