CN112578148B - 一种mems加速度计的高精度温度补偿方法 - Google Patents

一种mems加速度计的高精度温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及惯性传感器技术领域，特别涉及一种MEMS加速度计的高精度温度补偿方法。本发明提供一种新的MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，该MEMS加速度计的高精度温度补偿方法对MEMS加速度计在温度变化时造成的偏差进行了很好的补偿，有效的提高了测量精度，更加符合工程应用；不需要价格高昂的温控转台，也不需要非常精准的位置，可以进行批量作业，且能够实现全温全位置的补偿，有效提高补偿后的精度，间接实现了对标度因数的标定。

Description

一种MEMS加速度计的高精度温度补偿方法
技术领域
本发明涉及惯性传感器技术领域，特别涉及一种MEMS加速度计的高精度温度补偿方法。
背景技术
MEMS(MICro EleCTRo Mechanical Systems)加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计，其需要使用温度转台进行标定以对温度误差进行补偿，但是温度转台的价格高昂，使用成本较高；《一种MEMS加速度计温度补偿方法》《一种MEMS陀螺仪高阶温度补偿的方法》中只是对零点偏移做了温度的补偿，存在一定的误差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种新的MEMS加速度计的高精度温度补偿方法。
本发明具体技术方案如下：
本发明提供一种MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，包括如下步骤：
S1：计算MEMS加速度计在当前温度下基于拟合公式模型的加速度修正量δ；
S2：将当前温度下MEMS加速度计输出的加速度值修正到室温温度下；
S3：求得MEMS加速度计在室温温度下的标度因数以及零点偏移；
S4：根据标度因数以及零点偏移计算真实的加速度值。
一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述所述方法的步骤。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种新的MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，该MEMS加速度计的高精度温度补偿方法对MEMS加速度计在温度变化时造成的偏差进行了很好的补偿，有效的提高了测量精度，更加符合工程应用；不需要价格高昂的温控转台，也不需要非常精准的位置，可以进行批量作业，且能够实现全温全位置的补偿，有效提高补偿后的精度，间接实现了对标度因数的标定。
附图说明
图1为本发明中MEMS加速度计的高精度温度补偿方法的流程图；
图2为本发明中步骤S1中拟合公式模型构建方法的流程图；
图3为本发明中步骤S13的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1：计算MEMS加速度计在当前温度下基于拟合公式模型的加速度修正量δ；
S2：将当前温度下MEMS加速度计输出的加速度值修正到室温温度下；
S3：求得MEMS加速度计在室温温度下的标度因数以及零点偏移；
S4：根据标度因数以及零点偏移计算真实的加速度值。
本发明提供一种新的MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，该MEMS加速度计的高精度温度补偿方法对MEMS加速度计在温度变化时造成的偏差进行了很好的补偿，有效的提高了测量精度，更加符合工程应用；不需要价格高昂的温控转台，也不需要非常精准的位置，可以进行批量作业，且能够实现全温全位置的补偿，有效提高补偿后的精度，间接实现了对标度因数的标定。
如图2所示，本实施例中步骤S1中拟合公式模型的构建方法如下：
S11：设置高低温试验箱的温度曲线，并通过最小二乘法拟合温度误差曲线；
S12：将MEMS加速度计放置到高低温试验箱中，并采集MEMS加速度计输出的温度T和加速度值，通过最小二乘法对温度T与加速度修正量δ进行二次拟合，得到初步的拟合公式模型。该步骤在测量时需要把加速度计放置到高低温试验箱，高低温试验箱缓慢升温，记录加速度计输出的温度及加速度值，通过最小二乘法对温度T与δ进行二次拟合。
如图2所示，本实施例中步骤S1中拟合公式模型的构建方法还包括如下步骤：
