一种硅微谐振式加速度计温度补偿方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅微谐振式加速度计温度补偿方法，首先在无加速度情况下标定出谐振梁维持谐振振幅恒定的直流驱动电压与其谐振频率的单调变化关系曲线，然后在有加速度情况下对直流驱动电压和谐振频率进行测量，结合先前获得的关系曲线将温度引起的谐振频率从测量得到的谐振频率中减去，完成温度补偿工作。本发明提供的硅微谐振式加速度计温度补偿方法，克服了传统直接温度补偿方法中温度场分布的不确定性和热传导延迟给补偿结果带来较大偏差的缺陷，能够实现实时的、高精度的温度补偿；本发明方法的温度补偿成本低，不需要额外增加传感器，仅利用已有电路器件即可实现。
【专利说明】一种硅微谐振式加速度计温度补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种硅微谐振式加速度计温度补偿方法，尤其涉及一种利用加速度计自身驱动电压信号而非直接测量温度信号对硅微谐振式加速度计进行温度补偿的方法。
【背景技术】
[0002]硅微谐振式加速度计基于MEMS工艺，以两根受迫弯曲振动的谐振梁为力敏感单元，两根谐振梁(谐振梁I和谐振梁2)的振动频率差表征了所受加速度的大小。因为谐振梁的弹性模量受温度影响，且硅微器件与基底热膨胀系数不同，所以硅微谐振式加速度计测量精度受温度影响显著。为了补偿温度对测量结果的影响，常用方法是通过外部测温传感器测量硅微器件的环境温度并建立温度补偿模型。由于温度场分布的不确定性和热传导的时间延迟，这种补偿方法效果不佳并且有滞后效应。
【发明内容】
[0003]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用加速度计自身驱动电压信号对硅微谐振式加速度计进行温度补偿的方法，通过补偿算法对加速度计谐振频率输出进行实时精确的补偿。
[0004]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0005]一种硅微谐振式加速度计温度补偿方法，包括如下步骤:
[0006]( I)在无加速度信号输入情况下，在环境温度-40?60°C变化范围内，对硅微谐振式加速度计的谐振频率和直流驱动电压进行测量，取得谐振梁I和谐振梁2的谐振频率随温度变化的单调关系曲线和直流驱动电压随温度变化的单调关系曲线；所述硅微谐振式加速度计有两个谐振梁，分别记为谐振梁I和谐振梁2 ；
[0007](2)在无加速度信号输入情况下，标定谐振梁I维持谐振振幅恒定的直流驱动电压与其谐振频率的单调变化关系曲线；此时谐振梁I的谐振频率变化值为温度引起的偏移频率；
[0008](3)在无加速度信号输入情况下，标定谐振梁2维持谐振振幅恒定的直流驱动电压与其谐振频率的单调变化关系曲线；此时谐振梁2的谐振频率变化值为温度引起的偏移频率；
[0009](4)使用所述硅微谐振式加速度计进行加速度测量，获取谐振梁I的谐振频率和谐振梁2的谐振频率f2，以及此时谐振梁I的直流驱动电压Vdl和谐振梁2的直流驱动电压 Vd2 ；
[0010](5)由于电压信号抗干扰能力低，直流驱动电压易受噪声干扰，故对谐振梁I和谐振梁2的直流驱动电压Vdl和Vd2进行滤波，滤除噪声后的直流驱动电压分别力和匕；
根据步骤(3)获得的单调变化曲线得到直流驱动电压对应的温度偏移频率fT1，根据步骤
(4)获得的单调变化曲线得到直流驱动电压A2对应的温度偏移频率fT2 ；[0011](6)谐振梁的谐振频率是由加速度信号引起的频率fa和由温度引起的频率偏移fT两部分相加而成，即:
[0012]f1=fal+fT1[0013] f2=fa2+fT2
[0014]计算温度补偿后的谐振梁I和谐振梁2的频率差为:
[0015]fa「fa2= (f「fT1) - (f2-fT2) = (frf2) - (fn-fT2)
[0016](7)计算被测量的加速度信号acc为:
[0017]acc= (fa「fa2) /Sf
[0018]其中Sf为加速度计的标度因数。
[0019]所述步骤(I)具体包括如下步骤:
[0020](11)在环境温度-40~60°C变化范围内，标定s个温度点；
[0021]( 12)在无加速度信号输入情况下进行如下实验:在每个温度点上采集谐振梁I的谐振频率和直流驱动电压、采集谐振梁2的谐振频率和直流驱动电压；
[0022](13)重复执行步骤(12)的实验，累计执行步骤(12)的实验次数为t次；
