石英挠性加速度计标度因数温度系数补偿特性确定方法与流程

1.本发明涉及石英挠性加速度计温度系数补偿特性技术，具体涉及一种石英挠性加速度计标度因数温度系数补偿特性确定方法。


背景技术：

2.由于石英挠性加速度计具有精度高、可靠性高及功率小等优点，因此现在广泛应用于各种惯性导航系统中。石英挠性加速度计作为惯性导航系统的关键传感器单元，其温度系数特性对惯性测量单元(imu)加速度计通道的温度系数特性影响极大，进而直接影响惯性导航系统的精度及快速性。其中，温度系数指系统的技术指标或者物理属性随温度变化而变化的速率或者大小。
3.为了保证惯性导航系统的打击精度及快速性，需采用软件算法对imu加速度计通道进行补偿。imu加速度计通道主要包括石英挠性加速度计本体及进行信号传输转换的模数转换电路，因此加速度计通道的温度系数特性主要由二者的温度系数特性叠加决定，而模数转换电路的温度系数特性比较固定，因此石英挠性加速度计本体的温度系数特性的改变就会导致整个imu加速度计通道的温度系数特性变化。
4.石英挠性加速度计本体的温度系数特性方面的关键技术指标为标度因数的温度系数，该标度因数的温度系数可通过在不同温度下对加速度计进行测试标定，进而计算得出。
5.随着近几年高精度装备的发展需求，对石英挠性加速度计的指标要求越来越高，尤其体现在保证高精度的同时要求快速性，这就对imu加速度计通道提出了更高的要求。
6.由于结构设计、材料与工艺的限制，石英挠性加速度计本体的温度系数不可能趋向无穷小。文献(陈福彬，张科备石英挠性加速度计温度补偿算法[j].中国惯性技术学报,2016,24(1),98
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102)主要针对加速度计本体的参数，设计了温度模型辨识试验，进而拟合建立加速度计温度补偿算法，但是该算法未考虑imu加速度计通道中模数转换电路的输出温度模型，同时未对模数转换电路与加速度计本体之间的输出温度系数特性进行匹配性研究。因此这种算法存在以下缺点：
[0007]
1)由于未以imu加速度计通道温度特性补偿为目标，其算法易造成整个加速度计通道的精度损失,补偿失效；
[0008]
2)加速度计本体的温度系数补偿目标不清晰。


