专利名称：石英微机械陀螺敏感器件温度测量方法及温度补偿电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及石英微机械陀螺的核心部件-敏感器件，具体指敏感器件温度测量方
法，本方法能为石英微机械陀螺的温度补偿电路提供准确的温度信息。同时，基于本方法设 计了石英微机械陀螺温度补偿电路。
背景技术：
石英微机械陀螺具有体积小、重量轻、可靠性高、适合大批量生产等特点，可以在 很多需要测量角速度的系统中使用，具有广阔的应用前景和市场。由于环境温度对其零位 电压、标度因数等技术指标有一定影响，在工程应用中需要通过温度补偿措施消除或减弱 温度误差，以提高该产品的环境适用性。现有许多同类产品中都使用了温度补偿技术。在 温度补偿电路中，温度信息是补偿算法的依据，需要实时地精确获取，即温度补偿的关键点 是实时、精确地获取音叉温度信息。常规的方法是在石英微机械陀螺中装入温度传感器 IC(或热敏电阻等)，根据其输出得到温度信息，见图1。 石英微机械陀螺由敏感器件和处理电路组成。敏感器件是陀螺的核心，其内部为 双端音叉结构。音叉的性能随温度发生变化，是温度误差的根源。为了达到精确补偿的目 的，必须准确获取音叉上的温度信息。本发明所述的敏感器件温度即指敏感器件音叉温度。 由于敏感器件结构的特殊性，温度传感器无法封装于敏感器件内部。在敏感器件外壳上贴 装温度传感器，既影响敏感器件性能，又影响电路结构的可靠性。常规的方法是将温度传感 器安装在电路板上尽量靠近敏感器件的位置。采用这种技术措施，音叉温度传递到温度传 感器的过程将受到以下两种介质传热性能的影响
①音叉与敏感器件外壳之间的气体
②敏感器件外壳与温度传感器之间的介质 常规方法只能在陀螺内部达到热平衡时，才能准确获取音叉上的温度信息。在温 度变化过程中，这种温度信息不能反映音叉的即时温度。因此，依据这种温度信息进行补偿 的实时性较差。在实际应用中，环境温度是随时变化的，变化方向和变化速率都不能预先确 定，当温度变化速率较快时，由于迟滞效应，补偿结果将会产生严重偏离，导致石英微机械 陀螺测量角速率的误差很大甚至出现错误的判断。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种石英微机械陀螺敏感器 件温度测量方法，本方法能显著提高石英微机械陀螺敏感器件温度测量的准确度和实时 度，从而为温度补偿电路提供准确、实时的温度信息。本发明同时基于该测量方法设计了石 英微机械陀螺温度补偿电路。
本发明石英微机械陀螺敏感器件温度测量方法为通过测量幅控电压发生器的输 出电压Vk，根据关系式Vk = _aT+b，即得到音叉温度T。
具体测量方法为
(1)在石英微机械陀螺的上、下极限工作温度点对幅控电压发生器输出电压Vk进 行标定，从而确定Vk与敏感器件音叉温度T的关系式Vk = -aT+b中a和b的值；
(2)实时测量幅控电压发生器输出电压Vk，从而根据关系式Vk = _^+13得到实时 的敏感器件音叉温度T。 其中，第(2)步音叉温度T的具体确定方法为在石英微机械陀螺的工作温度范围 内，将Vk信号提取出来，经过信号调理电路变换为固定范围内的直流电压，该直流电压与 敏感器件音叉温度T存在确定的对应关系，从而获得音叉温度信息。 基于上述测量方法，只需要在幅控电压发生器的输出端和温度补偿电路输入端之 间增设信号调理电路即可，温度补偿电路即能获得及时、准确的音叉温度信号，从而进行实 时、准确的温度补偿。 本发明利用石英音叉自身的温度特性，获得真实的音叉温度信息。与传统的温度 传感器测试方法相比，本方法温度信息的实时性、准确性大幅度提高。温度测量电路与正确 的补偿手段相结合，对石英微机械陀螺进行温度补偿，可大幅度提高陀螺在复杂温度环境 中的精度。
图1-现有的带温度补偿的石英微机械陀螺原理框图
图2_本发明敏感器件内部温度测量原理框图；
图3-幅控电压发生器输出电压Vk和温度关系曲线；
图4-本发明一个具体的信号调理电路。
具体实施例方式振荡器电路基本工作原理如下 敏感器件的驱动音叉引出两个电极，分别是驱动端和反馈端。图2中Ud是振荡电 路驱动信号，接入驱动端使驱动音叉振动。Uf是反馈端的输出经缓冲器后获得的反馈信号。
反馈信号接入幅控放大器后，电路满足振荡条件，驱动音叉以其固有频率产生振动。
电路正常工作中，当Uf发生变化时，通过检波、比较和低通滤波电路，产生误差信 号Ve，使幅控电压发生器的输出电Vk产生与误差信号相同方向的改变。Vk反向控制幅控 放大器，改变驱动信号Ud的振幅，Uf随之发生反向变化，直至误差信号Ve为零，达到保持 Uf恒定的目的。 温度测量电路的基本工作原理如下 驱动音叉在振荡器电路激励下振动时 Ud = VD sin w t = K2VK sin "t ①Uf = VF sin(wt+Ji) = K。KJ。 sin(wt+Ji) ② 式中VD和VF分别是驱动信号和反馈信号的振幅，VK是幅控电压发生器的输出电 压，"是驱动音叉的固有频率。KO是驱动信号经驱动端到反馈端的增益，取决于音叉的固 有特性，在此我们定义K。为驱动音叉的传输比。！^是缓冲器的增益，为一常量。1(2是幅控 信号对驱动信号的增益，也为一常量。 比较式①和式②中驱动信号和反馈信号的振幅值，可以得到如下关系式