[0023](14)对每个温度点下的谐振频率和直流驱动电压取平均为:
【权利要求】
1.一种硅微谐振式加速度计温度补偿方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)在无加速度信号输入情况下，在环境温度-40~60°C变化范围内，对硅微谐振式加速度计的谐振频率和直流驱动电压进行测量，取得谐振梁I和谐振梁2的谐振频率随温度变化的单调关系曲线和直流驱动电压随温度变化的单调关系曲线；所述硅微谐振式加速度计有两个谐振梁，分别记为谐振梁I和谐振梁2 ； (2)在无加速度信号输入情况下，标定谐振梁I维持谐振振幅恒定的直流驱动电压与其谐振频率的单调变化关系曲线；此时谐振梁I的谐振频率变化值为温度引起的偏移频率； (3)在无加速度信号输入情况下，标定谐振梁2维持谐振振幅恒定的直流驱动电压与其谐振频率的单调变化关系曲线；此时谐振梁2的谐振频率变化值为温度引起的偏移频率； (4)使用所述硅微谐振式加速度计进行加速度测量，获取谐振梁I的谐振频率和谐振梁2的谐振频率f2，以及此时谐振梁I的直流驱动电压Vdl和谐振梁2的直流驱动电压Vd2; (5)对谐振梁I和谐振梁2的直流驱动电压Vdl和Vd2进行滤波，滤除噪声后的直流驱动电压分别为匕和;根据步骤(3)获得的单调变化曲线得到直流驱动电压&对应的温度偏移频率fT1，根据步骤(4)获得的单调变化曲线得到直流驱动电圧K,对应的温度偏移频率 fT2 ； (6)谐振梁的谐振频率是由加速度信号引起的频率fa和由温度引起的频率偏移&两部分相加而成，即:
fl=fal+fll
f2=fa2+fT2 计算温度补偿后的谐振梁I和谐振梁2的频率差为:
farfa2= (fi_fn) - (f2_fT2) = (fi_f2) - (fTrfi2) (7)计算被测量的加速度信号a。。为: acc= (f a2) /Sf 其中Sf为加速度计的标度因数。
2.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计温度补偿方法，其特征在于:所述步骤(I)具体包括如下步骤: (11)在环境温度-40~60°C变化范围内，标定s个温度点； (12)在无加速度信号输入情况下进行如下实验:在每个温度点上采集谐振梁I的谐振频率和直流驱动电压、采集谐振梁2的谐振频率和直流驱动电压； (13)重复执行步骤(12)的实验，累计执行步骤(12)的实验次数为t次； (14)对每个温度点下的谐振频率和直流驱动电压取平均为:
3.根据权利要求2所述的硅微谐振式加速度计温度补偿方法，其特征在于: 所述步骤(2)具体包括如下步骤: (21)对谐振梁I在每个温度点下的平均谐振频率和平均直流驱动电压数据使用三次多项式拟合模型进行拟合，得到谐振梁I维持谐振振幅恒定的直流驱动电压与其谐振频率的单调变化关系曲线:
fn_a0+ai^dl+a2^dl +a3^dl (22)使用最小二乘原理，获得上式的系数an，n=0,I, 2, 3 ； 所述步骤(3)具体包括如下步骤: (31)对谐振梁2在每个温度点下的平均谐振频率和平均直流驱动电压数据使用三次多项式拟合模型进行拟合，得到谐振梁2维持谐振振幅恒定的直流驱动电压与其谐振频率的单调变化关系曲线:
fi2_bo+b1Vd2+b2Vd2 +b3Vd2 (32)使用最小二乘原理，获得上式的系数bn，n=0,I, 2，3。
4.根据权利要求3所述的硅微谐振式加速度计温度补偿方法，其特征在于:所述对直流驱动电压的测量数据Vd进行滤波以获得&的具体方法为: 首先，建立如下模型:
Vit{k) — a Vd (k -1) + ω(]? -1)
V!(k)^cyil(k) + v(k) 对同一个温度点下的同一直流驱动电压进行m次实际值测量，k=l,2,...,m；Vd(k)为第k次测量到的直流驱动电压实际测量值，&0)为Vd(k)滤波后的值，ω (k)为第k次测量时的动态噪声，u (k)为第k次测量过程中引入的测量噪声，a，c为测量系统和测试方法确定的参数； 其次，将Vd(k)表示为Vd，k，将表示为，依据下式统计动态噪声ω (k)和测量噪声U (k)的方差值Cr〗和:
【文档编号】G01P15/097GK103472259SQ201310429703
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】赵立业, 杨辉, 黄丽斌, 李宏生 申请人:东南大学