压电陀螺的温度补偿技术与应用初探

张宇翔中电科技集团重庆声光电有限公司

压电陀螺的温度补偿技术与应用初探

张宇翔
中电科技集团重庆声光电有限公司

压电陀螺在应用过程中对温度的感应性很强，而且压电陀螺度系统的稳定性和性能影响很大，又因为温度漂移是压电陀螺角度误差的重要误差源之一，对温度漂移的处理不当将严重影响压电陀螺的测量精度。同时，压电陀螺的零温度漂移是压电陀螺应用研究中必须解决的核心问题，此问题的解决对整个工程的应用也有重大的影响。该文主要利用有效地数学模型和相关硬件进行模拟分析，通过对温度对压电陀螺的具体影响和温度补偿技术的探析来进行分析。

温度补偿技术；误差分析；压电陀螺；测量

1.引言

压电陀螺是一种重要的惯性器件，多用于军用航空航天和民用汽车等领域。由于体积小、质量轻、可靠性强等特点，压电陀螺的应用范围设计面很广。军事兵器系统、物理实验感应系统等都需要压电陀螺进行测量。作为机械惯性检测的重点，压电陀螺的误差会对系统地准确度和性能产生重要的影响。但是由于压电陀螺的设计及运行原理，压电陀螺在运行中的可靠与环境关系密切。而且在压电陀螺的运行过程中，受外界因素影响很大，对温度的变化反应敏感。在对压电陀螺的特点和在系统中的重要性有了基本的认知之后，我们就要注重研究压电陀螺的温度补偿技术，使得压电托对温度的反应在可控范围之内。在研究中，我们会通过建立温度补偿模型探索相关技术，综合利用软件和硬件进行细致的研究，以求达到良好的补偿效果，最大限度地提高压电陀螺的工作精度。

2.概述

广而言之，压电陀螺属于一种惯性器件，可以绕自身的一轴进行旋转同时此轴也可以围绕其他相互交叉的轴进行旋转的刚体。从天体中的地球运转到小孩的玩具的陀螺，都是同压电陀螺一样的原理。压电陀螺的设计原理来源于物理中的感应现象，而它的具体应用范围也主要是在惯性测量的方面。同时，随着科学技术的不断发展，越来越多的人发现很多物理现象可以用来感测惯性空间的旋转。根据陀螺仪的工作原理，可以将陀螺分为机械转子陀螺仪、光学陀螺仪和震动陀螺仪三种类型。压电陀螺的利用主要是物理学原理进行设计，已达到最佳的感应效果。但是，压电陀螺由于自身设计材料及工作环境的因素，对温度的感应比较敏感。积极寻找压电陀螺在工作中的校正方法及温度补偿技术，是提高压电陀螺精度的有效途径和扩大压电陀螺的应用途径的关键方法。

3.温度补偿术探析

3.1 模拟温度补偿技术原理

压电陀螺对温度感性的灵敏性对压电陀螺在工作中的性能和对整个系统的影响很大。所以说，对压电陀螺记性温度补偿，使得压电陀螺在一定时间内在恒温条件下运行是十分必要的。常用的零温补偿方法有热敏电阻补偿方法、功能块补偿法等。在本文的补偿方法介绍中，我们主要是通过温度补偿模拟数字补偿的方式进行补偿，并针对这两种方法的工作原理、补偿方式等都做了简要的介绍。通过实验分析，我们讲得出最佳效果的补偿方法，以满足实际工作中的需要。

通过实验观察，我们可以发现，压电陀螺的温度漂移是一个非线性的变化过程。在对非线性的函数关系分析过程中，可以采用折现法不断逼近。在逼近的过程中，折线数越多，精确度越高。然后，通过构造一个附加温度补偿网络，与被补偿的网络形成并联，使被补偿的传感器在静态状态下保持温度不变。在实际的工作中，我们要首先对压电陀螺的零度输出和刻度因子进行测试，得到传感器的温度漂移曲线，再通过你和修正得到相应的表达式。

3.2 数字温度补偿计算方法

数字温度补偿主要是通过建立数学模型的方法实现。为了是温度补偿达到最佳的效果，可以在二级管温度硬件补偿的基础上进行数数字补偿，将压电陀螺的输出的信号数字化，在对数字进行量化分析建立数学模型，通过数学模型计算出的温度差进行算法补偿，已达到最好的温度补偿。在对数学模型的多次研究尝试过程中，我们看到，数字温度补偿的数学模型是与温度梯度相关的多项式，而且，该模型为非线性模型。

4.温度对压电陀螺的影响探析

4.1 温度对陀螺的影响

压电陀螺是测量物体角速度的一个敏感元件，我们可以通过积分公式计算出物体的角速度：θ=K·∫（V-V0）dt。其中，θ为物体的输入角度，K为压电陀螺刻度因子，Ⅴ为物体的输入角速的电压，Ⅴ0为角速度电压。