S13：调整MEMS加速度计的位置，并采集MEMS加速度计不同的敏感轴输入值时MEMS加速度计输出的加速度值，并通过最小二乘法对各温度与加速度修正量进行二次拟合，得到拟合公式矩阵模型；调整加速度计位置，使敏感轴加速度输入值分别在-1g，-0.5g，-0.2g，0g，0.2g，0.5g，1g附近，并重复步骤S12；
S14：根据初步的拟合公式模型和拟合公式矩阵模型得到MEMS加速度计的敏感轴输入值与参数矩阵的关系公式；
S15：根据关系公式得出敏感轴在任何输入值时所对应的参数，并基于初步的拟合公式模型得到最终的拟合公式模型；
优选的，如图3所示，本实施例中步骤S13还包括如下步骤：
S131：判断是否已采集所有设定位置的数据，若是，则进行步骤S132，否则，进行步骤11；
S132：通过最小二乘法拟合位置与温度参数的曲线
本实施例中步骤S1中需要采集实际情况下MEMS加速度计输出的加速度值和温度值，并基于最终的拟合公式模型计算当前温度下的加速度修正量δ。
本实施例中步骤S12中初步的拟合公式模型为：δ＝aT2+bT+c①，其中，a，b，c均表示多项式的参数；
步骤S13中的拟合公式矩阵模型为：
Figure BDA0002821202210000041
其中，δ-1g为MEMS加速度计在敏感轴输入的加速度值为-1g时的修正值，δA为MEMS加速度计在输出的加速度值为A时的修正值，n表示敏感轴输入的加速度值的数量；
根据式②可知，式①的参数a，b，c与MEMS加速度计敏感轴的输入值相关，因此可以得到敏感轴输入值与参数矩阵
Figure BDA0002821202210000042
的关系公式为：
Figure BDA0002821202210000051
其中，A-1g表示MEMS加速度计在敏感轴输入的加速度值为-1g时输出的加速度值，An表示MEMS加速度计在敏感轴输入的加速度值为n时输出的加速度值，
Figure BDA0002821202210000052
为系数矩阵，ra，sa，ta表示参数a的系数，rb，sb，tb表示参数b的系数，rc，sc，rc表示参数c的系数；
由于修正量的矩阵
Figure BDA0002821202210000053
与温度矩阵
Figure BDA0002821202210000054
均为MEMS加速度计通过大量数据测量得出的，因此，根据式②可以求出参数矩阵，而
Figure BDA0002821202210000055
为MEMS加速度计的输出值，为已知量，因此，根据式③可以求出系数矩阵，将系数矩阵代入式①中即可求出最终的拟合公式模型；
根据式③可以求出系数矩阵，即可求敏感轴在任何输入值时所对应的参数a，b，c，再由式①可得出最终的拟合公式模型以计算出修正量δ，最终的拟合公式模型如下：
Figure BDA0002821202210000056
本实施例中步骤S2中根据MEMS加速度计输出的加速度值和计算出的修正量计算修正到室温的加速度值A25℃，修正到室温的加速度值A25℃可由式④得到，计算公式如下：
A25℃＝An-δ(An，T) ⑤。
本实施例中需要调整MEMS加速度计的位置，再次采集数据，而加速度计每次调整放置的位置为预先设定好的，因此，需要判断所有设定位置的数据是否均已采集。
本实施例中步骤S3中通过四点翻滚实验求得MEMS加速度计在室温环境下的标度因数K以及零点偏移B。四点翻滚实验是现有的标准实验，其实验方法也是统一的实验方法。
本实施例中步骤S4中MEMS加速度计敏感轴上真实的加速度值E的计算公式如下：
Figure BDA0002821202210000061
上述方法解决了MEMS加速度计需要价格高昂的温控转台进行标定的痛点，对MEMS加速度计在温度变化时造成的偏差进行了很好的补偿，有效的提高了测量精度，更加符合工程应用。
由于本发明的方法描述是在计算机系统中实现的。该计算机系统例如可以设置在服务器或客户端的处理器中。例如本文所述的方法可以实现为能以控制逻辑来执行的软件，其由服务器中的CPU来执行。本文所述的功能可以实现为存储在非暂时性有形计算机可读介质中的程序指令集合。当以这种方式实现时，该计算机程序包括一组指令，当该组指令由计算机运行时其促使计算机执行能实施上述功能的方法。可编程逻辑可以暂时或永久地安装在非暂时性有形计算机可读介质中，例如只读存储器芯片、计算机存储器、磁盘或其他存储介质。除了以软件来实现之外，本文所述的逻辑可以利用分利部件、集成电路、与可编程逻辑设备(诸如，现场可编程门阵列(FPGA)或微处理器)结合使用的可编程逻辑，或者包括它们任意组合的任何其他设备来体现。所有此类实施旨在落入本发明的范围之内。
