CN105387952B - 一种间接测量石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间接测量石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度的方法，该方法基于对传热学研究所得到的理论基础，通过引入参数等效热阻的概念进而间接得到石英谐振梁的温度。本发明设计的石英谐振梁间接测温方案包括：石英谐振梁静态条件下温度与输出频率的模型建立，石英谐振梁与外置温度传感器之间等效热阻的测定，以及石英谐振梁温度的计算。该方法可以准确地测量出无法放置温度传感器的石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度；在石英振梁加速度计的温度误差补偿中，有效地消除了外置温度传感器与石英谐振梁之间的温度梯度，提高了补偿精度。

Description

一种间接测量石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度的 方法

技术领域

本发明属于微机电系统(简称MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)中的微惯性传感技术领域，涉及一种测温方法，具体来说，是针对石英振梁加速度计内部石英谐振梁所设计的一种间接测温方法，可准确得到石英谐振梁的实时温度，进而提高温度误差补偿的精度

背景技术

石英振梁加速度计是采用对力敏感的石英梁作为敏感器件的MEMS惯性传感器，其输出频率正比于输入加速度大小，全数字的脉冲输出避免由模-数转换所带来的误差。石英振梁加速度计具有测量量程大，精度高，灵敏高，稳定性，重复性好等优点，在航空航天等领域，如战术导弹、巡航导弹、自瞄准战略导弹等各种武器系统中有着广泛的应用，在大地重力测量、地球资源勘探中也有着极高的应用价值。

在实际的工作中，由于环境温度的变化造成了石英振梁加速度计的零偏及标度因子的变化，与标定时得到的标定值相差较大，因此由加速度计的输出频率得到的加速度值存在偏差。为了消除或减小温度变化对石英振梁加速度计的影响，通常采用温度补偿的方法。

受温度变化影响最严重的石英谐振器是确定石英振梁加速度计输出频率的重要元件，可以根据石英材料准确的温度-频率模型来对加速度计的输出进行温度误差补偿。在温度变化的工作环境中，加速度计外壳与内部石英谐振梁之间存在温度梯度，由于石英振梁加速度计体积小且封装严密，温度传感器无法直接放置在其内部进行温度探测，因此准确地得到石英谐振梁的实时温度成为误差补偿的关键。

发明内容

为了准确得到石英振梁加速度计内部石英谐振梁的实时温度，本发明提出一种石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度间接测量方法。通过对传热学的理论研究及傅里叶定律公式推导，可得到石英谐振梁实时温度与外置温度传感器实测温度之差，以及石英谐振梁传热路径上的等效热阻及外置温度传感器处的温度变化速率的关系，并通过仿真实验对其进行验证。本发明间接测温方法基于上述的理论基础，通过测定石英谐振梁与外置温度传感器之间传热路径上的等效热阻值，实现对石英谐振梁实时温度的间接测量，从而为温度误差补偿奠定了基础，能够有效地提高补偿精度。

本发明间接测量石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度的方法，具体通过下述步骤完成：

步骤1：计算石英谐振梁到温度传感器之间的等效热阻值；

a、在静温条件下，选取n个环境温度的采样点，n≥10，n为正整数；在每个采样点处，对采样点的温度值进行采样，同时对石英振梁加速度计的频率输出值进行采样；对每个环境采样点处对应的温度值与频率输出值进行数据处理，建立石英谐振器的温度-频率模型；

b、在固定变温速率条件下的一段变温过程中，每间隔时刻t对温度值与石英振梁加速度计相应的频率输出值进行采样；

c、步骤b中采样得到的石英振梁加速度计每一时刻相应的频率输出值与之前建立的该石英谐振器的温度-频率模型进行对比运算，得到相应的每一时刻石英谐振梁的真实温度值；

d、将步骤c得到的每一时刻石英谐振梁的真实温度值、以及对应的每一时刻的温度值，以及变温速率带入等效热阻计算公式，得到多个相近的值，对其取平均，即可得出石英谐振梁到温度传感器之间的等效热阻T_S；

所述等效热阻计算公式为：

T_B-T_A＝△T*T_S (1)

其中，T_A为步骤b中每一时刻采样点下的温度传感器检测到的温度值，T_B为步骤c中得到的与T_A相对应的每一时刻石英谐振梁的真实温度，△T为温度变化率，T_S为步骤d中计算出的等效热阻。