从理论上讲，压电陀螺一旦设计好，其刻度因子和零度输出的数值便是固定的，不会受环境的影响。而在实际的工作中，压电陀螺的刻度因子和零度树池受工作环境的影响很大。压电陀螺的工作时间和温度是两大重要影响因素。不同的工作时间，即便是相同的温度，压电陀螺的刻度因子和零度输出的数值也是不一样的。同理，在相同的温度下不同工作时间的数值也是不一样的。

温度对压电陀螺的影响主要体现在有以下几个方面：1.压电陀螺的材料本身对环境温度的反应就比较大，而且要经过很长的工作时间才能达到平衡。2.周围环境的变化对压电陀螺也会产生很大的影响，进而使压电陀螺的输出不稳定。

4.2 改善压电陀螺测量准确度的方法

4.2.1 从压电陀螺的设计角度出发

在压电陀螺的设计过程中，可以采用新型材料和新工艺，进一步改善压电陀螺的结构，提高压电陀螺在工作过程中自身的精准度。这种方法研究投入大，工作周期长，见效慢，但是效果好。

4.2.2 从压电陀螺的工作环境角度出发

通过采用一些硬件设施，改善压电陀螺的工作环境，使压电陀螺在恒温下工作，例如可以通过采用温控装置来维持压电陀螺工作环境额温度。这种方法效果好，简单直接，但是因为验电陀螺工作环境的复杂使得实施结构比较复杂，而且投入成本较高。

4.2.3 从压电陀螺的测量方法角度出发

在对压电陀螺的测量中，可以建立相应的数学模型，按照模型所计算出的误差进行软件补偿。利用数学模型进行补偿，研究周期短，投入陈本低，实现效果好，能较大程度地提高陀螺的准确度。

4.3 应用温度补偿技术的方法的优点及需要注意的问题

4.3.1 应用温度补偿技术方法的优点

（1）温度补偿技术可操作性强，校正所需时间短且校正准确。而且，通过实验可以发现，这种技术同样适用于其他陀螺。

（2）此方法对计算量的要求不大，对惯性测量的CPU要求也比较低，从而可以缩小系统的质量和体积，对系统的轻稳运行有积极的意义。

（3）温度补偿技术主要是解决压电陀螺对工作环境的灵敏度问题，此技术在对温度的反应比较灵敏而且更够快速进行补偿，可以及时确保压电陀螺的有效运行，同时，该模型的算法较少，可操作性比较强，可以大大减少实验的次数，降低了温度补偿技术的投入成本，有力于大量生产。

（4）该方法尤其对于解决压电陀螺的零位重复性问题效果很好，并且可以与其他补偿技术共同使用，以提高验电陀螺的使用精度。

4.3.2 应用中需要注意的问题

（1）在单独运用此方法时，我们忽略了其他零位电压等其他因素的影响，因此，在使用时除了重视温度的变化，还要充分考虑其他因素，以确保方法可以有效使用，达到良好的效果。

（2）在进行温度补偿时，关键地是要精确地计算出时间距，在应用的过程中，可以通过采用寻找起始时间同步的方法来使硬件得到同步，以进一步提高精度。

5.压电陀螺的应用

5.1 在物理领域的应用

压电陀螺在国内外已经得到了广泛的应用，其用途主要有外环应用和作为基本元件两种用途。外环应用是指在物理试验中作为一个物理量的指示器，比如测量角速度、角加速度等。作为一个基本元件的主要作用是指在自动控制系统中的应用。

5.2 在兵器制导系统中的应用

压电陀螺具有质量轻、体积小、成本低、耗能小的特点，在兵器制导系统中也有广泛的应用。但是由于兵器系统的特殊的特殊性，对压电陀螺的可靠性和精确度要求也很高，这也是压电陀螺有待提高的一个方面。

6.总结

在整文的论述中，我们可以了解到压电系统运行中的重要作用。在系统的运行过程中，环境因素是最不好把控的因素，又加上温度的变化对压电陀螺的刻度因子和零度输出的数值影响都很大，对温度的妥善处理是确保压电陀螺正常运行的必备条件。所以说压电陀螺的温度补偿技术是使压电陀螺发挥作用的核心环节。在我们对压电陀螺的温度补偿技术的分析中，可以找到类似数学模型算法补偿技术、模拟温度补偿技术等有效地技术。但是也应该看到，这些技术在成本投入、研制周期、效益比较等方面也存在欠缺，值得我们进行进一步的研究，以寻找更为有效地温度补偿技术。

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[5]刘宇，陈利娟，王仕亮.压电振动陀螺温漂性能粒子群算法优化.重庆邮电大学学报（自然科学版），2013年4期