技术实现要素：

[0009]
为了解决当前石英挠性加速度计本体温度补偿特性无法准确获取的问题，本发明提供了石英挠性加速度计标度因数温度系数补偿特性确定方法。
[0010]
本发明的具体技术方案是：
[0011]
一种石英挠性加速度计温度系数补偿特性确定方法，包括以下步骤：
[0012]
步骤1：通过对安装多种不同补偿环尺寸的石英挠性加速度计进行全温度范围标
定测试，经分析，得到三类石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性曲线；
[0013]
步骤2：获取imu加速度计通道中模数转换电路的温度系数特性曲线；
[0014]
步骤3：根据实际使用需求及补偿算法，确定imu加速度计通道温度补偿特性目标；
[0015]
步骤4：将分别具有三类石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性的三个石英挠性加速度计与模数转换电路进行组装，并依据补偿算法对三个imu加速度计通道进行处理后再进行全温度范围标定测试，获得三个imu加速度计通道温度补偿特性，由此选择与步骤3中确定的imu加速度计通道温度补偿特性目标最匹配石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性，作为石英挠性加速度计温度系数补偿特性的指导项，由此可指导加速度计研发生产过程温度特性状态的调制与确定。
[0016]
进一步地，上述三类石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性曲线中：
[0017]
第一类曲线的趋势为：呈开口向上的抛物线，且加速度计低温段标度因数和高温段标度因数关于0℃基本呈对称态势；
[0018]
第二类曲线的趋势为：类同指数函数a
x
，且0＜a＜1；加速度计低温段标度因数大于0℃至高温段；
[0019]
第三类曲线的趋势为：类同指数函数a
x
，且a＞1；加速度计高温段标度因数大于低温段至0℃。
[0020]
本发明的有益效果在于：
[0021]
1、本发明通过测试分析，获得了三类不同的石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性曲线，以惯性导航系统中的imu加速度计通道温度补偿特性为目标，在进行石英挠性加速度计温度系数特性目标确认时，同时考虑了imu加速度计通道中模数转换电路的温度系数特性，确保了目标确认的唯一性、有效性、实现性、完整性与准确性。
[0022]
2、本发明提出的方法，以石英挠性加速度计标度因数温度系数作为关键指标，从而实现对石英挠性加速度计温度系数补偿特性确定，其与imu加速度计通道温度系数补偿算法更匹配，并且方法实现比较容易；
[0023]
3、本发明提出的石英挠性加速度计温度系数补偿特性，主要通过调整补偿环的尺寸实现，不增加新零件，在研发设计阶段状态一经确认，即可保证参数的一致性及最终补偿效果的有效性。
附图说明
[0024]
图1为第一类石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性曲线图。
[0025]
图2为第二类石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性曲线图。
[0026]
图3为第三类石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性曲线图。
具体实施方式
[0027]
由于惯性导航系统的精度及快速性的要求，imu加速度计通道温度补偿算法目标一般为整个通道输出在实际工况全温度段的温度系数尽可能小，如果简单将此要求复制给石英挠性加速度计，这忽略了模数转换电路输出的温度系数，既不能保证最终的补偿精度及有效性，又加重了对石英挠性加速度计的研发成本；
[0028]
针对目前惯性导航系统的精度及快速性的发展需求，对现存的石英挠性加速度计
温度系数特性补偿目标不明确、补偿算法的适宜性进行分析，本发明的基本实现原理是：石英挠性加速度计温度系数补偿特性应在imu加速度计通道温度系数补偿算法的基础上，同时兼顾考虑模数转换电路温度系数的前提下，对模数转换电路及石英挠性加速度计本体二者之间温度系数特性进行匹配性研究，从而确立石英挠性加速度计的温度系数补偿特性。
[0029]
在上述基本实现原理的基础上，本发明提出了以石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性为目标，并从原理的角度确立了石英挠性加速度计标度因数温度系数补偿特性优化的关键因素，由此提出了一种匹配imu加速度计通道的石英挠性加速度计温度系数补偿特性确定方法。
[0030]
步骤1：对安装多种不同补偿环尺寸的石英挠性加速度计进行全温度范围标定测试，分析得到三类石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性曲线；
[0031]
影响石英挠性加速度计标度因数温度系数特性的因素较多，如伺服电路中电气元件、石英摆片材料、力矩器的结构与材料及所使用的胶粘剂等，其中最关键的力矩器磁路中永磁体的温度系数。高精度石英挠性加速度计中所使用的钐钴永磁体，其剩磁温度系数最小为0.01％/℃，这表示，永磁体磁性能在低温下与高温下会发生变化是不可避免的。
[0032]
石英挠性加速度计行业一般通过在力矩器磁回路中并联一种负温度系数材料的的补偿环，以降低力矩器工作气隙磁密的温度系数，从而降低加速度计标度因数的温度系数，并联补偿环的高度不同，补偿效果也不同，加速度计标度因数温度系数的补偿特性也不同，通过分析获得石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性曲线具有以下三类形式：
[0033]
如图1所示，第一类曲线的趋势为：整体呈开口向上的抛物线，且加速度计低温段标度因数和高温段标度因数关于0℃基本呈对称态势；同时从该曲线可知，低温段标度因数和高温段标度因数对应的温度系数均大于0℃附近的温度系数，该类曲线的差异在于各温度段标度因数变化大小不同。
[0034]
如图2所示，第二类曲线的趋势为：类同指数函数a
x
，且0＜a＜1；加速度计低温段标度因数大于0℃至高温段；同时从该曲线可知，低温段标度因数对应的温度系数大于高温段标度因数对应的温度系数，0℃至高温段标度因数的变化较小，温度系数同样变化较小；
[0035]
如图3所示，第三类曲线的趋势为：类同指数函数a
x
，且a＞1；加速度计高温段标度因数大于低温段至0℃。同时从该曲线可知，高温段标度因数对应的温度系数普遍大于低温段标度因数对应的温度系数，低温段至0℃标度因数的变化较小，温度系数同样变化较小；
[0036]
三类标度因数温度系数补偿特性的曲线共同特征为：标度因数在全温度范围内的变化均为连续平滑变化，在任意温度点无异常凸起及凹入的奇异点。
[0037]
步骤2：对imu加速度计通道的模数转换电路的温度系数特性进行测试；
[0038]
步骤3：根据实际使用需求及补偿算法，确定imu加速度计通道温度补偿特性目标；
[0039]
步骤4：将分别具有三类石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性的三个石英挠性加速度计与模数转换电路进行组装，并依据补偿算法对三个imu加速度计通道进行处理后再进行全温度范围标定测试，获得三个imu加速度计通道温度补偿特性，由此选择与步骤3中确定的imu加速度计通道温度补偿特性目标最匹配石英挠性加速度计标度因数的温度系数补偿特性，作为石英挠性加速度计温度系数补偿特性的指导项，由此可指导加速度计研发生产过程温度特性状态的调制与确定。