步骤2：在温度实时变化的工作环境中，实时采集环境温度，通过采集到的温度值，计算得到当前工作环境的变温速率。

步骤3：将步骤1中的等效热阻值与步骤2中温度传感器采集到的环境温度值以及变温速率带入式(1)中进行逆运算，得到石英谐振梁的实时温度值。

本发明的优点在于：

1、本发明石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度间接测量方法，可以无需在石英振梁加速度计内部放置温度传感器的条件下，准确地对石英谐振梁的实时温度进行测量。

2、本发明石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度间接测量方法，引入了等效热阻概念，可以直接利用实验对石英谐振梁到外置温度传感器之间的传热路径上等效热阻进行测定，无需对石英振梁加速度计内部复杂的结构与热传导进行模型建立。

3、本发明石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度间接测量方法，只需利用一个固定位置的外置温度传感器即可对石英谐振梁的温度值进行计算得出，省去了利用多个温度传感器的分布进行温度场模型建立的复杂环节。

4、本发明石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度间接测量方法，可以有效地减小由石英谐振梁与外置温度传感器之间温度梯度带来的误差，提高温度误差补偿的精度，为在线实时温度误差补偿奠定了基础。

附图说明

图1为本发明石英谐振梁的温度间接测量方法整体流程图；

图2为本发明石英谐振梁的温度间接测量方法中外置传感器与石英振梁加速度计相对位置示意图；

图3为平板导热示意图；

图4为两点传热示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做一进步详细说明。

本发明石英谐振梁的温度间接测量方法，如图1所示，具体通过下述步骤完成：

步骤1：将外置温度传感器固定于石英振梁振梁加速度计外壳上，固定位置任意，且使温度传感器与石英振梁振梁加速度计外壳严密贴合，保证温度测量的准确性，如图2所示。通过下述方法测定加速度计内部石英谐振梁到温度传感器之间的等效热阻值，具体为：

a、在静温条件下，将上述固定有温度传感器的石英振梁加速度计放置在多 个环境温度采样点；本实施例中，选取10个环境温度采样点，在-40℃～60℃全温段范围内每10℃选取一个采样点。在每个环境温度采样点处，通过温度传感器对环境温度采样点的温度值进行采样；且每个环境温度采样点处，当石英振梁加速度计保温至输出恒定时，通过频率检测电路对石英振梁加速度计的频率输出值进行采样，最终在每个环境温度采样点处，得到一组采样数据，包括温度值与频率输出值。如：将整体装置分别放置在10个采样点处，对温度值及石英振梁加速度计的频率输出值进行采样，分别得到每个采样点处静态温度条件下的温度值与石英谐振器对应的频率输出值。利用MATLAB等拟合工具，对上述各个温度环境采样点处的采样数据进行后期的数据处理，建立起该石英谐振器的温度-频率模型，写入FPGA。

b、通过温度传感器与频率检测电路在以某一固定变温速率条件下的一段变温过程中，每间隔时刻t(1秒)对温度值与石英振梁加速度计相应的频率输出值进行采样，由FPGA采集。

c、通过FPGA将步骤b中采样得到的石英振梁加速度计每一时刻相应的频率输出值与之前建立的该石英谐振器的温度-频率模型进行对比运算，得到相应的每一时刻石英谐振梁的真实温度值。

d、通过FPGA将步骤c得到的每一时刻石英谐振梁的真实温度值、以及对应的每一时刻温度传感器采样得到的温度值，以及变温速率带入等效热阻计算公式，得到多个相近的值，对其取平均，即可得出石英谐振梁到温度传感器之间的等效热阻T_S。

所述等效热阻计算公式为：

T_B-T_A＝△T*T_S (1)

其中，T_A为步骤b中每一时刻采样点下的温度传感器检测到的温度值，T_B为步骤c中得到的与T_A相对应的每一时刻石英谐振梁的真实温度，△T为温度变化率，T_S为步骤d中计算出的等效热阻。

上述等效热阻计算公式的推导过程为：

如图3所示，为两个表面均维持均匀温度的平板的导热示意图，对于沿平板轴向x方向，即热量传导的方向，任意一个厚度为dx的微元层来说，根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率及平板面积F成正比，即：

式中，λ为比例系数，称为导热系数(又称热导率)，负号表示能量传递的方向同温度升高的方向相反。dx为微元层的厚度。

根据傅里叶定律，对于空间上的两点A、B，令由点A向点B传热，如图4所示，则傅里叶定律可写为：

Qdx＝-λ(x)F(x)dt (3)