VF = K。KJd V0 = K2VK 贝UVK = (1/Ko)氺[VF/(Kiig ③ 理论分析和实际测试证明，驱动音叉的传输比K。具有随温度变化的特性，在一定
的温度范围内，K。可近似表示为 K0=l/(_pT+q) 式中p、q为系数，T为音叉温度。且在一定的温度范围内，q〉pT。根据式③和式 可得 VK = -T [ (pVF) / (KA) ] + [ (qVF) / (K^)] 振荡器电路正常工作时，VF为恒定值，V K2、 p、 q为常数，因此
VK = -aT+b ⑤ 由式⑤可知，幅控电压发生器的输出电压Vk与音叉温度值成线性关系，且完全取 决于音叉自身的温度。在石英微机械陀螺的工作温度范围内，将Vk信号提取出来，经过调 理电路的缓冲、放大和电平转换，根据需要变换为与温度对应的、在固定范围内变化的直流 电压，就可达到准确获取音叉温度信息的目的。 本发明的理论基础正是基于式⑤，因此通过测量幅控电压发生器的输出电压Vk， 即可得到音叉温度。敏感器件温度的具体测量为 (1)在石英微机械陀螺的上、下极限工作温度点(该两温度点即敏感器件音叉上、 下极限工作温度点，对于具体的石英微机械陀螺，该上、下极限工作温度点是预先确定的) 对幅控电压发生器输出电压Vk进行标定，从而确定关系式Vk = -aT+b中a和b的值；虽然 幅控电压发生器的输出电压Vk与音叉温度值成线性关系，但对于不同的具体石英微机械 陀螺而言，式中a和b取值不同，因此需要预先确定a和b。 (2)实时测量幅控电压发生器输出电压Vk，根据确定的关系式Vk = -^+13得到实 时的敏感器件音叉温度T。 因此，基于上述测量方法，只需要在幅控电压发生器的输出端和温度补偿电路输 入端之间增设信号调理电路即可，温度补偿电路即能获得及时、准确的音叉温度信号，从而 进行实时、准确的温度补偿。图2是石英微机械陀螺的敏感器件内部温度测量电路框图。本 方案的电路结构是在常规的振荡器电路中，提取出与温度相关的信号(即Vk)，经过放大和 电平转换，输出直接反映音叉温度的直流电压。图2中主要示出与温度测量有关的部分，因 此仅包括图1中振荡器电路的细化部分和增加的温度信号调理电路。 本发明不用对原有的常规电路进行修改，只需增加一级信号调理电路即可。图3 所示的是二只常规石英微机械陀螺，在-4(TC +6(TC温度范围内幅控电压Vk的曲线。由 于电路的增益VI^在此温度范围内有少量变化，所以图3曲线有一定的非线性误差。信号 调理电路的增益在此温度范围也有少量变化，反向放大后非线性误差可以抵消。
本方案的实施过程如下 ①在上、下极限工作温度点对Vk进行标定，获得近似的拟合直线数据； ②在电路中增加信号调理电路(图4为一个具体的信号调理电路，供参考)，根据
Vk的输出电压范围，和Vt要求的输出范围，确定电路的增益和偏置； ③在上、下极限工作温度点对Vt进行标定，获得温度测量电路输出特性。
权利要求
石英微机械陀螺敏感器件温度测量方法，其特征在于通过测量幅控电压发生器的输出电压Vk，根据关系式Vk＝-aT+b，即得到音叉温度T。
2. 根据权利要求1所述的石英微机械陀螺敏感器件温度测量方法，其特征在于具体的测量步骤为(1) 在石英微机械陀螺的上、下极限工作温度点对幅控电压发生器输出电压Vk进行标 定，从而确定幅控电压发生器输出电压Vk与敏感器件音叉温度T的关系式Vk = -aT+b中 a禾口 b的值；(2) 实时测量幅控电压发生器输出电压Vk，从而根据关系式Vk = -aT+b得到实时的敏 感器件音叉温度T。
3. 根据权利要求l所述的石英微机械陀螺敏感器件温度测量方法，其特征在于第(2) 步音叉温度T的具体确定方法为在石英微机械陀螺的工作温度范围内，将Vk信号提取出 来，经过信号调理电路变换为固定范围内的直流电压，该直流电压与敏感器件音叉温度T 存在确定的对应关系，从而获得音叉温度信息。
4. 根据权利要求1所述的石英微机械陀螺敏感器件温度测量方法设计的石英微机械陀螺温度补偿电路，其特征在于在幅控电压发生器的输出端和温度补偿电路输入端之间设有信号调理电路。
全文摘要
本发明涉及石英微机械陀螺敏感器件温度测量方法及温度补偿电路，通过测量幅控电压发生器的输出电压Vk，根据关系式Vk＝-aT+b，即得到音叉温度T。基于上述测量方法，只需要在幅控电压发生器的输出端和温度补偿电路输入端之间增设信号调理电路即可，温度补偿电路即能获得及时、准确的音叉温度信号。本发明利用石英音叉自身的温度特性，获得真实的音叉温度信息。与传统的温度传感器测试方法相比，本方法温度信息的实时性、准确性大幅度提高。温度测量电路与正确的补偿手段相结合，对石英微机械陀螺进行温度补偿，可大幅度提高陀螺在复杂温度环境中的精度。
文档编号G01K7/22GK101793569SQ20101011558
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月1日 优先权日2010年3月1日
发明者张锐, 朱振忠, 李世国, 王清亮, 苏永川, 蒋昭兴 申请人:中国电子科技集团公司第二十六研究所