以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应属于本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：计算MEMS加速度计在当前温度下基于拟合公式模型的加速度修正量δ；
S2：将当前温度下MEMS加速度计输出的加速度值修正到室温温度下；
S3：求得MEMS加速度计在室温温度下的标度因数以及零点偏移；
S4：根据标度因数以及零点偏移计算真实的加速度值；
步骤S1中拟合公式模型的构建方法如下：
S11：设置高低温试验箱的温度曲线，并通过最小二乘法拟合温度误差曲线；
S12：将MEMS加速度计放置到高低温试验箱中，并采集MEMS加速度计输出的温度T和加速度值，通过最小二乘法对温度T与加速度修正量δ进行二次拟合，得到初步的拟合公式模型；
步骤S1中拟合公式模型的构建方法还包括如下步骤：
S13：调整MEMS加速度计的位置，并采集MEMS加速度计不同的敏感轴输入值时MEMS加速度计输出的加速度值，并通过最小二乘法对各温度与加速度修正量进行二次拟合，得到拟合公式矩阵模型；
S14：根据初步的拟合公式模型和拟合公式矩阵模型得到MEMS加速度计的敏感轴输入值与参数矩阵的关系公式；
S15：根据关系公式得出敏感轴在任何输入值时所对应的参数，并基于初步的拟合公式模型得到最终的拟合公式模型；
步骤S12中初步的拟合公式模型为：δ＝aT2+bT+c①，其中，a，b，c均表示多项式的参数；
步骤S13中的拟合公式矩阵模型为：
Figure FDA0004051677510000021
其中，δ-1g为MEMS加速度计在敏感轴输入的加速度值为-1g时的修正值，δA为MEMS加速度计在输出的加速度值为A时的修正值，n表示敏感轴输入的加速度值；
根据式②可知，式①的参数a，b，c与MEMS加速度计敏感轴的输入值相关，因此可以得到敏感轴输入值与参数矩阵
Figure FDA0004051677510000022
的关系公式为：
Figure FDA0004051677510000023
其中，A-1g表示MEMS加速度计在敏感轴输入的加速度值为-1g时输出的加速度值，An表示MEMS加速度计在敏感轴输入的加速度值为n时输出的加速度值，
Figure FDA0004051677510000024
为系数矩阵，ra，sa，ta表示参数a的系数，rb，sb，tb表示参数b的系数，rc，sc，tc表示参数c的系数；
根据式③可以求出系数矩阵，即可求敏感轴在任何输入值时所对应的参数a，b，c，再由式①可得出最终的拟合公式模型以计算出修正量δ，最终的拟合公式模型如下：
Figure FDA0004051677510000025
2.根据权利要求1所述的MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，其特征在于，步骤S13还包括如下步骤：
S131：判断是否已采集所有设定位置的数据，若是，则进行步骤S132，否则，进行步骤S11；
S132：通过最小二乘法拟合位置与温度参数的曲线。
3.根据权利要求2所述的MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，其特征在于，步骤S1中需要采集实际情况下MEMS加速度计输出的加速度值和温度值，并基于最终的拟合公式模型计算当前温度下的加速度修正量δ。
4.根据权利要求1所述的MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，其特征在于，步骤S2中根据MEMS加速度计输出的加速度值和计算出的修正量计算修正到室温的加速度值A25℃，修正到室温的加速度值A25℃可由式④得到，计算公式如下：
A25℃＝An-δ(An，T)⑤。
5.根据权利要求4所述的MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，其特征在于，步骤S3中通过四点翻滚实验求得MEMS加速度计在室温环境下的标度因数K以及零点偏移B。
6.根据权利要求5所述的MEMS加速度计的高精度温度补偿方法，其特征在于，步骤S4中MEMS加速度计敏感轴上真实的加速度值E的计算公式如下：
Figure FDA0004051677510000031
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。
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