λ(x)与F(x)分别是传热路径上X位置处的导热系数与横截面积。

对式(3)两端积分，得到：

由此可得到A、B两点之间的温度梯度：

若热量全部由A点所加载的热载荷产生，在A点处应用的傅里叶定律，有

其中，极限为A点的温度变化速率△T。因此，可以得到A、B两点间温度梯度，为：

式中，λ_AF_A是与热载荷的加载方式有关的常量，λ_A为A点处的导热系数，与整个传热过程无关。F_A为A点处的横截面积。△T是A点的温度变化速率，因此可以定义参量

因此，A、B两点的温度差可以写作公式：

T_B-T_A＝△T*T_S

其中，参量T_S即A、B两点之间的等效热阻，在热载荷加载方式一定的前提下，T_S是只与由A点到B点的传热路径上的材料属性与结构有关的常量，与A点的温度变化速率无关。

步骤2：在温度实时变化的工作环境中，通过温度传感器实时采集环境温度，并将采集到的温度信号发送至FPGA，由FPGA进行计算得到当前工作环境的变温速率。

步骤3：将步骤1中的等效热阻值与步骤2中温度传感器采集到的环境温度值以及由FPGA计算得到的变温速率带入式(1)中进行逆运算，即可得到石英谐振梁的实时温度值。

步骤4：由FPGA将石英谐振梁的实时温度值通过串口模块发送给上位机PC端进行显示，完成间接测温。

上述方法中所应用到的温度传感器型号为DS18b20，采样精度为0.0625℃。温度采集、温度速率计算以及加速度计频率输出采集选用的FPGA芯片的型号为EP4CF3023C7，可提供多个I/O口。且由FPGA提供的I/O口建立温度检测电路，利用4个I/O端口PIN_H22、PIN_H5、PIN_G1、PIN_E4。其中，PIN_H22接石英振梁加速度计输出端，PIN_H5接温度传感器输出端，PIN_G1接温度检测电路所在电路板板上外部晶振，所采用晶振为50MHz，PIN_E4接复位RST；采集到的输出通过PIN_A16端口，采用RS232协议通过串口传送给上位机PC端进行数据显示。

Claims (3)

1.一种间接测量石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度的方法，其特征在于：具体通过下述步骤完成：

步骤1：计算石英谐振梁到温度传感器之间的等效热阻值；

a、在静温条件下，选取n个环境温度的采样点，n≥10，n为正整数；在每个采样点处，对采样点的温度值进行采样，同时对石英振梁加速度计的频率输出值进行采样；对每个环境采样点处对应的温度值与频率输出值进行数据处理，建立石英谐振器的温度-频率模型；

b、在固定变温速率条件下的一段变温过程中，每间隔时刻t对温度值与石英振梁加速度计相应的频率输出值进行采样；

c、步骤b中采样得到的石英振梁加速度计每一时刻相应的频率输出值与之前建立的该石英谐振器的温度-频率模型进行对比运算，得到相应的每一时刻石英谐振梁的真实温度值；

d、将步骤c得到的每一时刻石英谐振梁的真实温度值、以及对应的每一时刻的温度值，以及变温速率代入 每一时刻的等效热阻计算公式，得到多个相近的值，对其取平均，即可得出石英谐振梁到温度传感器之间的等效热阻T_S；

所述每一时刻的等效热阻计算公式为：

T_B-T_A＝△T*t_S (1)

其中，T_A为步骤b中每一时刻采样点下的温度传感器检测到的温度值，T_B为步骤c中得到的与T_A相对应的每一时刻石英谐振梁的真实温度，△T为温度变化率，t_S为步骤d中计算出的每一时刻的等效热阻；

步骤2：在温度实时变化的工作环境中，实时采集环境温度，通过采集到的温度值，计算得到当前工作环境的变温速率；

步骤3：将步骤1中的等效热阻值与步骤2中温度传感器采集到的环境温度值以及变温速率代入 式(1)中进行逆运算，得到石英谐振梁的实时温度值。

2.如权利要求1所述一种间接测量石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度的方法，其特征在于：所述温度传感器紧贴石英振梁振梁加速度计外壳固定。

3.如权利要求1所述一种间接测量石英振梁加速度计内部石英谐振梁的温度的方法，其特征在于：步骤1中，环境温度采样点选取为10个，分别在-40℃～60℃全温段范围内每10℃选取一个采样点。